해시계 만들기

목적

학생들은 시간을 측정하기 위해서 해시계를 만들어 해시계가 햇빛에 어떻게 작동하는지 설명한다. 해시계를 사용해서 시간을 말하고 현대의 시간을 알아내는 방법과 비교해서 이 방법의 정밀성과 정확성을 비교한다.

학습 목표

이 활동이 끝나면 학생들은 다음을 설명할 수 있다 :

• 시간을 알 수 있는 여러 가지 기구들을 말할 수 있다.
• 해시계가 햇빛에 어떻게 작동하는지 설명할 수 있다.
• 해시계를 이용해서 시간을 보는 방법을 증명할 수 있다.

평가

• 활동을 시작할 때 학생들에게 시간을 알려주는 기구가 어떤 것이 있는지 물어본다.
• 하루가 지나면서 해시계의 그림자 위치와 크기가 어떻게 바뀌는지 학생들에게 묘사하라고 한다.
• 학생들에게 왜 하루 동안 태양의 위치가 변하는지 물어본다. 지구가 자전하고 하루 동안 시간에 따라서 태양의 위치가 변하는 것을 학생들에게 그리거나 보여주면서 설명해보라고 한다.
• 학생들에게 각각 다른 시간에 해시계를 이용해서 시간을 읽어보라고 하고 현대적 방법(예: 손목시계 혹은 시계)으로 시간을 말하는 방법과 비교해본다.

준비물

• 큰 돌 12개
• 가위
• 풀
• (대략) 150cm의 긴 막대기
• 큰 각도기
• 마카펜
• 북쪽이 어디인지 알려줄 나침반
• 학생 1인당 활동지 한 개씩

선택:

• 여분의 작은 돌들
• 적도의 해시계(PDF)

배경지식

태양

태양은 중심의 핵융합을 통해 빛과 열을 내뿜는 별이다. 태양은 특별히 크거나 작지 않고 특별히 어리거나 늙지 않은 평범한 별이다. 또한, 지구의 생명을 유지할 수 있게 해주고 우리의 기후와 날씨를 조정하는 열원이다. 태양은 지구와 가장 가까이에 있는 별이며 가장 많이 연구된 별이다. 우리는 일반적인 별들의 구조와 진화를 결정하는 물리적인 과정을 이해하기 위해서 태양을 활용하여 많은 것을 알아낸다.

태양 관측

아주 잠시라도 태양을 직접 보는 것은 굉장히 좋지 않다. – 우리의 눈은 태양 빛에 굉장히 민감하다. 심지어 어두운 곳에서도 아주 조금의 빛이라도 있으면 우리의 눈은 여전히 무언가를 찾아낼 수 있다. 따라서 당신의 눈처럼 좁은 영역에 태양의 밝은 빛이 모두 집중된다면 어떤 일이 벌어질지 상상해보아라. 눈 뒤에 있는 빛 감지기가 타버릴 것이다. 안타깝게도 피부가 햇볕에 그을리는 것과 달리 눈은 아마 회복되지 않을 것이고 시력을 잃을 수도 있다.

만약 태양이 얼마나 해로운지에 대한 직접적인 증거를 원한다면 Stuart Lowe의 천문학 블로그를 참고하라(http://www.strudel.org.uk/blog/astro/000347.shtml). 필터 없이 태양을 직접 향하고 있는 망원경의 접안렌즈에 포도를 올려놓았을 때 무슨 일이 일어나는지에 대하여 영상을 만들었다. 포도는 매우 빠르게 검은색으로 변하면서 타버린다. 이 실험은 태양을 볼 때 주의할 점을 강력하게 상기시킨다. 따라서 사람의 눈은 포도보다 훨씬 약하기 때문에 무슨 일이 있어도 태양을 직접 보지 말기를 바란다.

해시계

낮 동안 우리는 하늘에 있는 태양 덕분에 시간이 지나간다는 것을 알 수 있다. 지구가 하루에 한 번 자전하기 때문에 낮이 시작할 때 태양이 동쪽에서 떠오르고 12시에 가장 높이 올라갔다가 오후에 서쪽 지평선으로 사라진다. 바빌론 사람들은 태양의 이런 움직임을 관측하고 벽시계나 손목시계의 가장 초기 형태인 해시계를 만들었다. 태양 빛과 해시계를 사용해서 바빌론 사람들은 하루를 시간으로 나누었다.

