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단풍나무 씨앗의 비행 원리 Ⅰ. 자연속의 과학원리 산이나 들에 가보면 여러 가지 식물들이 어울려 나름대로 자신의 삶의 방식 대로 살아가고 있다. 그 중에서도 자신의 종족을 번성시키기 위한 씨앗을 퍼 뜨리는 방법은 매우 다양하고 신기하며 과학적이다. 각자의 환경에 맞게 특징 을 살려 씨앗을 퍼뜨리는 것을 주변에서 볼 수 있다. 날아다니는 씨앗에는 민들레와 같이 면털로 바람을 타면서 나는 낙하산형, 단풍나무와 같이 빙글빙글 돌면서 나는 프로펠러형, 뉴기니아에 있는 알츠미 트라 나무와 같이 공중을 활공하여 나는 글라이더형의 세 가지 종류가 있다. 이는 바람의 힘으로 씨앗을 퍼뜨려 자신의 종족을 번식시키려는 자연속의 진 화의 원리이며 자연속의 과학 원리의 대표적인 모습이라 할 수 있다. 높은 나무 가지에 매달린 딱딱한 씨앗이 그대로 땅으로 떨어진다면 어떻게 될까? 땅에 닿는 순간 박살이 나고 말 것이다. 생명을 잉태한 씨앗은 땅위에 떨어지지 않으면 뿌리를 내릴 수 없다. 씨앗은 주위에 가득한 공기를 떠올린 다. 공기의 힘을 빌리기로 한 것이다. 몸에다 날개를 달고 공기친구에게 살포 시 업혀서 무사히 땅까지 갈 계획이다. 날개는 두 장을 수줍은 듯 살짝 어긋 나게 달아 멋진 비행을 꿈꾼다. 공기 중에서 낙하하는 물체는 중력을 받아 가속 운동을 한다. 하지만 얼마 동안 가속된 후 곧 일정한 속도로 땅위에 떨어진다. 왜냐하면 낙하는 물체가 속력을 얻게 되면 공기 저항력도 커지기 때문이다. 공기 저항력이 커지면 낙 하 물체에 작용하는 힘은 줄어들고, 이 공기의 저항력이 낙하 물체의 무게와 같아지면 동일한 힘이 되어 물체는 더 이상 가속되지 않고 더 일정한 속력으 로 낙하한다. 씨앗에 매달린 날개는 가볍고 상대적으로 넓은 면적을 가지고 있으므로 공기의 저항을 크게 받는다. 그리고 약간 어긋난 날개가 공기와의 접촉면적을 달리하여 양 날개가 공기 저항을 조금씩 다르게 받아 씨앗은 멋지 게 회전하면서 천천히 아주 천천히 땅위에 사뿐히 닿는다.


Ⅱ. 단풍나무 씨앗의 비행원리 실험 학년의 구분 없이 재미있고 창의적으로 단풍나무 씨앗의 모형을 만들 수 있다. 실험순서 실험내용 및 방법 비고 ▪ 색종이 모형의 ① 색종이를 1/4로 자른다. ▪ 가위 제작 1 ▪자

모형의 ② 직사각형의 중간지점에 가위로 1/3씩 제작 2 자르기

모형의 ③ 날개모양이 될 수 있게 한쪽을 수직으로 제작 3 자르기

모형의 ④ 무게중심이 될 수 있도록 다른 한쪽을 제작 4 접어서 모으기

▫ 아래쪽으로 떨어질 수 있도록 무게를 준다.


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 ⑤ 날개모양이 되게 45˚로 각각 꺽어주기 제작 5

비고 ▫ 양력의 원리 에 맞게 제작한 다.

모형 작품 실험

▫ 회전하면서 천천히 떨어진다.

높은 곳에서 수직으로 떨어뜨려 보기

회전이 잘 되지 않으면 날개의 각도를 달 ▫ 공기의 무게 작품 응용 ➆ 가 가벼우면 상 실험 리 해보기 승기류에 의해 멀리 날아갈 수 있다. (씨앗을 퍼뜨릴 수 있는 원리) 과학적 ➇ 과학적 원리 알아보기 원리 응용 -헬리콥터의 원리 탐구 -프로펠러의 원리 -스크루의 원리


Ⅲ. 프로펠러의 과학적 원리 헬리콥터란 회전날개(rotor)를 기관으로 회전시켜 여기서 생기는 양력(揚力) 과 추진력으로 비행하는 항공기를 말한다. 즉, 기체(機體)의 전후축(前後軸)을 포함하는 평면에 거의 수직으로 놓인 하나 또는 그 이상의 축에 대하여 기관 에 의해 구동되는 2∼5장의 회전날개를 배치하고, 축둘레에 이 날개를 회전시 켜 회전날개에 발생하는 양력을 가감하거나 회전날개가 그리는 평면(회전면 또는 원판면)을 경사시킴으로써 공중으로 떠오르고, 또 비행방향으로의 추진력 을 얻어 항행하는 항공기이다. 헬리콥터는 회전날개를 회전시켜 양력을 얻기 때문에 보통의 날개가 고정된 항공기처럼 이륙할 때 활주하여 양력을 발생시 킬 필요가 없으므로 거의 수직으로 이착륙할 수 있고, 또 회전날개를 경사시 킴으로써 양력과 동시에 비행방향으로의 분력(分力)을 얻을 수 있기 때문에 전진은 물론 후퇴나 좌우비행 또는 공중정지 등을 할 수 있는 점이 큰 특징이 다. 헬리콥터의 주요 부분은 회전날개와 그것을 구동하는 기관, 이 사이에서 기 관의 회전을 회전날개에 접속 또는 단절하는 클러치(기관이 고장났을 때 회전 날개도 동시에 정지하지 않게 하기 위한 것), 감속장치(기관의 회전을 회전날 개가 가장 효율이 좋은 회전수까지 감속시키기 위한 것으로, 주로 유성기어식 감속장치가 사용되며 기관의 회전을 약 1/10로 감속시킨다) 및 기관과 회전날 개의 회전이나 날개의 각도를 제어하는 제어장치로 구성되어 있다. 회전날개 를 회전시켜서 상승 하강하고, 회전날개를 경사시킴으로써 전진·후퇴·선회(旋 回) 등의 항행이 가능하지만 회전날개의 회전과 상대풍(기체가 전진할 때 앞 쪽에서 불어 오는 바람)과의 관계로 인해서 양력·항력(抗力)의 변화가 생기기 도 하고, 회전날개의 회전에 따른 진동, 특히 지상 가까이 하강하였을 때 회전 날개에 의해 내리부는 기류의 영향, 또 조종 때 상승 도중에 기관이 고장났을 때의 대책, 하강속도와 내리부는 기류의 관계 등 많은 어려운 문제가 있어 조 종이 수월하지는 않다. 최근에는 자동안전장치 등을 갖추어 이와 같은 결점이 보완되었다.


Ⅳ. 대잠자리 모형 실험 실험순서

실험내용 및 방법 ① 책받침이나 파일표지를 준비한다.

모형의 제작 1

모형의 제작 2

모형의 제작 3

모형의 제작 4

모형의 제작 5

② 가로 12cm와 세로 2.5cm로 자른다.

③ 가운데 지점을 송곳으로 뚫는다.

④ 가운데에서 양쪽으로 1cm 떨어진 지점에 수직으로 1cm정도 자른다.

⑤ 가장자리를 가위로 조금씩 자른다. (4군데)

비고 ▪책받침 ▪파일표지 ▪꼬지막대 ▪송곳, 자, 가위


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 ➅ 가운데 구멍에 꼬지막대(15cm~20cm)를 끼 제작 6 운다.

모형의 제작 7

날개부분(④번에서 자른 부분)을 눌러 접는다.

모형의 ➇ 꼬지막대의 연결부분을 글루건으로 접착 제작 8 한다.

날리기 실험

손바닥으로 회전시켜 날려본다.

수정 및 ➉ 잘 날지 않으면 중심과 날개가 바른지 점검 보완 한다.

