"과학문화교육"

2006-09-25 (Vol 3, No 9)

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학교 과학교육의 실제

물리 지도 자료의 면모

지렛대의 과학

아빠랑 시소를 탑니다. 끼익끼익~ 우리 아빠는 아주 뚱뚱해서 항상 바닥에 내려가 있어요. 그런데 내가 아빠를 들어올릴 수 있는 방법이 있다고 하네요. 어떻게 하면 될까요?
아르키메데스가 말한 “나에게 지구를 들 수 있을만한 긴 지렛대만 준다면 지구라도 들어보이겠다"라는 말을 들어보았나요? 아르키메데스는 어떻게 지구를 들 수 있을까요?

1. 준비물
지레 모형, 추 세트, 손톱깎이, 핀셋, 젓가락, 병따개, 병

2. 실험 방법
(1) 지레 관찰과 설치하기: 손으로 지렛대와 받침대의 모양, 바닥의 홈을 느껴보도록 하고 바닥에 지렛대를 설치한다. 지레의 각 명칭(작용점, 받침점, 힘점)에 대해서 설명한다.
▶ 중등: 앞에 놓인 지렛대에서 지레의 3요소가 어떤 순서로 위치해있는지 질문한다.

(2) 지레를 이용하여 물체 들어올리기: 받침대를 맞추는 홈의 위치를 변화시켜가며 힘을 주어 물체를 들어올려 보도록 한다.
▶ 초등: 홈을 옮길 때마다 드는 힘이 어떻게 변했나요?
잘 못 느꼈다면, 첫 번째 홈과 마지막 홈에 받침대를 놓고 물체를 들어 올려봅시다.
지레를 이용하여 물체를 들 때 가장 작은 힘으로 들어 올리려면 어떻게 해야 할까요?
지레를 이용하여 물체를 들 때 가장 큰 힘으로 들어 올리려면 어떻게 해야 할까요?
받침대를 물체에서 점점 멀어지게 했을 때, 물체가 들린 높이는 어떻게 되나요?

▶ 중등: 홈을 옮길 때마다 드는 힘이 어떻게 변했나요?
잘 못 느꼈다면, 첫 번째 홈과 마지막 홈에 받침대를 놓고 물체를 들어 올려봅시다.
지레를 이용하여 물체를 들 때 가장 작은 힘으로 들어 올리려면 어떻게 해야 할까요?
지레를 이용하여 물체를 들 때 가장 큰 힘으로 들어 올리려면 어떻게 해야할까요?
받침대를 물체에서 점점 멀어지게 했을 때, 물체가 들린 높이는 어떻게 되나요?
받침대를 물체에서 점점 멀어지게 했을 때, 힘점의 높이는 어떻게 되나요?
지레를 이용하여 작은 힘으로 무거운 물체를 움직이기 위해서는 작용점과 받침점 사이의 거리와 힘점과 받침점 사이의 거리 중 어느 것이 더 커야 할까요?
받침점이 물체에서 점점 멀어질수록 물체를 들어올리는데 드는 힘은 어떻게 되나요?
받침점과 작용점 사이의 거리, 받침점과 힘점사이의 거리, 물체의 무게, 힘점에 가하는 힘 사이에는 어떠한 관계가 있을까요?
물체를 가장높이 들었을 때, 물체가 들린 높이와 내가 지렛대를 아래로 움직인 거리 중에서 어느 것이 더 큰가요?
물체를 가장높이 들었을 때, 물체가 들린 높이와 내가 지렛대를 아래로 움직인 거리 중에서 어느 것이 더 큰가요?
지레의 중앙에 있는 홈(두번째 홈)에 받침대를 놓았을 때, 힘점의 높이와 위로 들리는 물체의 높이는 어떤가요?
받침대가 물체에서 점점 멀어질 때, 힘점의 높이와 위로 들리는 물체의 높이는 어떻게 되나요?
받침점과 힘점 사이의 거리와 받침점과 작용점 사이의 거리의 비는 힘점의 높이와 물체가 들리는 높이의 비와 어떠한 관계가 있을까요?

(3) 일에 대한 원리: 일의 크기를 구하는 공식 설명하기
▶ 초등: 첫 번째 홈에 받침대를 놓았을 때 우리가 지레에 해 준 일과 지레가 물체에 해 준 일 중 어느 것이 더 클까요?
▶ 중등: 일은 작용하는 힘 곱하기 움직인 거리입니다. 우리가 지레에 해 준 일은 힘점에 가한 힘 곱하기 힘점이 움직이는 거리, 즉 힘점의 높이입니다. 지레가 물체에 하는 일은 물체의 무게 곱하기 물체가 들리는 높이입니다. 그렇다면 첫 번째 홈에 받침대를 놓았을 때 우리가 지레에 해 준 일과 지레가 물체 에 해 준 일 중 어느 것이 더 클까요?

