도시지도에 태양계 나타내기

목적

학생들은 상대적으로 지구상에 잘 알려진 크기와 거리 개념을 통해서 태양계의 크기에 대해 이해할 수 있다.

학습 목표

• 축척 모형을 만들기 위해서 어느 정도의 양이 필요한지 확인할 수 있다.
• 도시지도에 태양계 축척 모형을 나타낼 수 있다.
• 실제 구성단위를 모형 구성단위로 전환할 수 있다.
• 모형의 부정확성을 유발하는 요인들을 발견할 수 있다.
• 천문학적 거리와 비교해서 상대적으로 태양계 천체들 사이의 거리가 작음을 인지할 수 있다.

평가

학생들의 활동을 평가하기 위한 선생님의 질문:

• 태양과 비교해서 상대적으로 행성이 얼마나 작은지 어느 정도 이해했는가?
• 태양계를 이루는 서로 다른 천체들 사이의 거리가 얼마나 먼지 어느 정도 이해했는가?
• 태양계 천체의 종류를 크기에 따라 얼마나 잘 구분할 수 있는가?
• 모형을 통해서 필요한 정보를 얼마나 잘 모을 수 있는가?
• 축척 요소를 잘 계산할 수 있는가?
• 행성의 크기를 표현하는데 적절한 축척을 결정할 수 있는가?
• 만약 크기나 거리 중 하나만 변경한다면 해당 모형이 얼마나 부정확한지 이해할 수 있는가?
• 좀 더 정확한 축척 모형을 만들기 위해 수학적 사고를 잘 적용할 수 있는가?
• 모형의 부정확성의 원인이 되는 요인들을 발견할 수 있는가?
• 해당 축척 모형으로부터 정보를 얼마나 잘 얻을 수 있는가?

준비물

• 연필
• 도시지도 사본(거주하는 도시나 마을의 지도를 사용해라)
• 공 한 개(~200mm)
• 핀의 머리 한 개(~0.8mm)
• 알후추 두 개(~2mm)
• 양귀비씨 한 개(~1mm)
• 체스트넛 한 개(~22mm)
• 헤이즐넛 한 개(~18mm)
• 완두콩 두 개(~8mm)
• 모래알 한 개(~0.6mm)
• 선택 준비물: 알루미늄 호일 혹은 어린이 공작용 점토
• 줄자
• 계산기
• 학생용 활동지
• 컴퍼스
• PDF 자료표(선생님용)
• 학생용 활동지 PDF

배경지식

태양계는 가장 중심에 위치한 별 하나와 지구를 포함한 8개 행성들의 보금자리이다. 이 행성들은 태양을 중심으로 궤도운동을 하고 다양한 크기와 특징을 가지고 있다. 태양계는 매우 많은 수의 다른 항성들과 함께 우리은하에 속해 있다. 항성들 사이의 엄청난 거리는 우주에서 태양계의 위치처럼 도저히 상상할 수 없다. 이러한 거리에 비해 태양계 내에 있는 행성들 간의 거리는 가깝지만 지구상의 거리와 비교했을 때 행성들 간의 거리를 시각화하는 것은 매우 어렵다. 명왕성과 태양 사이의 거리는 약 59억km이다!

태양계의 태양과 행성들 :

(선생님은 이 활동을 지도하는 동안 해당 정보를 알려 주어야한다.)