비고


고무밴드 보트 Ⅰ. 관련 이론 탐색 1. ‘배’의 정의

‘배’란 일반적으로 물위에 떠서 사람이나 화물을 싣고 물위를 이동할 수 있 는 구조물을 말한다. 단순히 목재나 대나무 등을 엮어 묶은 것은 뗏목, 길이가 짧은 수 미터(m)의 소형선은 주․정․단정 등으로 부르고, 그보다 큰 것은 배 또는 선박이라 분류하기도 한다. 박(舶)이라는 글자는 거선(巨船)을 의미한다. 역사적으로 볼 때 최초의 배는 BC 5000년경 이집트의 나일강 하구에서 파 피루스라고 하는 풀을 엮어서 만든 갈대배라고 전해진다. 의 분류 가. 용도상의 분류 1. 군함 : 전투에 사용되는 배(항공모함, 잠수함 등) 2. 상선 : 해상 수송기관의 가장 대표적인 존재(여객선, 화물선 등) 3. 어선 : 고기를 잡는 배(포경선, 원양어선 등) 나. 추진방법에 의한 분류 1. 노도선 : 인력 2. 범선 : 풍력 3. 기선 : 원래는 증기력을 이용한 것을 말하나 현재는 모든 기계력에 의하 여 추진되는 동력선의 의미로 사용되기도 함 4. 원자력선 : 핵연료에 의한 기계력 2. ‘배’

3. 부력의 원리

물이나 공기 같은 유체에 잠긴 물체는 중력과 반대 방향인 윗방향으로 힘을 유체로부터 받게 되는데 이 힘을 부력이라 한다. 기원전 3세기경 그리스의 철 학자 아르키메데스는 이 부력의 크기가 유체에 잠긴 물체의 부피에 해당하는


유체의 무게와 같다는 사실을 알아내었다. 목욕탕에서 이 원리를 발견한 아르 키메데스는 "유레카!"라고 소리지르며 벌거벗은 몸으로 뛰어나왔다는 일화가 있다. 배나 잠수함이 물 위에 뜨려면 자신의 무게에 해당하는 물의 양을 담을 수 있을 정도의 넓은 공간을 확보해야 한다. 그래야 부력에 의한 부양력이 자 체의 무게를 이겨 낼 수 있기 때문이다.

Ⅱ. 고무밴드를 이용한 간단한 보트 만들기 실험 실험순서 실험내용 및 방법 모형의 ① 우드락을 10cm x 15cm로 자르기 제작 1

비고 ▪ 우드락 ▪ 고무밴드 ▪ 자, 칼

모형의 ② 오각형이 되도록 윗부분을 자른다. 제작 2

▫ 좌우대칭 오각형 만들기

아랫 부분을 사다리꼴 모양으로 오려낸 ▫ 좌우대칭 사 모형의 ③ 다리꼴 만들기 제작 3 다.(아랫변 8cm, 높이 5cm, 윗변 6cm)


모형의 ④ 아랫 부분에 고무밴드를 수평으로 붙인 제작 4 다.

모형의 ⑤ 고무밴드가 떨어지지 않게 테이프로 고정 제작 5 한다.

모형의 제작 6

고무줄을 30~40회 정도 감는다.

실험 ➆ 수조나 욕조에 넣어 작동되는지 알아본 해보기 다.

수정 및 ➇ 보트의 성능이 좋지 않으면 고무줄의 가닥 보완 수를 늘려본다.


응용 해보기

고무줄의 방향을 달리하여 실험해 본다.


골드버그의 원리 Ⅰ. 골드버그 장치의 배경 골드버그 장치(Rube Goldberg Machines)는 매우 복잡한 기기들을 얽히고 설키게 조합하여 단순한 일을 처리하는 기계 장치를 말한다. 루브 골드버그라는 미국의 풍자 만화가가 처음으로 이와 같은 장치를 스케치해서 그의 이름을 따온 것이다. 골드버그 장치는 수많은 영화, 광고 등에 적용되었다. 또한, 골드버그장치는 미국 주요 대학 및 단체에서 골드버그 장치 경연을 벌이는 등 여러 가지 대회가 열리고 있다. Rube Goldberg)와 골드버그 장치 삽화

1. 루브 골드버그(

루브 골드버그 Rube Goldberg)

(

넘어질 때 받쳐주는 기계 저절로 작동하는 냅킨 자동 치약 짜기 기계


2. 상상력의 도미노, 골드버그 장치 (골드버그 공식 홈페이지 링크 : http://www.rubegoldberg.com/ )

쉽게 설명하자면, 물을 마신다든지 냅킨을 집는다든지 하는 사소하고 일상 적인 행동, 어떤 때는 바보스럽게 보이기까지 하는 동작을 위해 정교한 과학 장치와 연계 동작을 만들어내는 골드버그의 작품 속 수많은 바보 장치(?)들이 다. 골드버그의 만화속에 등장하는 바보짓들... 그냥 손을 뻗어 냅킨 한 장 뽑 으면 될 것을, 그냥 치약을 쥐어짜면, 우산을 펼치면 될 것을 그는 저리도 복 잡하고 다양한 연계 동작을 통해 움직이도록 그려 놓았던 것이다. 그러나 그 의 작품을 다른 각도에서 받아들이는 사람들이 있었다. 그들은 세상을 너무 복잡하게 살아가는 인간에 대한, 스스로에 대한 되돌아 봄이었던 것이다. 가. 미항공우주국(NASA)의 골드버그 장치 (링크: http://www.youtube.com/watch?v=qybUFnY7Y8w ) 다시한번 골드버그 장치를 빛나게 했던 것은 엉뚱하게도 미우주항공국 NASA이다. NASA는 골드버그의 작품 속에 등장하는 여러 가지 물건들의 상 호 작용들을 보다가 우주비행사들의 과학적 상상력 훈련과 위기 대처 훈련 시 스템으로 응용 발전시키게 되었다. 그냥 눈 앞에 주어진, 서로 연관성 없을 것 같은 물건들로 무엇인가를 만들어 내도록 했다. 어떤 의미에서는 우주 공간에 서 발생할지 모르는 만약의 사태에 대비하고 우주 혼수에 대처하는 훈련으로 도 활용하게 되었을지도 모른다. 반드시 NASA의 훈련 프로그램 때문만은 아 니지만 이러한 골드버그 장치들은 재미난 과학적 상상력을 유발하고, 창의적 인 에너지를 생성시킨다하여 미국 전역에서는 심심치 않게 콘테스트들이 열리 기도 한다. 나. 혼다 자동차의 골드버그 장치 (링크: http://www.youtube.com/watch?v=cQJPYgl5aoY ) 골드버그 장치는 종종 홍보나 상업적 도구로도 사용된다. 최근에는 구글의 과학전람회 홍보 영상에도 등장했고, 2003년 일본의 혼다 자동차에서는 실제 자동차 부품들을 사용해 광고를 만들기도 했다. 혼다 광고는 컴퓨터그래픽을 1초도 사용하지 않았으며, 촬영 전 과정을 끊지 않고 촬영했다고 한다. 영상 중간, 타이어가 경사각을 올라 가는 것을 보고 컴퓨터그래픽이라 말하는 이들 도 있지만 타이어 한 쪽에 볼트 너트로 무게 중심을 집중시켜 놔서 그런 움직


임이 가능했다고 한다. 모두 605번의 NG 끝에 606번째에 촬영을 성공했다고 한다. 물론 거기 등장하는 모든 부품들은 혼다 자동차 1대에서 나오는 부속물 들이다. 3. 2013년도 부산시 과학탐구대회 골드버그 부문 신설

문제 : 다음의 과제를 수행할 수 있는 골드버그 장치를 구상하여 과 제해결 계획서를 <서식 1>의 양식에 맞게 작성하여라. ▣ 과제 1 : 줄자가 10cm 이상 빠졌다가 들어가는 힘을 이용하여 시작하라. ▣ 과제 2 : 지면 30cm 이상의 높이에서 지름 2cm 이상의 구슬이 360° 회전하면서 내려오게 하라. ▣ 과제 3 : 지면(골드버그장치의 밑판) 40cm 이상의 높이에서 작은 인형 또는 캐릭터가 2번 이상 외줄타기를 할 수 있게 하라. ▣ 과제 4 : 크기가 다른 3종류의 스티로폼 공이 3개의 종이컵에 각각 분류되게 하라. ▣ 과제 5 : 골프공이 10cm 이상 날아갈 수 있는 투척기(투석기)를 제작하라. ▣ 과제 6 : 지름 10cm 이상의 수레바퀴 모양이 5회 이상 회전하면서 레일을 따라 내려오게 하라. ▣ 과제 7 : 구슬이 10cm 이상의 수직 높이에서 내려오면서 종을 울리게 하라. ※ 세부지침 1. 부문별 (초: 8단계이상, 중:10단계이상, 고:12단계이상) 최소 단계이상으 로 구성한다. 2. 과제의 수행은 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7의 순서대로 수행되어 야함 3. 과제와 과제 사이에 팀에서 구상한 새로운 골드버그 장치가 추가 되어 도 되나 “세부지침 2”번의 순서를 지킨다. 4. 구슬의 크기와 재료는 팀에서 결정하고 과제별 구슬은 반드시 같은 구 슬이 아니어도 됨 5. 위의 과제를 수행하기 위한 모든 장치의 구상은 팀의 자율 ▣


4. 기타 골드버그 대회 소개

가. (사)한국창의력교육협회 도전과제

주요내용 팀에서는 직접 준비한 재료를 이용하여 5단계

딱따구리를 움직여라!

