공중에 뜨는 우주 비행사

목적

학생들은 자석과 자석 사이의 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘, 자석과 자기 물질 사이의 끌어당기는 힘, 물체와 지구 사이의 중력 때문에 물체가 아래로 끌어 당겨진다는 것을 배울 것이다. 학생들은 모형에 대해서 질문하고 조사할 것이다.

 학습 목표

• 자력은 방향이나 종류에 따라서 인력 혹은 척력을 발생시킬 수 있는 힘이라는 것을 설명할 수 있다.
• 학생들은 중력이 지구(다른 물질) 방향으로 물체를 끌어당기는 힘이라는 것을 설명할 수 있으며 공중에 뜨는 우주비행사 모형에서 자력은 중력에 반하는 작용임을 설명할 수 있다.
• 학생들은 조건이 변화하는 것이 공중에 뜨는 우주비행사 모형에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• 학생들은 모형을 만드는 이유, 사용법, 제한사항에 대해서 토의할 것이다.

 평가

소규모 조별로 다음의 문제에 대해서 토의하라고 한다. 학생들에게 수업 중 정답을 발표할 사람을 지원받고 학급의 다른 학생들에게 발표에 대해 다른 점을 추가할 점이 있는지 없는지를 물어본다.

• 우주비행사들은 우주를 떠다닐 수 있는 반면, 우리는 땅 위에 붙잡혀 있는 이유에 대해 설명한다.
• 다른 물질로 만들어진 자석을 사용할 경우 어떤 일이 일어날지 예측하고 그 이유에 대해서 설명한다.
• 모형을 만드는 것이 중요한 이유는 무엇인가? 모형의 강점과 한계는 무엇인가?

 준비물

• 네오디뮴 자석
• 종이 클립
• 3mm 나사 네 개
• 커다란 나무 조각
• 작은 나무 조각 2개
• 컵 훅(cup hook)
• 실
• 우주비행사 사진

 배경지식

자력 :

자석은 여러 가지 다른 합금과 철, 코발트, 니켈과 같이 물질을 끌어당길 수 있는 능력을 가진 고체이다. 모든 물체는 원자핵 주위를 회전하는 음전하인 전자를 포함하여 몇 개의 다른 입자로 구성된 원자로 이루어져 있다. 자성 물체의 전자는 대부분이 핵 주변을 같은 방향으로 회전한다. – 이것이 물체가 자성을 띄는 원인이다. 개별 자석 물체에는 매우 다양한 원자 그룹이 있다. 각 그룹은 ‘자기 영역’이라고 불리는 자신만의 작은 자석을 형성한다. 반대 방향을 가리키는 자기 영역은 서로 상쇄된다. 더 많은 자기 영역이 정렬될수록 (같은 방향을 바라보는) 전체 자기장은 더 강해진다. 모든 혹은 대부분 자석의 자기 영역은 하나의 큰 자기장을 만들어 내기 위해서 같은 방향을 향하고 있다. 모든 자석에는 북극과 남극이 있다: 이것은 자기 영역의 배열 때문이다. 다른 극은 끌어당기고 같은 극은 밀어낸다. 자석은 자연적으로 혹은 유도될 수 있다. 항상 자신만의 자기장을 만드는 자석을 영구자석 혹은 고체 자석이라고 한다. 일시적이거나 혹은 연성인 자석은 다른 자기장이 존재한 후 잠시 자기장을 생성한다. 가장 강한 천연 자석은 자철석이다. 철 조각들을 자철석을 이용하여 한 방향으로 문지르게 되면 철도 자화된다(나침반은 이런 방법을 통해 만들어진다). 이번 활동에서 사용되는 네오디뮴을 자화시키는데 사용되는 과정과 동일하다.

중력 :

중력은 모든 물체를 서로 끌어당기는 힘이다. 이것이 지구가 둥근 구형이라도 우리가 지구에서 떨어지지 않는 이유이다. 이것은 지구 중심 방향으로 ‘아래쪽’이라고 생각하는 것이 도움이 될 것이다. 물체의 질량이 클수록 중력의 힘은 더 강하다. 이것이 지구의 중력이 달보다 더 강하고 사람들이 달에서 더 가볍게 느끼는 이유이다(6배 정도 더 가볍게). 우주비행사들이 떠 있는 것처럼 느끼는 이유는 약간 미묘하다: 우주비행사들은 지구나 달 주위를 돌 때 중력을 경험한다. 하지만 그들이 행성의 궤도를 돌기 때문에 계속해서 행성 쪽으로 떨어지고 있다(건물에서 떨어지고 있지만 결코 땅에는 닫지 않는 것과 비슷함). 우주비행사들은 자유낙하를 하는 동안은 중력이 실제로는 있지만 없는 것처럼 느껴진다(우주비행사들이 우주에 떠다니는 이유는 ‘무중력’, 즉 우주에 중력이 없기 때문이라는 것은 아주 흔한 오개념 중 하나라는 것을 알아두면 도움이 될 것이다.).