(4) 지레 균형 맞추기: 받침대의 위치를 변화시켜가며 추를 이용하여 지렛대를 평형이 되도록 만들어 본다.

(5) 지레의 원리를 이용한 물건: 실생활에서 지레를 이용한 예를 들어준다.
① 시소: 여러분보다 무거운 친구와 같이 시소를 탈 때, 여러분이 친구를 들어 올리려면 어떻게 앉아야 할까요?
② 가위: 가위를 이용해서 종이를 잘라보고 힘점, 작용점, 받침점을 찾아본다.
③ 핀셋: 핀셋을 이용하여 물건을 집어보고, 작용점, 힘점, 받침점을 찾아본다.
④ 손톱깎이: 손톱이 긴 친구들은 도움을 받아 손톱을 깎아보고 작용점, 힘점. 받침점을 찾아본다.
⑤ 병따개로 병 따보기: 병뚜껑을 따보고, 작용점, 힘점. 받침점을 찾아본다.

▶ 중등; 다섯 가지 중 받침점이 작용점과 힘점 사이에 있는 것은 무엇인가요?(1종 지레)
작용점이 받침점과 힘점 사이에 있는 것은 무엇인가요?(2종 지레) 힘점이 받침점과 작용점 사이에 있는 것은 무엇인가요?(3종 지레)

(6) 정리하기: 주변에 있는 물건들 중에서 지레의 원리를 이용한 것을 더 찾아봅시다. 그리고 앞으로 무거운 물건을 들어올릴 때는 스스로 지레를 만들어 사용해 보세요.
수수께끼! 우리의 신체구조 속에도 지레의 원리가 숨어있답니다. 과연 어떤 것이 있을지 잘 생각해보세요.

3. 원리

무거운 짐을 들어올리는 일을 할 때 자신의 힘만으로 들어올린다면 허리에 상당한 무리가 올 것이다. 작은 힘으로도 물체를 들어올릴 수 있을 정도의 큰 힘을 낼 수 있는 장치는 지레, 도르래, 축바퀴, 빗면이용, 바퀴가 있다.
그림은 지레를 나타낸 그림이다. 받침점의 위치가 어디냐에 따라 힘을 들이는 정도가 결정된다. 만약 받침점이 무거운 물체 즉 작용점 근처에 있다면 작은 힘이 들어가도 물체를 들어
올릴 수 있을 것이고 받침점이 힘점 근처에 있으면 지레를 이용하는 이유가 없어질 것이다.
이처럼 받침점과 작용점과의 거리, 받침점과 힘점사이의 거리에 따라 가해지는 힘이 결정된다.
즉 물체의 무게*받침점과 작용점사이의 거리 = 가해지는 힘*받침점과 힘점의 거리 이런 원리가 성립된다.
하지만 매우 무거운 물체를 들어 올리려면 받침점과 힘점사이의 거리가 매우 길어야 한다. 즉 공간상의 제약을 받게 된다.
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빛은 정보를 싣고

우리는 한번쯤 인터넷을 사용해봤을 것입니다. 모뎀을 사용했을 경우와 광통신을 사용했을 때 어떤 것이 더 빠를까요? 광통신을 사용했을 때가 더 빠를 것입니다. 왜 그럴까요? 광통신은 빛을 이용하여 정보를 주고 받는 통신 방식인데 빛이 세상에서 가장 빠르기때문 광통신을 이용할때가 더 빠릅니다. 그럼 빛은 직진하는데 어떻게 원하는 곳에 장애물을 피해서 빛을 보낼수 있을지 알아 봅시다.

1. 과정

우린 낚시줄을 빛으로 하였고 광섬유를 파이프관으로 만들었고 파이프관속은 공기가 아닌 다른 매질이 있다고 가정하겠습니다. 빛이 파이프관속에서 진행할 때, 굴절률이 높은 파이프관속의 매질이 파이프관이라는 굴절률이 상대적으로 작은 매질을 만나면서 경계면에 입사된 빛이 어떤 특정한 임계각보다 크면 모두 반사하는데 이를 이용하여 광통신을 만듭니다.