이상의 골드버그 장치를 현장에서 직접 만들어 딱따구리가 아래까지 내려오도록 해야 한다.

■ 팀 도전과제 공지 ■ 골드버그대회 공식 홈페이지 (www.koreagoldberg.kr) 공지사항에 도전 과제와 ‘딱따구리’에 대한 내용이 탑재되어 있음

나. 대한민국학생창의력챔피언대회 □ 초등학교 : 상상롤러코스터 팀은 스스로 주제를 설정하고 그 주제와 어울리는 롤러코스터를 제한된 시간 동안 주어진 재료만을 이용하여 두 개의 롤러코스터 구조물을 만들어야 한다. 구슬이 이동하는 A구조물의 끝 지점과 B구조물의 시작 지점은 서로 10cm 이 상 떨어져 있어야 한다. A구조물에서는 구슬이 지표면과 수직으로 1회 이상 360° 회전해야 하며 B구 조물에서는 팀이 스스로 미션을 정하여 이를 수행하도록 만들어야 한다. 구슬은 두 개가 주어지는데 모두 같은 출발 지점에 놓여 있어야 하며 모든 운동을 마쳤을 때에도 역시 같은 도착 지점에 있어야 한다. 처음에는 한 개의 구슬만 먼저 출발해야 하며 이후에는 어떠한 외부 도움 없이 두 번째 구슬이 움직이도록 해야 한다. 추가 요구 조건은 대회 당일 현장에서 공개된다. 평가 요소는 요구사항에 따 른 구조물의 제작 능력, 미션 설정 및 수행 정도, 창의성, 완성도 등이다. □ 중학교 : 이벤트 시계 팀은 주어진 재료를 사용하여 쇠구슬이 경사면(800*1200cm)을 따라 멈추지 않고 굴러가면서 정해진 시간(5초, 10초, 20초)에 이벤트를 할 수 있는 기계장 치를 제작해야 한다. 이때, 각각의 정해진 시간에 구슬이 도달하면 과제로 주어


진 세 개의 이벤트를 수행할 수 있게 장치를 창의적으로 설계하여 만들어야 한 다. 이벤트 과제는 총 3개이며, 이 중 1개는 사전에 미리 공개되고, 나머지 2개 는 대회당일 현장에서 공개된다. 평가요소는 이벤트 과제 수행시간의 정확성, 과제의 수행정도, 수행방식의 창의성 및 완성도 등이다. □ 고등학교 : 쓰나미를 막아라 팀에게 주어진 과제는 지진 쓰나미의 피해를 최소화하는 지지장치와 이송장 치를 만드는 것이다. 팀은 제한된 시간 동안 주어진 재료만을 이용하여 쓰나미 로부터 방파제를 보호할 수 있는 지지장치(장치1)와 위험 구역에 있는 이재민 (공)을 최대한 높은 곳으로 옮길 수 있는 이송장치(장치2)를 만들어야 한다. 또 한 팀은 주어진 미션을 해결하고, 프로젝트 보드를 이용하여 팀의 창의적인 아 이디어와 문제 해결 전략을 구체적으로 발표해야 한다. 본선 대회 전에 장치 제작에 대한 요구사항은 공개되고, 지지장치와 이송장치의 측정 방법은 본선대 회 제작과제 현장에서 공개된다. 본 과제에서는 장치의 완성도, 지지 장치의 정교성과 견고성, 장치 제작 아이 디어의 창의성, 재료의 다양한 활용도, 팀원 간의 협동성, 프로젝트보드의 기획 력과 완성도에 대해서 평가를 받을 것이다. ※ 예선대회 종료 후 본선대회 제작과제 문제 일부가 공지되며, 대회 당일 추가 미션 공지


골드버그 만들기 Ⅰ. 골드버그 장치 만들기 크기가 다른 종류의 공을 분리할 수 있는 장치 만들기 실험순서 실험내용 및 방법 비고 ① 우드락 전지 1장, 1m 자를 준비한다. (재료준비 : 구슬, 탁구공, 쇠구슬, 글루건) ▪ 각각 직경 4cm, 2cm, 1cm 인공 ▪ 우드락, 칼 ▪ 글루건 ▪ 종이컵, 자 ② 벽면을 제작한다. (40cm*30cm) 골드버그 제작 ③ 경사로 만들기 및 붙이기 (30cm*10cm, 3개)

▫경사가 너무 가파르면 공이 가속되어 경로 를 이탈할 수 있음


실험순서

실험내용 및 방법 ④ 1단계 경사로 만들기

비고

▫경사로의 각 도는 글루건을 잡는다. ⑤ 2 단계 경사로 만들기 ▫경사로 받침 대를 삼각형으 로 만들어 고정 한다. ▫탁구공이 다 음 단계로

골드버그 제작

3 단계 경사로 만들기 ▫분리대의 각 도를 구슬 지름 에 맞게 글루건 으로 접착한다.


실험순서

실험내용 및 방법 ➆ 경사로 이탈방지장치 만들기

비고 ▫이탈 방지장 치는 탁구공 실 험을 하면서 고 정한다.

분리장치 만들기 , 순서는 병행하여 진행 한다. ➆➇

골드버그 제작

스텐드 장치 만들기 ▫종이컵의 높 이를 고려하여 스텐드 장치를 고정한다.


실험순서

실험내용 및 방법 ➉ 분리수거 용 컵 놓기

비고 ▫크기별로 굴 러가면서 종이 컵의 위치를 정 한다.

⑪ 같은 크기로 분리해 보기 골드버그 제작

⑫ 섞어서 같은 크기대로 분리해 보기 ▫또 다른 실험 방법에는 무엇 이 있을까요?


위치에너지 - 물체가 위치에 따라 잠재적으로 가지는 에너지. 자벌레의 운동. ② 종이컵에 쇠구슬이 떨어짐. ③ 새가 밑으로 움직임. ④ 회전 망치가 아래쪽으로 움직임. ⑤ 관람차가 아래로 떨어지는 추에 의해 돌아감. ⑥ 관람차의 무게에 의해 지레가 움 직임. ⑧ 보트의 움직임에 의해 스위치가 작동됨. ⑪ 쇠구슬의 움직임에 의해 참개구 리가 날아감. ①

운동에너지 - 물체가 운동할 때 지니는 에너지.

⑩ 전기에너지가 모터의 운동에너지 로 전환되어 감속기어의 실을 감아 그 힘으로 엘리베이터를 움직이게 하는 장치.


전기에너지 - 전자의 이동을 통해 발생되는 에너지.

⑨ 감속 모터. 회전수를 톱니바퀴를 이용하여 감속시켜 힘을 증가하도록 하는 장치. (전기에너지가 운동에너 지로 전환)

중력가속도 - 중력에 의해 힘이 점점 증가하는 힘.

구슬의 가속도에 의해 ⑫번을 움 직이게 하여 ⑬번(활과 참개구리)을 작동하게 하는 장치. ⑪


지레의 원리 - 지레에 작용한 힘이 평형을 이루는 원리 ② 종이컵에 연결된 지레로 새를 움 직이게 한다. ④ 회전하는 지레에 의해 관람차가 움직인다. ⑥ 관람차에 의해 보트가 움직이는 장치. ⑫ 쇠구슬에 의해 활을 쏘게 하는 장치.

