전체 활동 설명
소개 :
수업은 세 가지 부분으로 구성된다: 지구에서의 중력, 대형 망원경, 우주에서의 중력. 각자의 학교 수업 계획에 따라 이들은 하나의 수업으로 구성될 수도 있고 혹은 2 ~ 3개의 분리된 수업으로 구성될 수 있다.
준비 :
관련된 모든 수업 자료를 다운로드한다. ‘중력’(PPT) 슬라이드 파일로 시작해서 설명이 끝날 때 마다 다음 영역에 대한 설명을 진행한다. 그리고 각 부분과 연관된 탐구 활동을 진행한다.
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지구에서의 중력
이 수업/연속된 수업에서 가장 먼저 학생들은 뉴턴 시대 이전의 고전적인 중력에 대해서 배운다. 학생들은 ‘질량’과 ‘무게’의 차이점과 두 가지를 이어주는 방정식에 대해서 학습한다. 그리고 지구상에 미치는 중력의 힘에 대해서 조사한다.
이 탐구 활동은 두 가지 방법으로 진행할 수 있다. 하나는 자유낙하 하는 물체의 가속도를 측정함으로써 중력에 의해서 생겨나는 가속도를 직접 측정하는 것이다. 다른 것은 뉴턴 미터에 걸려있는 질량을 측정함으로써 지구에서의 중력의 힘을 측정할 수 있다.

선택1 : 자유낙하(자료 기록)
중력의 세기는 ‘중력에 의해서 발생하는 가속도’로도 정의 할 수 있다. 물체를 지표로 떨어뜨려 가속도를 측정하여 직접적으로 중력의 세기를 측정할 수 있다. 이런 자연 현상에 대한 실험을 위해 3 ~ 4인을 한 조로 나누는 것이 좋다.
만약 낙하 실험을 세 번 실행하기로 하였다면 아래와 같은 것을 고려할 필요가 있다.
- 실험을 준비하기 위해서 다음 설비를 준비하는 것이 좋다 : 두 개의 광센서가 있는 자료 기록 장치(아래 선택 A). 하지만 하나의 광센서와 스톱워치를 이용하여 실험할 수도 있다(아래 선택 B).
- 광센서는 하드웨어의 일부이다. 데이터를 기록하기 위해서는 하드웨어(자료 기록 장치)를 사용하거나 소프트웨어(광센서가 연결되어 있는 컴퓨터에서 작동)를 사용할 수 있다.
- 저자는 비교적 경제적이고 사용에 간편한 uLog를 추천하는데 이것이 좀 더 이용하기 간편할 것이다. uLog 광센서는 USB를 노트북이나 PC에 연결하여 사용할 수 있고 소프트웨어를 편리하게 사용할 수 있게 되어있다.
- 광센서는 클램프 스탠드에 달아야 한다. 대부분의 광센서는 부착할 수 있도록 제작되어있다.
- 낙하 실험에 적절한 물체를 선택한다: 작고 밀도가 높은 물체는 공기 저항을 적게 받기 때문에 가장 좋다. 또한, 이 물체는 정육면체와 같이 일반적인 모양이 좋다. 특정 자료를 기록하는 소프트웨어를 필요로 하는지 확인해야 한다.
- 자료 기록 소프트웨어는 학생들이 방대한 결과를 수집할 수 있도록 한다. 하지만 이 결과의 대다수들은 매우 부정확할 것이다. 예를 들어 낙하하는 물체가 첫 번째 광센서만 지나가고 두 번째 광센서는 통과하지 않거나 혹은 예상 경로를 이탈할 수도 있다. 학생들이 정확한 기록과 부정확한 기록을 구별할 수 있도록 자료 검증 활동지가 제공된다. 이 활동지를 참고해서 학생들은 평균을 계산함으로써 부정확한 기록을 버릴 수 있게 된다.
- 이 탐구 활동으로는 중력이 낙하하는 물체의 무게에 따라 다르게 작용하지 않는다는 것을 이해할 수 있다(예: 무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어지지 않는다.). 이것은 학생들의 정확한 결과 즉, 정확성에 달려있다. 학생들에게 무게는 서로 다르지만 크기는 비슷한(가능하면 같은 크기이면 더욱 좋다.) 다양한 물체를 준다. 예를 들어 나무 블록과 금속 블록을 준다. 하지만 가장 가벼운 물체도 공기 저항에 영향을 받지 않도록 충분히 무거워야 함을 명심해야 한다. 무게와 가속도 사이에는 상관관계가 전혀 없어야 한다.