2. 원리

빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 그 속도가 달라지면서 두 매질의 경계면에서 꺾이게 되는데, 이를 굴절이라고 합니다. 대개의 경우, 두 매질의 경계면에서는 이러한 굴절과 함께 반사도 함께 이루어진다. 그런데 물과 같이 굴절률이 큰 매질에서 공기와 같이 굴절률이 상대적으로 작은 매질로 진행할 때, 어떤 각도보다 큰 각도로 경계면에 입사된 빛은 경계면에서 모두 반사된다. 이러한 현상을 전반사라고 한다.
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내 머리속에 무지개

여러분은 비온 후 파란하늘 위에 무지개를 보신 적이 있으신가요? 여러분은 무지개하면 어떤 느낌이 떠오르시나요? 지금은 머릿속에 남아 있는 아름다운 빨주노초파남보 일곱까지 무지개 색......지금부터 여러분 머릿속에 무지개를 불러 일으켜 드리겠습니다 ~^^

1. 빨간색

얼마 전에 아쉽게 끝이 난 독일 월드컵을 기억하시나요? 세계인의 이목을 집중시켰던 붉은 악마 다들 아시죠? 이번 독일 월드컵에서도 붉은 악마는 열정과 패기를 가지고 6월 한 달을 뜨겁게 달궜습니다. 붉은 색 또한 붉은 악마와 같은 열정과 패기, 정열이란 이미지를 내뿜습니다. 빨간 장미의 꽃말이 정열, 열정인 이유도 여기에 있습니다. 그리고 길을 가다 긴박하게 울리는 소방차의 사이렌 소리를 들어보신 적 있나요? 빨간색은 훨훨 타오르는 불의 뜨거움과 이를 끄기 위해 달려가는 소방차의 사이렌소리와 같은 긴박감을 느끼게 합니다.
지금부터 붉은 악마의 힘찬 함성소리와 빨간 장미, 열이 나는 히터, 그리고 긴박한 소방차의 사이렌소리를 듣고 만지면서 여러분의 머릿속에 빨간색을 떠올려보세요.

2. 주황색

귤과 오렌지는 주황색으로 된 대표적인 과일이며 달고 맛있는 것도 있는 반면에 굉장히 신맛을 내는 것도 있습니다. 사람들은 주황색을 보면 귤과 오렌지, 그리고 신맛을 떠올리게 됩니다.
지금부터 앞에 있는 신맛을 내는 귤과, 오렌지를 만져보고 직접 먹어보며 여러분의 머릿속에 주황색을 떠올려 보세요.

3. 노란색

“삐약,삐약” 이 울음소리는 무슨 동물의 울음소리일까요? 네, 맞습니다. 바로 귀여운 병아리의 울음소리입니다. 병아리가 커서 닭이 되기전까지는 노란색의 털을 가졌습니다. 그리고 유치원에 다니는 어린 아이들은 노란색 유치원 옷을 입고 유치원에 가는 모습이 병아리와 비슷합니다. 이렇듯 노란색은 병아리와 유치원을 다니는 어린 아이들을 떠올리게 합니다.
지금부터 귀여운 병아리 소리를 들어보고, 노란색으로 된 대표적인 과일인 바나나를 먹으며 여러분의 머릿속에 노란색을 떠올려 보세요.

4. 초록색

나무가 우거진 숲속에서 시원하게 부는 바람과 새들이 지저귀는 소리를 들어보신적 있으신가요? 숲속의 시원한 바람과 새들의 지저귐은 우리들에게 편안함과 상쾌함을 줍니다. 초록색은 숲속에 푸르게 우거진 나무와 풀을 연상하게 하고 숲과 같은 편안함과 상쾌함을 느끼게 합니다.
지금부터 풀과 나뭇잎을 직접 만져보고 숲속의 새들의 지저귐과 시원한 바람소리를 들으며, 여러분의 머릿속에 초록색을 떠올려 보세요.