크랭크축 - 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 장치

도르래의 원운동을 직선운동(새 의 날개짓)으로 바꾸는 장치. ③


감속모터와 엘리베이터

1 9 0 8

3

1

2 5 1 8 0 1 9 7 11 1 3 2

4

6

골드버그의전체모습


전통 놀이의 과학적 원리 Ⅰ. 관련 이론 1. 중력 : 모든 물체들 사이에 작용하는 만유인력. 현재까지 알려진 4가지 종류의 근본적인 힘들(중력, 전자기력, 강한 핵력, 약 한 핵력) 가운데서 가장 약하기 때문에 일상 생활에서 접하는 물질들의 구조 를 결정하는 데는 아무런 역할도 하지 않으나 만유인력의 특성과 먼 거리까지 작용하는 특성으로 인해 물체가 커질수록 강해진다. 따라서 중력은 지상에서 의 물체의 운동이나 태양계 내의 행성의 운동 등을 결정할 뿐 아니라 별, 은 하, 더 나아가 우주 전체와 같은 거시적인 물체들의 구조를 결정하는 데 가장 중요한 역할을 한다. 이러한 현상들을 지배하는 중력법칙을 현재와 같은 형태로 발전시키는데 가 장 중요한 공헌을 한 사람들로 뉴턴과 아인슈타인을 꼽는다. 뉴턴의 중력이론 은 그의 저서 〈프린키피아 Principia〉가 출판된 1687년부터 20세기초 아인슈 타인에 의해 현대적인 중력장 이론인 일반상대성이론이 만들어질 때까지 수많 은 중력현상들을 기술하는 가장 훌륭한 이론이었고 현재에도 관측 가능한 거 의 모든 중력현상들에 있어서 아인슈타인 이론과 아주 작은 차이만을 보인다. 그러나 아인슈타인의 이론은 뉴턴 이론과 근본적으로 다른 시간 및 공간개념 들을 포함하고 있으며 현대인의 물리학적 사고에 지대한 영향을 끼쳤다. 뉴턴의 발견 이전까지 사람들은 천체의 움직임과 지구 위에서 물체의 운동 이 근본적으로 같은 종류의 힘에 의해서 지배받는다는 사실을 알지 못했다. 예를 들어 아리스토텔레스는 천체의 운동은 아무런 힘이 작용하지 않는 상태 의 가장 자연스러운 운동이라 생각했으며 이는 물체간에 작용하는 힘은 반드 시 접촉에 의해서만 생긴다는 당시의 생각을 반영하고 있다. 힘과 운동에 관 한 이러한 고정관념은 그후 오랫동안 유지되어 왔으며 올바른 운동원리의 발 견과 중력의 이해에 장애요소가 되었다. 그러나 16세기와 17세기초의 몇 가지


발견들이 결국 뉴턴 이론의 밑거름이 되었다. 17세기 독일의 천문학자 요하네스 케플러는 행성들이 지구가 태양을 중심으 로 돈다는 코페르니쿠스의 학설을 바탕으로 덴마크의 천문학자인 스승 티코 브라헤의 행성운동에 관한 방대한 관측자료를 분석하여 다음과 같은 3가지 사 실을 알아냈다 첫째, 모든 행성들은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원궤도를 따라 움직인다. 둘째, 행성과 태양을 잇는 직선이 주어진 시간 동안 지나는 궤 도상의 면적은 행성의 위치에 무관하다. 셋째, 행성이 궤도를 1바퀴 도는 데 걸리는 시간의 제곱은 태양으로부터의 평균거리의 세제곱에 비례한다. 거의 같은 기간에 이탈리아의 물리학자이자 천문학자인 갈릴레오는 지상에서의 물 체운동을 이해하는 데 중요한 공헌을 했다. 그는 힘을 받지 않는 물체는 등속 운동을 하며 물체를 가속시키기 위해서는 반드시 힘이 작용해야 한다는 사실 을 밝혔다. 또한 자유낙하 실험을 통해 지구상의 모든 물체는 물체의 구조와 크기에 관계없이 같은 가속도로 낙하한다는 사실을 밝혔다. 자유낙하를 하는 모든 물체의 속도는 매초 9.8㎧만큼 증가한다. 뉴턴은 처음으로 달과 같은 천체의 운동이 지상에 있는 물체의 운동과 같은 원리로 설명될 수 있음을 발견했다. 즉 관성법칙(물체의 속력의 크기나 방향을 변화시키기 위해서는 힘이 필요함)에 따르면 달이 직선운동이 아니라 지구를 중심으로 원운동을 하기 위해서는 지구와 달 사이에 인력이 작용해야 한다는 사실을 알아냈다. 그는 곧 이 힘이 지구상의 물체에 작용하는 힘과 같을 수 있다는 생각에 도달했고 모든 물체 사이에는 접촉에 의한 힘이 아닌 만유인력 이 작용한다고 가정했다. 그는 또한 반지름 R, 주기 T인 원운동을 하는 물체 에는 그 중심방향으로 다음과 같은 가속도 A가 작용해야 한다는 계산결과를 얻었다.

2. 가속도 단위 시간당 속도의 변화량을 가속도라고 한다. 가속도는 평균 가속도와 순 간 가속도로 나뉜다. 먼저, 시각 t1인 순간에 속도가 V1 이던 물체가 시각 t2 인 순간에 속도가 V2가 되었다면 평균 가속도는 다음과 같다. (V2-V1)/(t2-t1) =△V/△t


한편, 시간 간격 △t=t2-t1가 짧아지면 평균 가속도는 시각 t1인 순간의 가속 도에 가까워진다. △t=t2-t1가 0에 가까워졌을 때의 평균 가속도를 순간 가속 도라고 한다. 즉, 순간 가속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다. α

=lim△V/△t =dV/dt

3. 중력가속도는 왜 발생하는가? 만유 인력의 법칙 때문에 발생됩니다.. F=GMm/r^2=ma G=중력상수(6.673E-11Nm^2/kg^2) M=지구질량(5.9742E24kg) m=물체질량 r=지구반지름(6378.1km)

4. 중력가속도가 바뀌면 어떤 일이 발생할까? 전체적인 삶에 변화가 생깁니다. 중력이 강하면 거동이 불편해질 것이고 중 력이 약해지면 통통 튀면서 다니겠죠(달에서처럼) 게다가 중력이 약해지면 달 을 당기는 힘도 약해진다는 것이므로 달의 공전에도 영향을 줄 것이고, 우주 선을 발사할 때 필요한 속도도 달라질 것이고.. 모든 계기가 다른 지침을 가르칠 것이고 이제껏 해 놓은 상식이 다 틀려지겠 지요

5. 마찰력 ① 서로 닿아 있는 물체의 운동을 방해하는 힘입니다. ② 마찰력은 힘을 준 방향과 반대 방향으로 작용합니다.

6. 마찰력이 생기는 이유


마찰력이 생기는 중요한 이유는 표면에 달라붙기 현상에 의한 것입니다. 두 표면이 접촉하면 울퉁불퉁한 표면으로 인해 높은 지점의 돌출부들이 서로 접 촉하게 됩니다. 이 접촉점에서의 압력은 보통 표면 전체의 평균 압력보다도 엄청나게 커서 이 두 점이 순간적으로 달라붙게 됩니다. 즉, 접촉 부분에 있는 원자들이 서로 단단하게 달라붙게 되어 마디를 만드는 것입니다. 이 때, 두 표 면을 서로 미끄러지게 하려면 이 작은 마디들이 부서져야 합니다. 그리고 그 것들이 부서지자마자 다른 돌출부분이 접촉하게 되고 또다시 서로 달라붙게 됩니다. 근본적으로 마찰력은 두 물체 표면에 있는 원자들 사이에 작용하는 힘입니다.

7. 마찰력의 종류 (1) 정지마찰력 정지해 있는 물체에 힘을 주어도 움직이지 않고 계속 정지하고 있을 때의 마 찰력을 말합니다. 정지해 있는 물체에 가하는 힘을 증가시키면 어느 순간에 움직이기 시작하는데, 이렇게 물체가 움직이기 직전의 마찰력을 최대 정지 마 찰력이라고 합니다. 예를 들어 책상을 움직이기 위해서 밀 때 처음에는 잘 밀 리지 않다가 어느 정도 힘을 세게 주어야 밀립니다. 이렇게 움직이기 직전에 책상이 바닥면에 회대한 버틸 수 있는 힘이 최대 정지 마찰력인 셈입니다. (2) 운동마찰력 움직이고 있는 물체에 작용하는 마찰력을 말합니다. 미끄러질 때의 마찰력과 구를 때의 마찰력이 운동마찰력에 속합니다. 바퀴에 작용하는 마찰력이 바로 굴림 마찰력입니다. 보통 굴림 마찰력은 미끄럼 마찰력에 비해 매우 작습니다. 따라서 운동하는 물체의 경우, 미끄럼 마찰을 바꿀 수 있으면 외력을 많이 줄 일 수 있습니다.

8. 최대 정지 마찰력과 마찰 계수


마찰 계수는 두 물질 간의 특징에 따른 마찰의 정도를 말합니다. 대체로 표면 이 거칠면 마찰 계수가 커집니다. 금속이나 유리 등은 마찰계수가 작고, 고무 나 섬유 등은 계수가 큽니다.

