태양의 그림자

목적

• 하루 동안 그림자의 길이가 얼마나 변하고 계절에 따라 어떻게 변하는지 이해할 수 있다.
• 태양 빛의 양이 계절마다 얼마나 변하고 각 계절이 일 년 중 언제를 가리키는지 이해할 수 있다.
• 태양이 시기를 알아내는데 어떻게 사용되는지 이해하고 하루의 시각, 한 해의 시기를 결정하는데 그림자가 얼마나 중요한지 이해할 수 있다.
• 과학적 조사의 과정을 이해하기 위해 자료에 기초한 관찰, 기록 및 결론을 바탕으로 과학 실험을 직접 경험할 수 있다.

학습 목표

• 태양의 위치가 그림자의 길이에 끼치는 영향에 대해서 이해할 수 있다.
• 태양의 일주 운동과 지구의 자전과의 관계를 이해할 수 있다. 예: 일 년 동안 북반구와 남반구의 계절적 차이와 황도의 변화를 통한 지구의 겉보기 움직임
• 계절적 변화가 지구상의 생물에 어떻게 영향을 미치는지 이해할 수 있다.
• 시계 없이 시간을 말하는 방법을 배울 수 있다.

평가

• 학생들에게 자신이 찾은 것을 친구들에게 설명하라고 한다.
• 학생들이 태양의 위치와 그림자의 결과를 연관시킬 수 있는가?
• 이 실험의 실제로 응용되는 것에는 무엇이 있는가? (예: 해시계의 시간 기록)

준비물

• 태양에 의해 그림자가 드리울 수 있는 날씨 조건, 예: 맑은 날씨
• 불투명 물체(예: 건물, 나무, 사람, 막대기 등)
• 종이(표준크기 A1 혹은 A0)
• 마카
• 줄자(선생님)
• 자(학생들)
• 지구본(혹은 지구를 표현할 수 있는 공)
• 손전등

배경지식

우리와 가장 가까운 별인 태양은 광원이면서 엄청난 양의 에너지를 생산한다. 태양 안에서는 격렬한 과정이 일어나고 있다. 태양의 구성 성분, 특히 수소는 핵융합 과정을 통해 불타고 있다. 핵융합 과정 동안 많은 양의 에너지가 빛과 열의 형태로 방출된다. 태양의 표면 온도는 대략 5500℃ (~5700K) 정도인 반면, 태양의 핵 온도는 대략 15,000,000℃ (~1500만K) 정도이다.

빛은 굉장히 빠른 속도로 태양을 떠나는데 이 속도는 1초 동안 3억 미터를 이동한다(즉, 299,792,458km 혹은 186,282,397 마일을 1초에 움직인다.). 이것은 인간에게 알려진 속도를 가진 물체 중 가장 빠른 속도이다. 빛이 굉장히 빨리 이동하지만 태양 빛이 우리에게 도달하기까지는 약 8분이 걸린다. 태양이 우리로부터 굉장히 멀리 떨어져 있기 때문이다. 지구에서 태양까지의 거리는 대략 149,600,600km(1억 4.9천만 킬로미터) 혹은 92,960,000마일(9200만 마일) 정도이다.

그림: 두 원자의 융합(핵융합 반응 후 발생되는 물리적 현상(위)과 광선 뒤에 숨겨진 에너지(아래)에 대한 시각자료.

태양에 의해 일어나는 한 가지 흥미로운 현상은 아날렘마이다. 아날렘마는 서로 다른 천체에서 관측했을 때 천체의 각 오차의 변화이다(예: 지구에서 태양 관측 혹은 달에서 지구 관측). 보통 관측된 천체의 움직임은 일별 혹은 연간 규칙적인 간격으로 변화가 나타난다. 대부분 아날렘마 표는 태양을 이용해서 만들어지지만 다른 천체를 이용할 수도 있다.