5. 파란색

‘철썩,철썩’ 시원한 파도 소리와 갈매기 소리...... 바로 바닷가의 풍경이죠. 사람들은 무더운 여름 날 바닷가에 가서 시원한 파도소리와 바닷바람을 맞으며 더위를 날리곤 하죠. 시원한 얼음물 또한 무더위를 날리는데 제격이죠. 파란 색은 구름 한 점 없는 하늘, 파도치는 바다, 그리고 얼음물의 시원함과 같은 느낌을 줍니다.
지금부터 바닷가의 파도소리와 갈매기소리를 들어보고, 차가운 얼음물에 손을 담궈보면서 여러분의 머릿속에 파란색을 떠올려 보세요.
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저항은 전하를 귀찮게 해

전하를 따라 우리 같이 전기회로 속을 여행해 볼까요? 전하가 전기회로 속을 여행 하면서 어떤 친구들을 만날까요? 우선 전하가 여행을 할 수 있는 길이 있을 것이고 전하의 여행을 방해하는 고난과 역경인 저항도 있을 것입니다. 마지막으로 여행을 하는 동안 지친 전하의 체력을 보충해 주는 기전력도 있겠죠? 자! 그럼 전하와 함께 여행을 시작해 볼까요! Let's go!!!

1. 준비물
나무판, 나무기둥, 쫄대, 전지, 전기선, 소리장치, 쇠구슬, 소리키트

2. 과정
실험 기구에서는 전하를 쇠구슬로 표현 하였습니다. 그럼 쇠구슬이 굴러가는 나무판은 전선이 되겠죠? 전하의 여행을 방해하는 고난과 역경은 바로 윗판에서 길을 막는 나무판이 되는 것입니다. 전하가 여행을 하는 동안 많은 고난과 역경을 겪을수록 전하가 도착지점으로 오는데 걸리는 시간이 길어 지겠죠? 이는 쇠구슬이 도착지점에 오면 내는 소리간격을 통해서 여러분들은 알 수 있을 것입니다. 쇠구슬이 힘든 여행을 마치고 오면 체력이 많이 떨어져 있겠죠? 우리가 다시 체력을 보충시켜주어 볼까요? 전하의 체력은 기전력이라는 엘리베이터에 의해 올려 줄 수 있습니다.

3. 원리
이 기구의 과학원리 설명을 위해 전류의 흐름을 물의 흐름에 비교 해 볼께요. 물은 높은 곳에서 낮은 곳에서 흐르죠? 이와 마찬가지로 전기 역시 높은 전기력에서 낮은 전기력으로 흐르면 전류가 흐른다고 합니다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지면서 어떤 일을 해요? 시골에 가면 물레방아가 돌아가는 것을 볼 수 있죠? 바로 물이 떨어지면서 물레방아를 돌리는 일을 해 준 것이에요. 마찬가지로 전류가 흐르면서 전구에 불을 켜 주고, 선풍기를 돌리는 등 각종 전기기구를 사용 할 수 있는 것이죠. 그러나 물레방아가 물의 흐름을 방해하기도 하죠. 만약 물레방아가 없다면 물은 좀 더 잘 흐를수 있을텐데 말이죠. 전기에서도 마찬가지로 저항이 없다면 좀 더 잘 흐를 수 있죠. 저항은 물의 흐름을 방해하는 물레방아처럼 전하가 도선을 통해 흘러 가는데 그 흐름을 방해하는 것이랍니다. “그럼 저항이라는 것이 안좋다고 생각하고 없으면 제일 좋겠네요?” 라고 질문을 할수도 있지요. 그렇지만 저항이 없다면 우리가 전구에 불을 켜고 선풍기를 돌리는등 각종 전기기구를 쓰는데 꼭 필요하여서 없어서도 안되는거에요. 우리가 전기기구를 쓰는데는 반드시 필요하고 도선에 전하가 흐를때 저항이 없으면 가장 좋겠죠? 이제 높은 곳에서 떨어진 물을 올려볼까요? 물을 다시 높은 곳으로 올려 주려면 어떻게 하면 되나요? 펌프를 사용해서 올려 주면 되겠죠? 그럼 이 올려진 물은 다시 떨어지면서 물레방아를 돌릴 수 있게 되구요 그럼 전류의 흐름을 이어갈 수 있도록 펌프 작용을 해 주는 것이 기전력이라고 하면 쉽게 이해되겠죠?
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필름없는 카메라

지난 추억을 회상하게 해주는 카메라. 작은 물체도 볼 수 있게 해주는 현미경. 밤하늘에 아름다운 별을 볼 수 있게 해주는 망원경. 내 친구, 우리 할아버지가 끼고 다시는 안경. 앞에 네가지의 공통점은 모두다 렌즈를 이용한다는 것이다. 렌즈는 얼핏 보기엔 보통 유리 같지만, 평평한 것도 아닌 것이 어느 것은 중심이 볼록하고 어느 것은 중심이 오목하다. 흔히 주변에서 볼 수 있는 볼록렌즈와 오목렌즈. 우리는 두 렌즈의 원리를 알고자 하는 여러분을 위해 손으로 느낄 수 있는 과학을 준비하였다.