9. 생활 속의 마찰 겉옷의 안감은 마찰이 작아야 입고 벗을 때 편하고, 바지의 허리 부분이나 양 말의 입구 부분은 마찰이 커야 흘러내리지 않습니다. 이렇게 마찰은 우리 생 활 속에 항상 존재하고 우리는 좀 더 편한 생활을 위해 마찰을 크게 하기도 작게 하기도 합니다. (1) 마찰이 커야 하는 경우 ① 물이 고인 길을 달릴 때 바닥과 바퀴 사이의 마찰을 크게 하여 안전하게 운행하기 위해서 타이어에 홈을 파놓은 것입니다. ② 축구화나 등산화 바닥은 마찰을 크게 하기 위해 요철이 큰 모양을 하고 있습니다. ③ 돌려서 따는 병마개가 미끄러지는 경우 수건을 대고 돌려 따는 것도 마찰을 크게 하기 위한 것입니다. 야구 경기를 보면 투수가 가끔 흰 가루(로진)를 손 에 바르는 것을 볼 수 있습니다. ④ 공이 미끄러우면 원하는 방향으로 공을 던질 수 없기 때문에 손과 공 사이 의 마찰을 크게 하기 위해서입니다. (2) 마찰이 작아야 하는 경우 ① 문 옆의 경첩에서 마찰이 너무 크면 문을 여닫기도 힘들고 소리도 심하게 납니다. 이럴 때는 윤활유를 발라 마찰을 작게 해 주어야 합니다.


② 냉장고 아래에는 바퀴가 달려 있습니다. 냉장고를 이동할 경우를 대비해서 바퀴를 달아 바닥과의 마찰을 줄이기 위해서입니다. ③ 스키 플레이트의 바닥을 매끈하게 만드는 이유도 마찰을 줄여 빠르게 눈 위를 내려오기 위해서입니다. ④ 잘 열리지 않는 여닫이문의 문틀에는 초를 바릅니다. 문과 문틀 사이의 마 찰을 작게 하여 문을 쉽게 여닫기 위해서입니다.

10. 관성력

물체가 외부의 작용이 가해지지 않는 한 정지 또는 등속도(等速度)의 운동 의 상태를 유지해 나가려고 하는 힘.


전통 굴러대 놀이 만들기 Ⅰ. 전통굴러대의 구조 원리 실험

학년의 구분 없이 재미있고 창의적으로 굴러대의 모형을 만들 수 있다. 실험순서 실험내용 및 방법 비고 ▪ A4용지 재료준비(A4용지, 구슬, 풀, 가위) ▪ 구슬 ▪풀 모형의 ▪ 가위 제작 1 원통 모양의 전개도 그리고 오리기 모형의 제작 2 반구형 부품 밑그림 그리고 오리기 모형의 제작 3 반구형 붙이기 모형의 제작 4


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 구슬 집어넣기 제작 5

모형의 반구형 붙이기② 제작 6

모형의 고정 테두리 자르기 제작 7

모형의 고정 테두리 붙이기 제작 8

비고


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 굴렁쇠 놀이관 만들기 제작 9

비고

모형의 굴렁대 긴 모양으로 접기 제작 10

모형의 테이프로 고정하기 제작 11

모형의 탈선방지 장치 만들기 제작 12

▫ 굴러대가 아 래로 떨어지지 않게 테이프로 고정시켜 준다.


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 굴러대를 작동시켜 보기 제작 13

모형 작품 굴러대를 작동시켜 보기 실험

작품 응용 시소형으로 놀이하기 실험

과학적 과학적 원리 알아보기 원리 응용 -중력의 원리 탐구 -마찰력의 원리 -중력가속도의 원리

비고

▫ 천천히 각도 를 변경하여 본 다. ▫ 시소형태로 만들어 아이들 이 쉽게 작동 가능하게 한다.


거꾸로 팽이 만들기 Ⅰ. 거꾸로 도는 팽이 실험

재미있고 창의적으로 거꾸로 도는 팽이 모형을 만들 수 있다. 실험순서 실험내용 및 방법 비고 재료준비(빨대, 꼬지막대, 우드락, 자석, 압 ▪ 빨대 정) ▪ 꼬지막대 모형의 ▪ 우드락 제작 1 ▪ 자석 ▪ 압정 팽이 모양 그리기 모형의 제작 2 팽이모양 오리기 모형의 제작 3 팽이축 구멍 뚫기 모형의 제작 4


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 팽이축 달기 제작 5

모형의 팽이축 고정하기 제작 6

모형의 팽이축 고정하기 제작 7

모형의 팽이축 연결장치 달기(빨대) 제작 8

비고

▪ 화상에 유의 한다.


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 팽이축 연결장치(빨대) 고정하기 제작 9

비고 ▪ 빨대가 중심 에 고정되는데 유의한다.

모형의 연결장치에 쇠고리(압정) 달기 제작 10

모형의 연결장치에 쇠고리(압정) 고정하기 제작 11

모형의 팽이 장식하기 제작 12

▪ 압정의 축이 가운데에 오도 록 고정한다.


실험순서 실험내용 및 방법 모형의 팽이 장식하기 제작 13

비고 ▪ 아이들이 창 의적으로 팽이 를 꾸미고 장식 할 수 있도록 배려한다.

모형 작품 팽이 돌려보기 실험

작품 응용 자석에 붙여보기 실험

과학적 원리 응용 과학적 원리 알아보기 탐구

▪ 자성의 세기 가 강한 자석일 수록 실험의 효 과가 크다.


창의력 챔피언 대회 소개 Ⅰ. 창의력 올림피아드(올림픽)란? DINI(DESTINATION IMAGINATION) OM(ODYSSEY OF THE MIND)에서 파생된 새로운 기구의 세계 창의력 대회이다. OM대회는 미국의 전통적인 창의력 올림픽대회로 오늘날까지 꾸준히 그 명성을 이 어 오고 있다. DINI대회는 보다 진취적이고 새로운 아이디어로 생긴 대 회로 모든 방식은 OM을 따르고 있다.

Ⅱ. 대회의 진행방식 창의적인 문제를 해결하기 위한 도전과제를 주고 그것을 창의성을 발 휘하여 풀게 하는 형식이다. 도전과제는 크게 2가지로 장기과제와 즉석 과제(현장과제)로 나눈다. 장기과제는 1, 2, 3 과제로 나누어 지는데 1과제는 구조물, 2과제는 운동물체, 3과제는 골드버거장치로 되어 있다. 장기과제는 보통 2~3달의 기간에 팀별로 해결하도록 한다. 즉석과제는 현장에서 비밀리에 주어지는 과제로 여러 가지 재료를 주 고 과제를 해결하는 형식으로 연기형, 임무수행형, 혼합형이 있다. 즉 석과제는 보통 8분에서 15분 정도의 짧은 시간에 해결하도록 함으로써 팀원간의 협동심과 순발력, 기발한 창의성을 요구하게 된다.

Ⅲ. 대회참가자격 및 구성 팀원: 5~7명( 다양한 특기를 가진 학생들로 구성)


연령별로 경쟁한다.( 초등, 중등, 고등- DINI, 생년월일별 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 등)

Ⅳ. 대회의 내용과 구성 대회는 공연의 형식을 띠고 있으므로 다음과 같은 요소가 필요하다. 가. 극본: 창의적인 내용을 우선으로 함 나. 무대장치: 2~3장면이 필수적으로 변화되도록 함 다. 음악 및 음향: 새로운 형식을 요구함 라. 의상: 자원 재활용품으로 제작 마. 소품: 과학적이고 창의적이고 작동이 되는 발명품의 형식을 요구한다. (도전과제별 유의점) 장기과제: 시간적 여유를 갖고 과학적인 분석을 통하여 프로그램을 구성 한다. 현장과제: 주어지는 재료의 특성을 파악하여 적절히 사용하는 방법을 터득해야 함 예) 길이를 조정하는 경우: 빨대, 종이, 고무줄 등 동작을 요구하는 경우: 종이컵(바퀴), 빨대(바퀴축), 실(동력 전달 및 차단용) 디자인을 요구하는 경우: 은박지, 마분지, 풍선 등 현장과제에 대비하여 모든 종류의 재료에 대한 용도찾기와 과학적인 요소를 분석해야 한다. 현장과제의 경우 반드시 작동을 요구하는 운동물 체를 만드는 과정이 있으므로 기본적인 운동장치의 원리를 터득하여야 한다. 현장과제의 경우 발표력을 요구하는 경우 되도록 큰 목소리로 내용 을 전달하며 팀원모도가 참여하는 형식을 취하는 것이 좋은 결과를 갖게 된다고 볼 수 있다. Ⅵ. 발명 아이디어 창출 기법과 창의성 훈련방법 창의적 아이디어를 얻는 방법은 여러 가지가 있으나 발명 교육 프로그램