• 태양은 지구에서 가장 가까운 항성으로 전기를 띄는 미립자과 주로 수소와 헬륨으로 구성된다. 태양 지름은 백만 개 이상의 지구가 들어갈 수 있는 크기이다. 태양은 핵융합으로 빛을 만들어내는 항성들 중에서는 중간 크기에 속한다. 태양 빛이 태양 표면을 떠난 이후에 지구로 도달하는데 약 8분정도 걸린다.
• 수성은 태양에서 가장 가까운 행성이며 가장 크기가 작다. 수성은 대기가 부족하기 때문에 극심한 고온과 저온의 환경을 가지고 있다. 태양계에서 지구 외의 모든 행성들 중에서 수성은 가장 밀도가 높은 행성이다.
• 금성은 태양계에서 가장 온도가 높은 행성이며 지구와 크기가 거의 비슷하다. 금성은 모든 행성들 중에서 가장 높은 온도를 기록하는데 이는 이산화탄소가 매우 밀집된 대기를 가지고 있기 때문이다(지구 표면 온도가 약 290켈빈온도[K]인 것에 비해 금성의 표면에서는 740K이다!). 금성은 대부분 두꺼운 황산 구름으로 덮여있어서 태양광선이 대기층 아래로 뚫고 들어가는 것을 막는다.
• 지구는 지금까지 알려진 바로는 생명체가 살 수 있는 유일한 행성이다. 지구의 자기장은 우주로 수천 킬로미터 뻗어있고 해로운 태양 방사능을 막는다. 지구는 천문학자들이 생명체 거주가능지대라고 부르는 영역의 중심에 있다. 생명체 거주가능지대에서의 기온은 물이 액체 상태로 존재하기에 적절하다.
• 화성은 물이 얼음 상태로 극지방에 존재한다. 화성을 탐사하기 위해서 수차례의 근접통과, 착륙선, 궤도 선회 우주선, 무인 탐사선들이 화성으로 보내졌다. 하지만 해당 행성에 대한 가장 큰 의문점은 해결되지 못했다: 화성에 물이 항상 존재했었는가?
• 목성은 태양계에서 가장 큰 행성이며 첫 번째 가스 행성이다. 목성의 질량은 태양계 모든 행성의 질량을 합한 것보다 2배 이상 크다. 목성은 너무 커서 목성 지름에 1400개의 지구가 충분히 들어간다.
• 토성은 고리가 잘 알려져 있다. 토성은 태양 주위를 공전하는데 약 30년 걸리는 반면 자전은 고작 11시간 밖에 걸리지 않는다. 토성의 고리는 수십억 개의 얼음과 바위 덩어리들로 이루어져 있다
• 천왕성은 상대적으로 많은 양의 고체상태인 메테인과 물이 있기 때문에 얼음 대행성으로 알려져 있다. 천왕성의 자전축은 자신의 궤도면과 거의 평행하게 기울어져 있다. 하지만 태양계의 다른 행성들의 자전축은 자신의 궤도면에 수직에 가깝다.
• 해왕성은 태양계에서 가장 먼 거리에 있는 행성이다. 천왕성에서 해왕성까지의 거리는 태양에서 천왕성까지의 거리의 절반에 가깝다. 천왕성과 마찬가지로 해왕성의 고리는 얇아서 실제 관측할 때 매우 어둡게 보인다.

다른 천체들:

• 달은 지구가 가지고 있는 단 하나의 자연 위성이다. 달은 1969년 처음으로 아폴로 11호를 이용해 인류가 직접 방문한 곳이다. 달의 표면에서 육안으로도 선명하게 보이는 어둡고, 상대적으로 특색이 없는 지역은 달의 바다라고 불리는데 달의 바다는 과거 용암 분출에 의해서 만들어진 것으로 알려져 있다.
• 소행성대는 태양계의 화성과 목성 사이에서 발견되는 지역인데 서로 다른 크기와 모양의 소행성(asteroid)들로 이루어져 있다. 소행성은 그 크기가 매우 작기 때문에(조약돌 크기부터 1000km 크기까지) 미행성 혹은 작은 행성(minor planet)으로 불리는 바위로 된 금속성 천체이다.
• 혜성은 긴 궤도 주기를 가진 얼음으로 된 작은 천체이다. 혜성이 태양 가까이 지나면 뜨겁게 달궈지고 기화된 얼음은 혜성의 모양을 꼬리가 달린 눈뭉치처럼 보이게 한다. 혜성은 긴 궤도 주기를 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
• 명왕성은 태양계의 왜소행성 중 하나이다. 명왕성보다 큰 천체인 Eris의 발견으로 명왕성의 분류에 논란이 생기기 전까지 명왕성은 1930년에 발견된 이후 행성으로 분류되어 있었다. 2006년에 국제천문연맹에서 행성의 정의에 대해 논의되어 명왕성은 자신의 궤도에서 주변 천체들을 완전히 제거하지 못했다는 이유로 행성에서 제외되었다.
• 천문단위(AU): 천문단위는 지구와 태양 사이의 거리를 단위화 한 것이다. 천문학자들이 태양계의 큰 거리를 표현할 때 주로 사용한다.
• 척도인자:작은 모형에서 모든 직선거리와 크기는 척도인자에 의해서 커지거나 작아진다. 척도인자는 다음 식을 통해서 구한다;