1. 재료
나무판, 나무기둥, 반구형 아크릴판, 낚시줄, 구형 스티로폼, 흰 철사끈, 카메라 옵스큐라

2. 모형 소개
① 구형스티로폼은 광원을 나타냅니다.
② 편의상 파장(횡파)인 빛을 직선인 낚시줄과 흰 철사끈으로 나타내었습니다.
③ 원형아크릴판으로 오목렌즈(졸보기)와 볼록렌즈(돋보기)모형을 만들었습니다.
④ 광원에서 빛이 모든 방향으로 뻗어나감을 표현하기 위해 흰 철사끈을 이용해 나타내었습니다. 고로, 흰 철사끈은 보이지 않는 빛의 일부를 나타냅니다.
⑤ 낚시줄은 모든 방향으로 뻗어가는 빛 중에서 필요한 빛 9가닥만 나타낸 것입니다.
⑤ 광원에서 뿜어져 나온 빛은 직진해서 렌즈에 도달한 후, 렌즈를 통과하면서 굴절하게 됩니다. 볼록렌즈의 경우는 빛이 굴절하여 한 점에 모인 후 다시 퍼지는 형태를 띠지만, 오목렌즈의 경우에는 빛이 굴절 후에 바로 분산해 버리는 형태를 나타냅니다. 이것으로 보아, 볼록렌즈는 빛을 모으는 효과를, 오목렌즈는 빛을 분산시키는 효과를 거둘 수 있습니다.
⑥ 두 종류의 렌즈가 사용 된 물체를 실생활에서도 접할 수 있는데, 예를 들자면 안경, 카메라, 현미경, 망원경등이 있습니다.
⑦ 또한 두 렌즈의 특징을 이용하여 손쉽게 만들 수 있는 것 중에 카메라 옵스큐라가 있는데, 이는 이름에서와 같이 카메라의 원리와도 비슷합니다.
⑧ 볼록렌즈와 오목렌즈 두 종류의 렌즈를 사용하여 렌즈간의 거리를 조절하여 초점을 맞춘 후 하얀 미농지에 상을 맺히게 하는 것입니다.

3. 원리
렌즈는 투명한 물질로 만들어진 중심축(광축)을 공유하는 두 굴절면을 갖는 광학기기이다. 렌즈를 공기 중에 놓으면 빛은 공기로부터 렌즈로 굴절해 들어와 이를 통과해서 다시 공기속으로 굴절해 나간다. 이때 중심축에 평행한 입사광이 렌즈를 지나며 한 점으로 모여들면 볼록렌즈(수렴렌즈) 퍼져나가면 오목렌즈(발산렌즈)라 부른다.
앞에서 말했듯이 렌즈는 두개의 굴절면을 가진다. 일반적으로 우리가 알고 있는 렌즈는 볼록한 두 굴절면은 가졌거나, 오목한 두 굴절면을 가진다. 하지만 간혹 한쪽 면이 평면인 렌즈도 있다. 우리가 실험모형 제작을 한 모델이 우리가 일반적으로 아는 두 굴절면이 같은 렌즈이기에 그에 대한 설명을 하도록 하겠다. 두개의 굴절면을 가지는 렌즈는 두개의 초점을 가지게 된다.

1) 볼록렌즈
빛은 렌즈를 통과하는 동안 두 번의 굴절을 하게 된다. 이때 광축에 평행하게 입사하는 빛은 굴절 후 광원 반대편 초점을 지난다(1). 그리고 렌즈의 중심으로 입사하는 빛은 그대로 직진을 하게 된다(2). 또 광원의 반대편 초점을 향해 입사하는 빛 굴절 후 광축에 평행하게 진행한다(3).

2) 오목렌즈
볼록 렌즈와 같이 두개의 굴절면을 가지므로 빛이 렌즈를 통과하는 동안 두 번의 굴절을 하게 된다. 역시 마찬가지로 렌즈의 중심을 향해 입사하는 빛은 굴절하지 않는다(2‘). 하지만 볼록렌즈와는 달리 광축에 평행하게 입사하는 빛은 굴절 후 광원쪽 초점거리의 연장선에 평행하게 진행한다(1’). 또한 광원 반대편 초점을 향해 입사하는 빛은 굴절 후 광축에 평행하게 진행을 하게 된다(3‘).

첨부
물리학과(내 머리속에 무지개).hwp

대구대학교 과학교육학부 물리교육 전공

과학문화교육연구소