중 몇 가지 방법을 소개하고자 한다. 1. 생각 바꾸기 생각을 바꾸면 발명이 보인다. 생활 속에서 자연 속에서 여러 가지 다양한 방법으로 생각을 바꾸어 보면 아이디어가 떠오를 수 있다. 가. 다른 방법으로 생각하자 예시) 풀잎의 물방울→일회용 렌즈로 활용 나. 분해 작업해 보면 어떨까? 예시) 물주전자→물뿌리개 다. 불평, 불만을 귀담아 들어보자 라. 과학적인 공상을 많이 하고 그림으로 나타내어보자 마. 제일 잘 안되고 불편한 점을 찾아보자 바. 될 수 있는 대로 남에게 문제점을 설명하고 자문을 구해 보자 사. 긍정적으로 생각하고 할 수 있다는 것을 믿어보자 아. 현 위치에서 문제를 찾아라 자. 남보다 먼저 계획하고 실천하자 2. 용도 찾기 놀이 브레인스토밍 훈련과정의 일종으로 아이디어를 얻는 데 도움이 되는 방법의 하나로 친구들과 함께 게임을 하면서 계속적인 두뇌활동을 통해서 생각을 유연하게 하고 문제를 해결하는 능력과 통찰력을 얻는데 도움이 되는 활동이다. 1. 4~5명이 한조가 된다. 조장이 하나의 물건을 제시한다. 2. 이 물건의 용도를 차례대로 연상하여 적는다. 3. 실질적으로 쓰이는 용도뿐만이 아니라 엉뚱한 용도도 수용하며 적는다. 4. 본래의 용도 외에 특징 있는 용도를 많이 생산한 쪽이 이기는 경기이다. 1. 땀닦기 11. 탈출용 로프 2. 마스크 12. 한약거르기★ 3. 방석 13. 부채


4. 머리수건 5. 마술 ★ 6. 짐싸기 7. 항복표시 8. 넥타이 9. 양복장식 10. 범인묶기★

14. 응원도구 15. 변장★ 16. 17. 18. 19. 20. < 손수건의 용도찾기 >

3. 스캠퍼의 단계 1. 개선할 제품이나 문제를 확인한다. 2. 문제에 질문을 적용하여 새로운 아이디어를 얻는다. 3. 최상의 아이디어를 결정한다. 우산을 예로 들어 다음을 완성하자 가. 대체하면? → 지팡이 나. 적용하면? → 장식품, 마스게임 다. 수정하면? → 손잡이 모양을 다르게 라. 확대하면? → 천막모양으로 마. 축소하면? → 음료수와 함께 꼬마우산(장식품) 바. 다른 용도는? → 양산, 조명용 사. 삭제하면? → 투명 우산(색을 삭제 또는 일부지점을 삭제) 아. 거꾸로 하면? → 자. 재배치하면? → Ⅴ. 창의력 올림피아드 즉석과제 세계적인 창의력대회인 창의력올림픽대회(OM)와 창의력올림피아드 (DINI)에 공통으로 선정하는 과제로써 현장과제라고도 한다. 이것은 경기에 참가한 팀(5~7명)이 짧은 시간(8분~10분)에 주어진 과제를 수행하는 경기방 식으로 팀의 협동심과 순발력 및 창의성을 평가하는 방식으로 창의적 사고 를 끌어내는 프로그램으로 으뜸이라고 할 수 있다.


예시)즉석과제 A : 미래형 자동차 만들기 미래사회에는 여러 가지 교통수단이 발달하게 되어 하늘을 나는 자동차 (Sky Car)도 나타나게 될 것이다. 주어진 재료를 이용하여 미래에 발명 될 수 있는 자동차나 그 밖의 탈것을 고안해 만들어 보자. 최소한 5cm이 상 움직일 수 있어야 한다.

하늘을 나는 차 A

하늘을 나는 차 B

날아가는 Sky Car

∎ 재료 : 종이컵 4개, 은박지 30cm, 고무줄 30cm, 클립 5개, 풀 1개, 가위 1개, 뜨개바늘 4개, 풍선 2개, 실 30cm, 마분지 1장 ∎ 시간 (총 8분)

- 아이디어 모으는 시간 (1분) - 하늘을 나는 차 모양 그리는 시간 (1분) - 하늘을 나는 차 만드는 시간 (5분) - 하늘을 나는 차 움직이며 설명하는 시간 (1분)

∎ 배점 (100점 만점)

재료 활용의 창의성 ⦁ 아이디어 고안의 창의성 ⦁ 제작품의 성능과 원리 ⦁ 팀웍 ⦁ 뒷 정리 ⦁

20점 30점 30점 15점 5점


Ⅵ. 단위 학급수업용 즉석과제( 회전체 프로젝트 ) ∎ 주제: 목표지점에 회전하면서 수직으로 천천히 떨어지는 비행체를 만드시오 ∎ 재료: 색종이 1장, 가위 ※ 높이 2m에서 떨어뜨린다. 목표지점은 직경 30~50cm. ※ 관점: 가장 천천히 떨어지는 회전체가 높은 점수를 얻는다. ∎ 주제: 바닥에서 도는 바람개비를 만드시오 ∎ 재료: 마분지 1장, 가위 ※ 기존의 바람개비의 고정관념을 탈피한 팽이바람개비를 제작한다. ※ 관점: 과학적인 원리로 잘 회전하는 기능성과 디자인이 좋은 바람 개비를 기대 . ∎ 주제: 회전하면서 하늘을 나는 비행체를 만드시오. ∎ 재료: 파일표지 2 × 10cm 1, 꼬지막대 15cm, 송곳, 가위 ※ 프로펠러의 원리를 알 수 있는 기초적인 학습 관점: 오래날기, 높이날기, 목표지점에 도착하기 등의 대회방식


운동물체 만들기 Ⅰ. 빈 캔을 이용한 운동물체 만들기 빈 캔을 이용하여 운동물체를 만들어 봅시다. 실험순서 실험내용 및 방법 비고 ① 재료준비 : 젓가락2, 빈 캔1, 고무밴드, 테 ▪ 칼, 가위, 자 이프

빈 캔을 이용한 운동물체 제작

② 운동물체 틀 만들기

③ 바퀴에 고무밴드 달기


실험순서

실험내용 및 방법 ④ 바퀴를 틀에 끼우기

⑤ 나머지 한 면을 끼워 전체 틀 만들기 빈 캔을 이용한 운동물체 제작

고무줄 감아보기

비고


실험순서

실험내용 및 방법 ➆ 작동 실험하기

목적지에 도착해보기

직진으로 보내기

빈 캔을 이용한 운동물체 제작

비고


실험순서

실험내용 및 방법 ➉ 멀리가기 시합

⑪ 좌회전 시키기 시합해보기

⑫ 우회전 시키기

비고


Ⅱ. 종이컵을 이용한 운동물체 만들기 종이컵을 이용하여 운동물체를 만들어 봅시다. 실험순서 실험내용 및 방법 비고 ① 재료준비 : 젓가락2개, 종이컵2개, 고무밴 ▪ 칼, 가위, 자 드, 테이프

종이컵을 이용한 운동물체 제작

② 운동물체 틀 만들기

③ 바퀴 조립하기


실험순서

실험내용 및 방법 ④ 바퀴를 틀에 끼우기

⑤ 나머지 한 면을 끼워 전체 틀 만들기 종이컵을 이용한 운동물체 제작

고무줄 감아보기

비고


실험순서

실험내용 및 방법 ➆ 작동 실험하기

목적지에 도착해보기

직진으로 보내기

종이컵을 이용한 운동물체 제작

비고


실험순서

실험내용 및 방법 ➉ 멀리가기 시합

⑪ 좌회전 시키기 시합해보기

⑫ 우회전 시키기

비고


음악 속의 과학원리 Ⅰ. 음악속에 숨겨진 과학이야기 고대 그리스인들은 음악을 수학의 한 구분으로 삼았다. 음계의 비율 및 비 례관계와 배음, 화성학 등에서도 수학적인 원리를 찾았으며 이에 음악은 수학 을 설명하는 좋은 교과서가 된 셈이다. 위대한 수학자이자 음악가인 피타고라스는 조화로운 소리가 나는 특정 음 들을 찾았다. 그리고 그 음을 발생시키는 현의 길이 비를 나열했는데, 그 역수 가 등차수열을 이루고 있었다. 더욱 복잡한 음계들을 구성하는데도 수학적 원 리를 빼놓을 수 없다. 바흐의 평균율은 각 음간의 주파수가 일정한 무리수의 비율을 가지고 있다. 음악과 수학, 음악과 과학을 연관 지을 때 음파에 대한 얘기를 빠뜨릴 수 는 없다. 세상에 존재하는 모든 소리는 매질인 공기를 진동시키며 퍼져나가는 파동이다. 이는 악기에서 더욱 중요해 진다. 일반적인 소리들은 지극히 복잡한 파형을 띠고 있기 때문에 음악적 분석이 어렵다. 사람의 대화시 목소리라든지 바람소리, 비오는 소리 등을 ‘이것은 어떤 음이 다’라고 집어내 말하는 것은 거의 불가능하다. 반면 악기는 종류에 따라 다르 긴 하지만 특정 음에 따라 비교적 명확한 파형을 가지고 있다. 프랑스의 수학자 푸리에는 어떤 주기적 파형도 많은 수의 기본적인 파형의 합으로 나타낼 수 있다는 ‘푸리에 정리’를 만들었다. 이는 음파에도 물론 적용 이 가능하다. 여러 가지 악기들의 조화로운 연주로 음악을 만들어내는 웅장한 오케스트라도 파형 분석을 통해 어떤 악기가 어떤 소리를 냈는지, 그리고 같 은 악기라도 누가 더 큰 소리를 냈는지 등을 세세하게 분석해 낼 수 있는 것 이다. 음악은 이처럼 수학 및 과학과 많은 연관성을 가지고 있다. 얼마 전엔 캐 나다의 심리학자 로버트 자토르가 이끄는 연구팀이 네이처 신경과학저널에 “추상적 자극인 음악이 음식, 마약, 섹스와 같이 뇌의 도파민 분비를 돕는다”