척도인자 = 참값 / 기준값

예를 들어 태양계의 크기를 조정할 때 지구의 직경과 기준값(이 경우에 2mm 크기의 알후추를 사용한다.)은 각각 참값과 기준값으로 사용된다. 다른 행성들의 크기를 조정하기 위해서 행성들의 참값과 척도인자는 위의 식을 통해서 계산할 수 있다;

축척 모형 = 참값 / 척도인자

아래 뮌헨 도시지도에 나타낸 태양계의 축척 모형 예시에서는 태양(독일 뮌헨 마리엔 광장에 있는 시청에 위치해있다.) 주위를 도는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성의 궤도를 나타내었다.

전체 활동 설명

이 활동은 학생들이 태양계 축척 모형을 만드는 것이다. 행성과 태양 사이에 존재하는 텅 빈 공간을 시각화하는 것과 행성들끼리 상대적인 크기를 비교하는 것은 매우 어렵다. 다음 과정은 축척 모형을 재현하는 과정이다.

단계 1 :

태양계에 대한 입문자 토론 과정에 학생들을 참여시킨다.

• 학생들에게 우리은하에서 태양의 위치에 대해서 물어본다(이 질문은 우리은하 사진을 보여주면서 할 수 있다.).
• 지구에서 가장 가까운 항성은 무엇인가?
• 지구에서 두 번째로 가까운 항성은 무엇인가? 지구에서 가장 가까운 행성은 무엇인가?
• 태양계에서 발견될 수 있는 다른 천체는 무엇인가?
• 태양계 천체들은 상대적으로 얼마나 크고 작은가? 서로 얼마나 떨어져 있는가? 천체들 사이에 차이점이 있는가? 행성을 구분하는 두 가지 큰 범주는 무엇인가?
• 학생들에게 축척 모형의 특징을 열거하도록 하고 칠판에 대답을 적어 정답이 나올 때까지 논의하도록 한다. 목록은 모두 1차원이어야 한다(예: 넓이, 높이, 길이, 등등.). 이러한 논의 과정은 학생들이 태양계 천체들과 관련된 매우 큰 값들을 이해하는 데 발생하는 어려움을 완화하고, 학생들이 축척 모형에 대해서 직감적으로 이해하는 것을 돕는다.

단계 2 :

학생들에게 해당 모형을 예측하도록 한다.

• 학생들을 서로 다른 조로 나눈다.
• 학생들에게 태양계의 크기를 바꾸기 위해서 어떤 한도가 필요한지 물어본다.
• 학생들은 계산하지 않고 지도상에 자신들이 추측하는 축척 모형의 위치에 대해서 예측해본다(지도에서 그 거리에 해당하는 곳에 표시하도록 한다.). 그리고 각각의 태양계 천체들의 크기를 생각해보거나 확인한다.
• 태양계를 좀 더 정확하게 나타내기 위해서는 무엇을 해야 하는가?
• 자신의 예측 모형에 대해서 논의해보고 잘못된 개념을 찾아본다.

이 활동이 끝나면 학생들은 축척 모형을 만들기 위해서 거리와 크기가 모두 필요하다는 것을 이해할 수 있다.

단계 3 :

학생들은 계산을 통해 축척 모형을 만들 수 있다.