 전체 활동 설명

자기 부상, 또는 자기 서스펜션은 자기장 외 다른 지지대 없이 물체를 매달리게 하는 방법이다. 자기압은 중력 및 다른 가속도의 영향을 상쇄하기 위해 사용된다.

단계 1 :

컵 훅을 작은 나무 조각에 고정한다.

단계 2 :

네오디뮴 자석을 다른 나무 조각에 고정한다.

단계 3 :

큰 나무 조각의 각 모서리에 나사를 박는다.

단계 4 :

삽입된 나사를 사용해서 두 개의 작은 나무 조각을 더 큰 조각에 부착하여 틀을 만든다.

단계 5 :

실을 종이 클립에 묶는다.

단계 6 :

종이 클립(실이 부착되어 있는)을 우주비행사 사진의 뒤에 붙이고 다른 사진을 종이 클립의 반대편에 붙여서 종이 클립이 사진 사이에 숨게 만든다.

단계 7 :

실을 컵 훅에 붙이고 조정해서 우주비행사가 반대편 프레임 끝에 닿지 않도록 한다(남는 실은 잘라낸다.).

단계 8 :

학생들에게 우주비행사를 풀어주었을 때 어떤 일이 일어날지 예측하도록 하고 왜 그렇게 생각하는지 이야기해보라고 한다. (떨어지거나 뜨는 등의 일이 일어날까?) 학생들이 우주비행사가 떨어지는 이유로 중력에 대해서 반드시 구체적으로 논의하도록 하고 학생들에게 중력이 무엇인지 물어보도록 한다.

단계 9 :

우주비행사를 풀어주고 공중에 뜨는 것을 본다.

공중에 뜨는 우주비행사 만들기를 넘어서

이제 우주비행사를 만들었으니 학생들이 그것을 주의 깊게 관찰하고, 자신들이 관찰하고 있는 현상에 대해서 질문하고, 장치를 이용해 실험해 보도록 한다. 예를 들어 학생들은 왜 우주비행사가 공중에 뜨는지 혹은 우주비행사의 방향을 바꾸면 무슨 일이 일어나는지, 혹은 그들이 다른 물질을 사용한다면 어떻게 될 것인지 등을 물어볼 수 있다. 학생들을 소규모 조별로 나누어서 이러한 질문들에 대해 함께 조사하고 “배경 지식” 부분에 있는 자력과 중력에 관련된 정보를 공유할 수 있다.

또한 학생들이 모형을 구성하는 아이디어에 대해서 토론하도록 유도해야한다. 다음과 같은 토론 주제를 제안해 볼 수 있다:

– 모형은 무엇인가? 모형을 만드는 것은 왜 유용한가?

– 우주비행사 모형을 만드는 목표는 무엇인가?

– 이 모형의 장점은 무엇인가? (현실을 얼마나 잘 표현했는가?)

– 한계는 무엇이 있는가?

– 모형을 어떻게 발전할 수 있는가?

 커리큘럼

 추가 정보

위험 요소

14세 미만의 어린이가 자석을 가지고 놀게 하지 말고 항상 자석을 가지고 노는 아이를 감독해야 한다. 만약 작은 자석들을 삼킨다면 그것은 내장을 막을 수 있고, 심각한 붓기와 생명을 위협하는 부상을 유발할 수 있으며, 이를 제거하기 위한 수술이 필요할 수도 있다. 자석을 텔레비전 스크린이나 컴퓨터 모니터 화면에 올려놓으면 화면의 색을 영구적으로 왜곡시킬 수 있다. 날카로운 칼이나 다른 위험한 물질들처럼 강력한 자석들 사이에서는 손가락이 짓눌릴 수 있기 때문에 큰 자석들은 어린이들의 손이 닿지 않는 곳에 두어야 한다.

부서짐, 물집 및 베인 상처

강력한 자석들이 서로 가까워지면 엄청난 힘을 가질 수 있다. 손가락들이 자석들 사이에 빠르게 끼게 되면 물집 혹은 베인 상처의 원인이 된다. 큰 자석을 다룰 때는 반드시 장갑을 착용하고 조심해야 한다. 작은 자석들을 먼저 다루는 연습을 해야 한다. 자석들이 끌어당기면서 조직을 짓누를 수 있기 때문에 부드러운 조직을 가진 코나 귀 근처에 자석을 두면 안 된다. 자석이 가까워지면 그들은 조직을 더 압축하는 강한 힘을 발휘할 것이다.

자성에 예민한 물건들

네오디뮴 자석은 ‘일반적인’ 자석보다 훨씬 강력하다. 자석과 자력으로 손상될 수 있는 모든 물체 사이의 안전거리(20cm 이상)를 유지해야 한다. 이러한 물체에는 기계식 시계, 심장 박동 조절기, CRT 모니터 및 TV와 신용카드, 디스켓, 비디오테이프와 같이 자기적으로 저장된 미디어들이 포함된다.

 결론

이 활동은 재미있고 매력적인 방식으로 자력과 중력의 개념을 보여준다.

감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 심현진 교수님과 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.