만약 지구상에서 매일 정확히 같은 시간에 30 ~ 50일 동안 태양의 위치를 기록한다면(예를 들면 12시 정각) 매우 흥미로운 패턴을 확인할 수 있다. 지구가 약간 타원형으로 태양을 공전하고 지구의 자전축이 기울어져(23.5도) 있기 때문에 하늘에서 태양의 궤적은 숫자 8과 같은 모양으로 나타난다. 아날렘마의 가장 높은 지점은 여름에 발견되고 가장 낮은 지점은 겨울에 발견된다. 아날렘마에 의해서 만들어지는 모양은 관측한 천체에 따라서 변한다(예: 만약 태양에서 화성을 관측한다면 눈물방울 혹은 계란 모양의 아날렘마를 관측할 것이다).

아날렘마 현상은 매일 같은 시각에 그림자를 관찰하더라도 일 년 동안의 그림자가 변하게 되는 이유를 이해하는 데 도움을 준다. 이는 지구의 자전축이 기울어져 있고 타원 궤도를 가지고 있기 때문이다. 또한 이 변화는 서로 다른 반구에서도 다르게 나타난다. 예: 북반구에서 가장 낮은 지점을 관측할 수 있을 때(겨울을 의미), 남반구에서는 가장 높은 지점이다(여름을 의미).

앞에서 본 바와 같이 태양 빛이 우리에게 도달하고 물체(예: 나무, 건물, 사람, 동물 등)에 닿았을 때 빛은 그림자를 만든다. 물체는 빛의 일부를 차단하고 그림자를 만든다. 하지만 물체가 (유리창처럼) 투명하다면 빛은 물체를 통과한다. 태양 광선이 물체에 부딪히면 그림자는 태양의 반대편에 생긴다. 예를 들어 한 해 뿐만 아니라 하루 동안에도 그림자의 길이는 겨울보다 여름에 훨씬 더 짧다.

역사를 통틀어 인류는 천문학적 시간 기록 장치로써 태양과 달에 의존해 왔다. 최초의 기록은 고대 이집트인들에 의해서 남겨졌다. 비록 시간 기록은 6000년 보다 더 이전부터 존재했을 것이라고 생각되지만 대부분 기록들은 사라졌다. 다양한 문명사회는 정확한 시간 기록 장치와 오늘날 우리가 사용한 것과 매우 흡사한 상용화된 달력 체계(365일, 한 달에 29에서 30일인 12개월)를 가지고 있었다. 고대 문명들은 일 년이라는 시간을 예측하기 위해서 태양, 달, 항성 혹은 이들의 결합을 사용했고, 하루의 시간을 알기 위해서 다양한 종류의 해시계를 사용했으며 해시계를 사용할 수 없는 밤에는 시간을 계산하기 위해서 항성을 이용했다.

과거 시간 기록 장치의 예로 해시계. 천문 시계, 오벨리스크, 물, 모래시계, 양초, 향 시계, 기계장치 시계가 있고, 가장 최근에는 석영과 원자시계 등이 있다. 오늘날에도 천문학이 시간을 기록하는데 중요한 역할을 한다는 것은 언급할 가치가 있다. 오늘날 중성자별의 한 종류인 밀리 초 펄서의 발견은 원자시계보다 더 정확하다. (참고: 펄서는 초신성 폭발의 결과로 형성된 매우 빠르게 회전하는 중성자별이다.)

전체 활동 설명

활동하기에 앞서:

만약 이 활동을 구름이 낀 날이나 비오는 날에 수행한다면 어떻게 되는지 학생들에게 물어본다. 태양에 의한 그림자의 길이를 측정하는 것이 중요한 이유에 대해서 학생들에게 생각해 보라고 한다.

주요 활동:

단계 1 :

아침에 이 활동을 시작하고 학생들은 그림자가 드리우는 다양한 물체를 관찰하도록 한다. 목적을 달성하기 위해서 종이를 땅에 두고 그 위에 막대기를 고정시킨다.

단계 2 :

학생들과 함께 태양의 그림자를 관측하고 학생들에게 그림자의 방향을 물어본다. 학생들이 하늘에서의 태양의 위치를 기록하도록 지도한다(학생들이 태양을 육안으로 쳐다보지 않도록 한다).