• 조별로 태양계 천체들 사이의 거리와 천체들의 크기가 있는 활동지를 나눠준다.
• 학생들은 브레인스토밍을 통해 어떻게 이 자료들이 모형을 만드는 데 이용되는지 그 방법에 대해 생각해본다.
• 교실에서 발견한 물체들로 거리를 조절하고 간단한 계산을 통해 예시를 만든다(이것은 펜의 크기를 2배의 길이로 조절하거나 두 학생 사이의 거리를 두 배 줄이는 것을 통해 할 수 있다.).
• 지구를 표현하기 위해서 알후추(혹은 2mm 짜리 둥근 물체)를 각 조별로 나눠준다.
• 학생들은 축척 모형을 만들기 위해서 어떤 계산법이 적용되었는지 알아차린다. 지구가 2mm라면 금성의 새로운 크기는 얼마인가? 또한, 태양과 다른 천체들 사이의 거리를 조절하기 위해서 이 정보를 어떻게 사용할 수 있을까?
• 학생들은 학생 활동지를 완료한다. 학생들은 이 축척 크기를 통해 나눠주는 일반적인 물체들을 사용하여 다른 행성을 알아낼 수 있거나 혹은 그들의 계산에 따라서 어린이용 공작용 점토나 알루미늄 호일로 다른 행성들을 만들어 낼 수 있다.
• 학생들은 자신의 예측 모형과 실제 모형으로부터 다른 행성들의 상대적인 크기와 거리를 비교한다(학생들은 처음으로 과학이 정확한 정답을 찾기 위한 것이 아니라는 것을 알 수 있게 된다.).
• 선택 학습으로 천문단위의 정의와 천문학자들이 천문단위를 만든 이유에 대해서 설명한다. 학생들이 태양과 행성 사이의 거리를 적도록 하고 이를 킬로미터 단위로 환산하도록 한다.

단계 4 :

학생들이 도시지도에 축척 모형을 만들고, 다른 시나리오로 확장한다.

• 학생들은 도시지도에 행성들과 태양의 위치를 결정한다. 행성을 배치하기 위해 줄자를 이용하고 실제 거리를 나타내는 축척이 표시된 지도를 사용한다.
• 가능하다면 학생들에게 상대적인 행성들의 실제 위치를 찾도록 한다. 다음 링크에서 예시를 확인할 수 있다: http://www.theplanetstoday.com . 컴퍼스는 궤도를 그리는데 사용된다.
• 학생들과 결과에 대해서 논의하고 태양과 행성에 대한 세부 정보를 제공한다.
• 학생들에게 모형에 적용되지 않은 행성의 특징이 무엇인지, 해당 모형이 거리만 조정되었다면 어떤 영향을 받았을지 물어본다. 어떤 요소가 해당 모형을 부정확하게 만들었는가? 이것을 어떻게 하면 고칠 수 있을까?
• 학생들이 다른 종류의 축척 모형에 대해서 생각할 수 있도록 한다(예를 들어 다른 지식을 이용해서). 그리고 모형을 만들기 위해서 같은 과정을 적용하는 방법에 대해서 생각할 수 있도록 한다.

단계 5 :

학생들과 도시지도의 다양한 위치에 대해 활동지를 구성한다.

• 학생들이 태양계를 여행하고 싶도록 동기를 부여한다.
• 여정을 떠나기 전에 태양과 행성 대체품을 학생들의 손에 쥐어준다.
• 대부분의 학생들이 지도상에 있는 위치에 대해서 익숙해져야 한다.
• 다른 학생들이 다음 천체로 이동하는 동안 각각의 천체를 발표하고 천체의 위치에 서 있기 위해서 자유롭게 학생들을 다른 조로 나눈다. 이 과정은 자신이 살고 있는 도시 환경을 따르며 아주 먼 거리에서 하는 것이 좀 더 적합하다.
• 다른 거리에 도착할 때 학생들에게 그 천체의 특징과 사실에 대해서 물어본다. 행성의 공전 주기, 태양과 해당 행성과의 거리를 비교한다(행성이 태양으로부터 멀수록 공전 주기는 더 길다.).

커리큘럼

추가정보

• 자그레브(크로아티아의 수도)에서 현실에 기반을 둔 태양계 :

http://astrogeo.geoinfo.geof.hr/prizsunce/eng-home.html

• 태양계의 크기 : https://www.youtube.com/watch?v=zR3Igc3Rhfg

결론

이 활동은 학생들이 태양계 천체들 사이의 먼 거리에 대한 개념과 상대적인 크기 개념을 이해하는데 도움을 준다. 축척 모형을 만드는 방법과 거주하는 도시 주변에서 태양계를 시각화하는 것에 대한 감각을 제공한다. 만약 학생들이 천체의 한 가지 특징만 계산에 고려한다면 그 모형이 어떻게 변화하는 지 알 수 있다.