해시계의 시간은 바늘에 의해 만들어지는 그림자로 나타나고 다이얼 면이나 다이얼 플레이트라고 불리는 표면에 떨어진다. 태양에 대한 지구의 상대적인 위치 때문에 북반구에서 사용되는 해시계가 남반구에서 사용되려면 반드시 뒤바꿔져야 한다.

다른 종류의 해시계도 존재한다. 그림자는 수평 해시계를 만들어서 땅 위에 드리워질 수도 있고 수직 해시계를 만들어서 벽에 드리워질 수도 있다. 시간을 보여 주는 선은 지역의 위도에 따라 달라질 것이다. 여름에 북극에서 해시계를 사용한다면 시간 표시는 시간 당 15도로 분리되어 있을 것이다. 하루는 24시간이고 한 바퀴는 360°로 나누어진다. 그래서 해시계의 1시간은 360° 중 15°로 표시된다.

적도 해시계는 지구의 적도에 평행한 다이얼 플레이트를 가지고 있다. 바늘은 다이얼 플레이트에 수직이어야 하고 관찰자의 위도와 동일한 각도로 기울어지며 정북을 가리킨다. 시간선은 15° 간격을 두고 있다.

사진: 적도에 있는 해시계 예시

전체 활동 설명

준비

‘커다란 해시계’ 활동을 위해서 하루 중 대부분의 시간 동안 태양 빛이 내리쬐는 운동장이 필요할 것이다.

몇 시인가?

시계를 차고 있는 학생이 있냐고 물어본다. 시계를 가지고 있는 것이 왜 편리한가? 600년 전에는 아무도 시계를 가지고 있지 않았다고 설명한다. 그 시대의 사람들은 몇 시인지 어떻게 알고 있었을지 학생들에게 물어본다. 기계 시계가 발명되기 전 몇 시인지 아는 것은 지금보다 훨씬 더 어려웠다. 사람들은 그들이 시간을 보기 위해 태양을 사용할 수 있다는 것을 알아냈다. 그들은 해시계를 이용해서 태양으로 시간을 보았다.

팁: 예전 사람들은 시간을 보기 위해서 모래시계 같은 다른 장비들도 사용했다.

해시계를 본 적이 있는 학생이 있는가? 그들은 해시계가 어떻게 작동하는지 알고 있는가? 해시계는 그림자를 만드는 막대기나 포인터를 가진다고 설명한다. 이런 막대기를 해시계의 바늘(gnomon)이라고 부른다. 북반구에서 바늘이 항상 북쪽을 가리키는 것은 굉장히 중요하다. 그렇지 않으면 당신은 해시계를 읽을 수 없다. 지구는 자전축을 기준으로 자전하고 있다고 설명한다. 이것은 지구에 대한 태양의 위치가 계속 변화하고 있다는 것을 의미한다. 필요하다면 손전등과 오렌지 혹은 지구본으로 이것을 증명할 수 있다. 지구가 자전함에 따라서 물체의 그림자도 변한다는 것을 설명한다. 해시계는 이런 사실을 이용한다. 해시계에 드리워진 바늘의 그림자 위치를 보고 당신은 몇 시인지 알 수 있다.

학생들은 두 개의 해시계를 만든다.

알아두면 좋은 것. 태양이 남쪽에 있고 그림자가 북쪽을 가리키면 정오이다. 이것은 태양시로 정확히 12시를 의미한다. 태양시는 당신의 시계에서 보는 시간과 정확히 같지는 않다. 왜냐하면 우리가 요즘 사용하는 시간은 하늘에서의 정확한 태양의 위치를 이용하지 않기 때문이다.