단계 3 :

물체에 드리워진 그림자의 길이와 태양의 위치를 기록하도록 학생들을 지도한다. 실험 장치에 그림자와 하루의 시간을 표시한다. 조별로 다음을 기록하도록 한다.

• 그림자의 길이를 측정하고 기록한다.
• 시간을 기록하고 시간과 태양의 위치와의 관계에 대해서 관찰한다.
• 날짜를 기록하고 현재 계절과 연관 짓는다.
• 날씨를 기록한다.

이 단계에서 학생들에게 지구의 자전이 시간과 계절에 영향을 미치는 것에 대해서 이해했는지 물어보는 것이 좋다. 예: 전 세계는 동시에 모두 다 낮일까? 혹은 전 세계가 모두 같은 계절일까?

(예를 들어 여름이라면 학생들에게 지금 전 세계는 모두 여름일까요? 라고 묻는다. 만약 학생들이 ‘아니요’라고 대답한다면 왜 그렇게 생각하는지 물어본다. 만약 학생들이 ‘잘 모르겠어요’라고 한다면 이전의 실험 활동 내용을 언급한다.)

단계 4 :

하루 중 여러 시간에 걸쳐 단계 3을 반복한다(예: 오전에 두 번, 정오에 한 번, 일몰 전에 두 번). 또한 학생들에게 실험을 수행하는 동안 태양이 하늘에서 어떻게 움직였는지도 기록하도록 한다.

활동한 이후

단계 1 :

하루가 끝나갈 때 학생들은 자신이 발견한 것을 기록하고 그림으로 나타낸다. 그리고 조별로 자신의 관측 기록에 대해서 논의하도록 지도한다. 학생들은 그날 기록한 것을 비교하고 자신의 관찰 결과에 대해서 결론을 짓는다.

단계 2 :

조별로 자신의 결과에 대해서 학급 친구들에게 발표하고 선생님과 논의한다. 학생들은 서로 다른 조끼리 자신들의 결과에 대해서 토의하고 선생님과 논의한다.

단계 3 :

1년이라는 기간을 지나 다음 계절에 이 연습을 반복한다. 정오에 그림자가 더 커지는가? 이것은 날씨가 더 추워질 때 해당 사항일 것이다(예: 가을에서 겨울). 정오에 그림자가 더 작아지는가? 이것은 날씨가 더 더워질 때 해당 사항일 것이다(예: 겨울에서 봄).

실험 활동 이후:

• 지구 모형(혹은 지구를 나타내는 공)과 손전등을 사용하여 태양 주위를 공전하는 지구에 대해서 증명한다.
• 축이 기울어진 공/지구본을 이용하여 지구가 태양 주위를 공전하는 동안 지구에는 태양 빛이 다르게 입사한다는 것을 증명한다.

이것은 학생들이 각 반구가 서로 다른 계절을 가지는 이유에 대해서 시각적으로 알 수 있도록 한다. 또한 학생들이 계절의 원인과 계절의 변화에 대해서 시각적으로 알도록 한다. 마지막으로 이 실험은 학생들이 낮과 밤에 대해서 이해할 수 있고 주요 활동과 연관 지을 수 있을 것이다.

커리큘럼

결론

이 활동은 하늘에서 태양의 위치가 그림자에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 개념을 설명한다. 학생들은 그림자의 길이와 하루, 일 년이라는 시간을 관련 지을 수 있어야 한다.

우리는 그림자가 항상 그림자가 드리워지는 물체 주위를 시계방향으로 이동한다는 것을 경험으로 알 수 있다. 그림자의 길이는 일출 후부터 정오 사이에 지속적으로 줄어들고 그 후에 다시 길어진다.

태양의 그림자는 오랜 세월 동안 낮의 시간과 계절의 변화를 관측할 수 있게 도와주었다. 그러므로 시간과 계절의 원리를 배우기 위해서 그림자의 길이를 측정