라는 연구 결과를 발표했다. 또한 연구진은 음악이 절정에 다다르는 과정에서 그에 대한 기대감과 보상심리로 인해 도파민을 활성화 시킨다는 것도 알아냈 다. 수학, 물리, 생물학에 까지 과학의 다방면에 걸쳐 관계를 맺고 있는 음악. 예술은 분석하는 순간 더 이상 예술이 아니라는 말도 있지만 그 안에 숨어있 는 놀라운 사실들이 감동을 배가시키기도 한다.

Ⅱ. 소리 발생의 원리 1. 소리란?

소리는 물체의 진동이나 기체의 흐름에 의해 발생하는 파동으로써 우리귀 에 전달되는 청감각적으로 느껴지는 것이다. 이렇게 물질이 진동하면서 공기 에 접촉되는 면이 공기에 압력을 가하게 되며, 압력이 공기중에 전파되면서 우리의 귀가 그 압력의 변화를 소리로 인식하게 되는 것이다. 2. 소리의 3대 요소

소리는 높낮이(Pitch), 세기(Loudness), 색깔(Timber)등의 세가지 요소를 갖고 있다. 어떤 소리는 아름답고 어떤 소리는 시끄럽다고 느끼게 되는 것은 이러한 소리의 성질을 복합적으로 갖고 있기 때문이다. 첫째 소리의 높낮이는 음파가 1초동안에 몇 번 진동하는가로 나타내는데 그것을 주파수(진동수)로 표현한다. 주파수는 단위시간당 반복횟수(cycle/sec) 를 표현하는 Herz(Hz)로 표기한다. 예를 들면 1,000Hz의 신호는 1초간에 1,000회의 진동을 하고 있다는 것이다. 진동수가 빠를수록(많을수록) 높아진다. 현대음악의 오케스트라에서 보통 라(A)음을 440Hz로 정해서 연주한다. 또한 사람의 가청 주파수는 20~20KHz 이다. 피타고라스 음률은 음정의 주파수가 3:2 비율에 기반해 있는 음률로써 옥타브 다음으로 단순한 완전5도 음정의 비율인 3:2를 쌓아 올림으로서 이루어진다. 예를 들어 200 헤르츠로 조율된 라 음의 완전 오도 위에 있는 가 음의 주파수 는 라의 3/2인 300 헤르츠이다. 둘째, 소리는 세기는 진폭의 크기와 작기에 따라 소리의 큼작음을 표현한 다. 셋째 소리의 색깔 즉 음색이란 소리가 갖고 있는 밝거나 어둡거나 부드럽 거나 날카로움 등의 특징을 표현하는 것이다. 음색은 배음(harmonic)으로 결


정되는데 배음은 기본이 되는 음의 정수배가 되는 음을 말하는 것으로 100Hz 의 배음은 200, 300,400Hz 이다. 소리의 3요소를 파형으로 요약하면 아래와 같다.

Ⅲ. 리코더 악기의 소리 생성원리 1. 리코더 악기의 구조 리코더는 대게 3부분(윗관, 가운데관, 아랫관)으로 구성되어 있다. 1) 윗관 : 공기를 흐르게 하는 기도가 있으며, 공기의 마찰에 의해 공기가 진동하여 소리를 내는 떨청(labium)이 있다. 2) 가운데관 : 음정을 만드는 운지 구멍 7개가 왼손 엄지손가락 구멍은 뒤 쪽에, 나머지 6개는 앞쪽에 있다. 뒤 구멍은 옥타브 홀(Octave hall)이라하며, 고음을 만들어 내는 중요한 역할을 한다. 3) 아랫관 : 보통 6번과 7번 구멍이 이중으로 되어 있는데 구멍 한 개가 반음이다. 이중 구멍을 모두 막으면 온음이 내려가고 한 개만 막으면 반음이 내려간다.


<그림 1 : 리코더의

2. 리코더 소리발생 원리

구조

>

<그림2 : 리코더 소리의 원리> 리코더 취구에 공기를 불어 넣으면 윈드웨이를 거쳐 라비움에서 공기가 갈라 짐으로 인해 리코더 관 내부에서 공기가 진동하게 되는 것이다. 진동된 공기는 리코더 구멍을 막는 위치에 따라 음정이 정해진다.


3. 리코더 조율 방법

<그림 3 : 리코더의

조율방법

.

>

리코더 앙상블을 위해 악기를 조율해야 한다 리코더의 조율은 윗 관과 가

.

운데 관을 넣거나 빼어 소리를 조율한다 학교 수업 현장에서도 좀 더 음악적 인 관점에서 리코더를 학급에서 연주한다면 교사가 아동의 리코더를 조율하는

.

것도 청음능력을 기르는데 있어서 매우 중요한 의미를 갖는다 대부분의 우리 나라 리코더의 경우 공장에서 기계화 작업에 의해 대량생산으로 찍어내는 악

(

기이지만 주의 깊게 리코더의 음을 한 개 연주해 보면 보통 조율을 할 때는

(La)음을 기준으로 조율함) 상당히 많은 리코더 들이 예민하게 서로 음정이 다름을 알 수 있다. 가운데 라

4. 음악놀이를 통한 융합교육

1) 리듬 색 태이프 놀이 . 목표: 리듬감각을 찾아 비교하고 탐색한다. . 방법 아이들에게 색 테이프를 나누어 주고 바닥에 여기저기 테이프를 붙이게 한다. 테이프를 붙였으면, 교향곡 중에 리듬감이 있는 곡을 선택하여 아이들에게 들 려주고 작곡가 이름과 교향곡 이름을 알려준다. 그리고 나서 선생님이 음악에 맞춰 색 테이프를 박자에 맞게 밟아가는 모습을 보여주고 아이들이 따라할 수 있도록 유도한다.


2) 가락 풍선놀이 . 목표: 여러 음들의 소리를 찾아 비교하고 탐색한다. . 방법 풍선을 가능한 색깔별로 크기별로 준비한다. 풍선을 크기별로 불어 계이름 도레미파솔라시도 적어 넣고 아이들에게 한 가 지씩 가지도록한다. 각 계이름을 호명하면 자기가 가지고 있는 해당하는 풍선을 들었다 놓는다. 선생님은 계이름을 음정에 맞게 불러주고 아이들이 정확하게 들었다 놓는다. 빠르게 여리게 느리게 등 음악 기호를 살려가며 해도 좋다. 가능한 계이름에 맞는 음정을 불러주는 것이 좋다. 모든 게 잘 이루어지면 간단한 동요를 계이름으로 부르면서 놀이를 해도 좋 다. 좀 더 업그레이드 되면 악기 소리를 들려주며 하면 효과적이다. 3)피아노와 포르테를 익히는 놀이 . 목표: 소리의 셈여림을 찾아 비교하고 탐색한다. . 방법 아이들 중 술래 한명을 정하고 그 술래를 보이지 않는 곳으로 이동시킨다. 그리고 남은 여러아이들 중 한사람에게만 보물(과자나 사탕 등 아무거나)을 숨기게 하고 술래보고 보물을 찾도록 한다. 중요한 것은 아이들은 여기저기 사방으로 흩어져있고 술래가 흩어져있는 아이 들 중에 보물을 가진 아이곁으로 다가가면 박수(막대봉 혹은 목소리 등)로 점 점 크게 소리를 내고 점점 멀어질 수록 소리를 작게 내게 하여 보물을 찾도록 유도한다. 4) 음이름 순서 익히기 . 목표: 여러 가지 음이름의 순서를 익힌다. . 방법 교사가 맨 먼저 놓는 카드에 따라 아이들이 음이름을 완성한다. 예를 들어 교사가 B 카드를 맨 먼저 내려놓으면 아이가 그 뒤로 C,D,E,F,G,A,


를 순서대로 놓는다. 5) 차례가기와 건너뛰기 . 목표: 여러 가지 음들의 순서익히기 . 방법 교사가 C를 놓고 차례가기로 카드를 놓으라고 하면 아이들이 순서대로 C, D, E, F, G, A카드를 놓는다. 건너뛰기를 놓으라고 하면 하나씩 건너뛰어 C, E, G, B로 카드를 놓는다. 위의 음부터 거꾸로 놓기도 해본다. 6) 음이름 빨리 찾기 . 목표: 여러 가지 소리를 빨리 찾기 . 방법 음이름 카드를 음이름 순서에 상관없이 늘어놓고 교사가 부르는 음이름을 누 가 빨리 찾나 게임을 한다. 7) 오선 카페트 게임 . 목표: 여러 가지 음들의 5선 악보상의 위치찾기 . 방법 음이름을 오선 카페트에 순서대로 붙이게 한다. 음이름에 맞게 줄과 칸을 지 켜서 붙이는 연습을 한다. 8) 화음연습 교사가 C화음을 쌓으라고 하면 아이들이 음이름카드를 C, E, G 순으로 내려 놓는다. 이런 식으로 F화음은 FAD, G화음은 G, B, D를 쌓게 한다. 음이름 카드를 상하로 옮기면서 화음의 자리 이동도 설명해준다.