해시계 만들기

• 가위, 풀 그리고 활동지를 나눠준다.
• 학생들은 활동지의 과제 1을 완료한다. 중요: 바늘의 각도를 계산하기 위해서 관측 지역의 위도를 알아야 한다. 이 값을 아틀라스나 인터넷에서 볼 수 있다. 예를 들면 런던의 위도는 북위 51°이기 때문에 런던에서 해시계의 각도는 51°여야 한다. 지시 사항은 활동지에 적혀있다. 해시계가 준비되면 학생들은 바늘이 남쪽을 향하게 두어야 한다.
• 학생들은 해시계가 가리키는 시간을 읽는다. 몇 시인지 알 수 있는가? 학생들은 활동지의 과제 1을 완료한다. 과제에 대해서 토의한다. 요즘은 우리 주위에 굉장히 많은 시계들이 있기 때문에 우리는 항상 몇 시인지 정확히 알 수 있다는 결론에 도달한다. 시계가 없었던 옛날에는 시간을 말하는 것이 훨씬 어려웠고 당연히 저녁에 해시계를 사용할 수 없었다.

알아두면 좋은 것. 이 해시계는 GMT+1에 기반을 두고 있다. 이것은 당신의 현지 시간에 따라서 조정되어야 한다. 예를 들면 이 해시계와 영국의 서머타임과 일치할 것이다. 그러나 겨울에는 매 시간마다 한 시간씩 빨라져야 한다. 따라서 12시는 11시가 되어야 하고 1시는 12시가 되어야 한다. 당신이 해시계를 중부 유럽 서머타임에 맞춘다면(GMT +2) 숫자를 바꿔야 할 것이다. 매 시간마다 시간을 한 시간씩 늦춰야 한다. 예를 들면 1시는 2시가 되어야 한다.

큰 해시계

• 학생들과 큰 해시계를 만들어 본다. 하루에 대부분이 태양에 의해 비춰지는 장소로 학생들을 데리고 나간다. 북쪽을 표시하고 필요하다면 나침반을 사용한다.
• 큰 각도기의 긴 쪽이 바닥에 닿게 풀밭에 세운다. 위에서 설명한 것처럼 땅으로부터 정확한 각도를 잴 때 사용한다. 선택한 각도로 막대를 북쪽을 향하게 하여 땅에 단단히 박는다. 이걸 어떻게 해야 하는지에 대한 아래 사진을 본다.
• 매 시간마다 막대기의 그림자가 드리워지는 바닥에 큰 바위를 놓는다. 학생 중 한 명은 마카펜을 이용해서 돌에 시간을 적는다. 15분과 30분을 기록하기 위해서 작은 돌을 사용할 수 있다.

사진: 수평 해시계

매 시간마다 학생들을 밖에 데리고 나가고 싶지 않다면 당신은 그냥 두 개의 돌로 시간을 표시할 수도 있다. 예를 들면 아침 9시에 하나를 표시하고 오후 2시쯤 하나를 표시하고 하는 식으로 하면 된다. 물론 당신의 해시계는 덜 정확할 것이다.

해시계를 마무리하기 위해서 일과 시간 이후의 나머지 시간도 돌을 이용해서 나누어져야 한다. 아래의 예시를 보듯이 다섯 시간이 지나고 나면 시간이 다섯 개로 나누어져야 한다. 학생들에게 돌 위에 시간을 적고 맞는 위치에 돌들을 배치하라고 한다. 다음날 학생들을 밖으로 데리고 나가서 학생들이 시간을 읽을 수 있는지 본다. 시계에 보이는 시간과 해시계를 보고 읽은 시간을 비교한다.

학생들의 해시계는 얼마나 정확한가? 예전에는 지금보다 시간을 알아내는 것이 더 어렵고 부정확했다는 것에 대해서 이야기를 나눈다.

커리큘럼

결론

이 활동에서 학생들은 시간에 대한 개념과 시간을 측정하는 방법에 대해서 토의한다. 학생들은 해시계를 만들고 사용한다. 이 활동은 학생들이 해시계와 태양을 사용해서 시간을 알아내는 방법을 배우게 하고 예전에는 지금보다 시간을 말하는 것이 훨씬 어려웠다는 것에 대해 알도록 한다.