학교에서 사용할 수 있는 설비 시설에 따라 자유 낙하운동은 하나 혹은 두 개의 광센서를 이용해서 진행 할 수 있다. 좀 더 많은 정보는 아래를 참고한다.
- 두 개의 광센서를 이용한 자료 기록 장치 사용하기:
필요한 기기 |
자료 기록 장치가 있는 컴퓨터/노트북 |
연결된 광센서 2개 |
클램프 스탠드 |
낙하시킬 일반적인 형태의 물체 |
- 자유 낙하운동 실험을 진행하기에 가장 쉬운 방법은 두 개의 광센서를 사용한 자료 기록 장치를 사용하는 것이다.
- 클램프 스탠드에 광센서 하나는 위에, 다른 하나는 아래쪽에 부착한다.
- 물체가 두 광센서의 레이저빔을 모두 지날 수 있도록 물체를 떨어뜨린다. 대부분의 자료 기록 장치 소프트웨어는 물체의 크기와 광센서 사이의 거리를 입력하면 바로 물체의 가속도를 계산한다.
- 자료 기록 장치를 참조하여 가속도 계산 방법을 지도한다.
- 학생들은 자신의 결과를 엑셀에 입력하고 평균값을 계산하기 전에 잘못된 값과 변칙 값을 지운다.
- 하나의 광센서를 이용한 자료 기록 장치 사용하기:
만약 두 개의 광센서를 이용하기 어렵다면 하나의 광센서와 스톱워치를 사용하는 방법이 있다.
필요한 기기 |
자료 기록 장치가 있는 컴퓨터/노트북 |
광센서 1개 |
클램프 스탠드 |
스톱워치 |
낙하시킬 일반적인 형태의 물체 |
- 광센서를 클램프 스탠드에 부착한다.
- 광센서 위쪽 적절한 높이에서 물체를 떨어뜨린다. 스톱워치를 사용하여 물체가 출발 지점부터 광센서를 통과하는데까지 걸리는 시간을 측정한다. 물체의 낙하 거리는 알 필요 없다.
- 광센서를 이용하여 물체의 최종 속도를 측정한다. 대부분의 자료 기록 소프트웨어는 물체의 크기를 입력하면 바로 해당 속력을 계산한다. “가속도 = (나중 속력 – 처음 속력) X 시간” 방정식을 이용하여 가속도를 계산할 수 있다. 처음 속력은 0이기 때문에(준비된 물체를 떨어뜨리는 것이지 던지는 것이 아니므로) 해당 방정식은 “가속도 = 나중 속력 X 시간”으로 단순화시킬 수 있다.
- 학생들은 엑셀에 결과를 입력하고 방정식을 이용하여 가속도를 계산한다. 학생들은 평균값을 계산하기 전에 잘못된 값과 변칙 값을 지운다.
만약 위에 제시된 자료 기록 장치를 구비 할 수 없는 환경이라면 학생들은 서로 다른 크기의 물체가 아래로 향하는 힘(무게)의 총합 즉, 뉴턴 미터를 이용하여 중력으로 인해 생기는 가속도를 측정할 수 있다.
선택2 : 뉴턴 미터
만약 광센서와 자료 기록 장치를 사용할 수 없는 환경이라면 학생들은 뉴턴 미터가 달려있는 물체를 이용하여 지구에서 중력의 세기를 측정할 수 있다.
필요한 기기 |
뉴턴 미터 |
다양한 크기를 가진 물체 |
뉴턴 미터에서 서로 다른 크기를 가진 물체를 달아 무게(값)를 읽으면 ‘중력의 세기 = 무게 ÷ 질량’이라는 방정식을 통해 중력의 세기를 N/Kg 단위로 계산할 수 있다. 학생들은 서로 다른 뉴턴 미터로 다양한 결과를 얻을 수 있다. 만약 물체를 너무 낮게 달아 스프링이 지나치게 많이 늘어나게 되거나 물체가 너무 커서 스프링이 감당할 수 없을 만큼 늘어나게 되면 학생들은 정확하지 않은 결과를 얻게 된다. 학생들은 이러한 변칙 값을 확인하고 학급 전체 평균값을 계산할 수 있다. 뉴턴 미터 실험은 2인 1조로 진행하는 것을 추천한다.