10) 난타놀이 . 목표: 여러 가지 물건들의 소리를 찾아 비교하고 탐색한다. . 방법 - 우리 주변에 있는 톡특한 소리를 내는 물건들을 찾아본다. (예: 병, 잡동사니 물건들, 나무, 쇠, 냄비 뚜껑, 주걱과 도마, 플라스틱으로 만 든 것) - 여러가지 방법으로 소리를 내본다.(치기, 흔들기, 문지르기,부딪치기..) - 각 주방 기구별로 소리를 내어보고 무슨 소리인지 맞춰본다. - 리듬을 만들어 다양한 노래에 맞게 연주해본다. - 같은 재료로 만든 물건끼리 연주해본다.(나무로 만든것, 플라스틱으로 만든 것, 유리로 만든 것) 11) 지휘자 놀이 . 목표 : 빠르기를 변화시켜 지휘를 하고, 지휘에 맞추어 노래를 불러본다. . 방법 - 나무 젖가락이나, 긴 막대기를 이용한다. - 지휘자는 조금 높은 곳에 올라서서 준비한다. - 여러가지 지휘 모양을 따라 지휘해본다. - 창의적으로 지휘모양을 만들어본다.

Ⅳ. 생활속 재료로 악기 만들기 1. 빨대로 관악기 만들기

가. 준비물 콜라빨대, 칼, 접착재료(본드,테이프), TP 용지등 나. 활동준비 -빨대끝을 비스듬하게 자르고 TP 용지로 리드를 붙여만든다. 다. 활동방법: -준비한 재료 소개, -빨대와 리드를 붙여 만드는 방법 소개


2 . 소리나는 현악기 만들기

가. 준비물 종이컵, 실, 접착재료, 가위 나. 활동준비 -종이컵과 실을 서로 연결하여 실에 물을 묻혀 실을 손으로 마찰시키면 아 름다운 소리가 난다. 다. 활동방법: -준비한 재료 소개, -종이컵과 실을 붙여 만드는 방법 소개 3. 고무 풍선 마라카스 만들기

가. 준비물 풍선, 창호지,신문지,나무막대기,가위,밀가루 풀, 아크릴 물감 도구,니스(혹은 투 명 래커), 드라이어 나. 활동준비 책상에 작업 비닐 깔기, 창호지와 신문지는 길이 15센치,너비는 1.5센치로 자름. 고무풍선은 어른 주먹보다 조금 큰 크기로 불고 매듭 지음 다. 활동방법 -나무막대기를 풍선에 갖다대고, 손으로 꽉잡고 잘라 놓은 신문지에 물을 축 여 풍선과 나무막대를 연결하며 위를 감아줌 - 서너번 감은 후에 신문지에 풀을 발라서 그 위에 감음 고무풍선 전체에도 신문지를 바름 -나무막대기와 고무풍선 사이가 흔들리지 않도록 주의해서 신문지를 발라 어 느정도 모양이 잡히면 햇볕에 말린다. -그 위에 잘라놓은 창호지를 골고루 발라서 신문지가 보이지 않게 한다. -햇볕에 바짝 말린 후에 막대기를 흔들어 뽑고 그 속의 풍선을 터뜨리고 팥이


나 곡물을 조금 넣는다. -다시 막대기를 꽃아서 빠지지 않게 창호지로 발라 말린다. -기타: 한 줄은 세로, 다른 한 줄은 가로, 다음줄은 대각선 등 다른 방향으로 겹쳐 발라야 단단한 마라카스를 얻음 물감이나 색한지를 발리 마르게 하려면 드라이어 사용


악기 만들기 Ⅰ. 관련 이론 탐색 모든 소리는 진동, 즉 떨림에 의해서 나게 된다. 어떤 물체의 떨림에 의해 주변 공기에 일정한 파동이 생기고 이것이 우리귀의 고막에 닿으 면 소리로 들리게 되는 것이다. 우리가 만드는 빨대 팬파이프는 빨대 안에 바람을 불어넣음으로써 빨대 안의 공기가 늘어나거나 수축되어 공 기를 진동시키고, 이것이 음파가 되어 우리의 고막을 진동시키기 때문 에 소리가 나게 된다. 여기서 우리가 만든 빨대의 길이를 짧게 할수록 높은 소리가 난다. 이것은 음파의 진동수(주파수)와 관계가 있다. 즉, 진 동수가 클수록 고음을 내게 되는 것이다.

크기가 다른 깨끗한 음료수병을 준비하여 음료수 병의 주둥이에 입을 대고 가만히 불어 소리를 내 보면 큰 병에서는 낮은 소리가 나고, 작은 병에서는 높은 소리가 난다. 관악기는 악기 내의 공기관을 진동시켜 음 을 만드는데 관악기의 크기가 클수록 일반적으로 공기관도 크기 때문에 낮은 소리가 난다. 또한 큰 병에 물을 약 1/10씩 넣으며 병에 입을 대어 불면 물을 적게 넣으면 낮은 소리가 나고, 물을 많이 넣으면 높은 소리가 난다. 이 또한 위의 원리와 같다.


Ⅱ. 빨대를 이용한 악기 만들기

학년의 구분 없이 재미있고 창의적으로 빨대를 이용한 악기를 만들 수 있다. 실험순서 실험내용 및 방법 비고 ▪ 색종이 모형의 ① 빨대와 TP 용지를 준비한다. ▪ 가위 제작 1 ▪자

모형의 ② 비스듬히 빨대를 자른다. 제작 2

모형의 ③ TP용지에 떨림대를 그린 후 자른다. 제작 3

▫ 빨대의 구멍 보다 조금 크게 자른다.

모형의 ④ 테이프를 이용하여 떨림대를 빨대에 붙인 ▫ 아래쪽으로 떨어질 수 있도 제작 4 다. 록 무게를 준 다.


실험순서 실험내용 및 방법 비고 작품 실험 ⑤ 빨대의 바른쪽과 반대쪽을 번갈아 불어본 ▫ 같은 소리가 나는지, 다른 1 다. 소리가 나는지 알아본다. 작품 실험 ➅ 빨대 악기의 한쪽에 풍선을 붙힌 후 불어 ▫ 풍선을 불때 와 풍선에서 공 2 본다. 기가 빠져 나올 때의 소리의 차 이가 있는가? 작품 응용 ➆ 풍선의 크기에 따른 소리의 차이를 살펴 ▫ 풍선이외에 따른 재료를 사 실험 본다. 용할 수 있는 지, 혹은 다른 악기로 응용이 가능한지 연구 해본다.


Ⅲ. 더 생각해보기 1. 길이가 서로 다른 빨대피리를 나란히 붙여서 화음을 낼 수 있는 빨대 피리를 만들어 보자.

2. 빨대피리와 같은 원리로 깔때기에 리드를 달아 불어보자.

3. 빨대 팬 플롯 만들기 가. 빨대를 음계에 맞추어 자른다. 이때 빨대의 길이는 ‘길이+1㎜’로 함. 자연장음계

진동수의 비

1

9/8

5/4

4/3

3/2

5/3

15/8

2

1

8/9

4/5

3/4

2/3

3/5

8/15

1/2

9.0

8.0

7.2

6.75

6.0

5.4

4.8

4.5

빨대 길이의 비 빨대의

)

길이(㎝


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초등과학발명놀이 자료집입니다. 초등학교 학생을 대상으로 정규과학시간 동기유발자료 혹은 과학동아리 운영이나 방과후활동에 이용할 수 있습니다.

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