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미니 롤러코스터 만들기(교사용)
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심화보충자료 - 9학년
작성일 2003-02-23 (일) 23:16
분 류 9학년
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영역 일과 에너지
ㆍ추천: 40  ㆍ조회: 12809      
미니 롤러코스터 만들기(교사용)

미니 롤러코스터 만들기(교사용)

   현재의 교육과정에서 일과 에너지 단원은 에너지가 정량적으로 다루어져 개념을 이해하기보다는 계산이 보다 강조되고 있다. 이에 수학과 다름없다고 여기고 흥미를 잃기 마련인 듯 하다. 특히 여학생의 경우가 더욱 그렇다.  교과서의 실험을 살펴보아도 오차가 매우 커서 오히려 혼동이 되는 것도 있으며 중학교 3학년에게는 어려운 분석을 요구하는 것들도 있다. 결국 에너지에 대해 알기보다는, 의미도 잘 모르는 공식을 열심히 외우고 문제를 풀게 된다. 이에 조금이나마 체험으로 일과 에너지를 이해할 수 있는 실험활동 및 조사활동이 필요하다고 여겨진다.

역학적 에너지 보존 법칙을 설명할 수 있는 도구를 제작할 수 있고, 조별로 제작한 도구를 이용하여 에너지 보존법칙을 설명할 수 있다.

1. 수업의 진행과 시간 배정 : 45분

가) 도입 : 5분

- 놀이 동산에서 롤러코스터를 탄 경험을 상기시키면서 자연스럽게 수업 내용을 제시한다.(Experience)
* 짜릿한 긴장감을 맛볼 수 있는 롤러코스터를 모형으로나마 직접 제작한다는 즐거움을 부각시킨다.(Exciting)

나) 미니 롤러코스터 제작 및 역학적 에너지 보존법칙 적용 : 30분

- 여러 번 시행착오를 거치면서 구슬이 일 회전하는 쫄대의 높이와 원둘레를 찾는다.
* 협동작업에 의해 보다 안정감 있고 완벽한 롤러코스터를 만들 수 있음을 강조한다. (Environment)

- 롤러코스터를 완성한 후, 스티커로 롤러코스터의 각 위치(A∼G)에서의 위치에너지와 운동에너지의 상대적 크기를 나타낸다.
* 뒷 페이지의 스티커를 복사하여 각 조에 나누어준다.
* 롤러코스터의 각 위치에서의 위치에너지와 운동에너지를 정확히 나타내기 위해서는 롤러코스터의 각 위치와 기준이 되는 바닥면 사이의 거리를 정확히 측정해야 함을 강조한다.

다) 결과 정리 및 토의 : 10분

- 생각 모으기(놀이 동산의 롤러코스터에 추진엔진이 없음에도 불구하고 빠르게 움직이고 회전하는 이유) 에 대해 토론하고 기록한다.
* 문제에 대해 조원 각자의 의견을 제시하고 서로의 의견을 기록한 뒤 마지막에 자신의 의견을 다시 정리하여 기록한다.(Environment)

평가 기준

평가척도

평가

  회전하는 롤러코스터를 안정감 있게 잘 만들었는가?

구슬이 안정감 있게 1회전함.

2

구슬이 불안전하게 회전을 함. (구슬이 가끔씩 레일을 이탈함.)

1

구슬이 원형 레일 위를 회전하지 못함.

0

롤러코스터의 운동을 역학적 에너지 보존 법칙으로 잘 설명하는가?

롤러코스터의 각 위치(A∼G)에 위치에너지와 운동에너지를 스티커로 정확히 나타냄.

2

롤러코스터의 각 위치(A∼G)에 스티커로  나타낸 위치에너지와 운동에너지가 약간(절반 정도) 부정확함.

1

롤러코스터의 각 위치(A∼G)에 스티커로  나타낸 위치에너지와 운동에너지가 전부 부정확함.

0

A : 4∼3,    B : 2∼1,    C : 0

1. 쇠구슬이 쫄대를 이탈하지 않고 작은 원을 회전하는 가장 낮은 높이를 찾게 한다. 이 높이 이상에서 쇠구슬은 반드시 원을  회전하게 된다. 처음 쇠구슬의 높이를 h, 원의 반지름을 r, 쇠구슬의 질량을 m, 원의 꼭대기에서의 속력을 v 라고 한다면 원의 꼭대기에서 역학적 에너지 보존 법칙은 아래와 같다.
 mgh = 1/2mv2 + mg(2r)
또한 원의 꼭대기에서 구심력은 중력과 같은 값을 지니게 된다.
 mg = m(v2 /r)
위 두 식에서 높이(h)를 구해보면 반지름(r)의 2.5배가됨을 알 수 있다.

2. 구슬이 구르면서 레일 위를 움직이므로, 구슬의 총 운동에너지는 구슬의 선형 운동에 의한 병진(선형) 운동에너지와 구슬의 질량 중심을 중심으로 회전함으로써 생기는 회전 운동에너지의 합이다. 이러한 총 운동에너지 값은 감소한 위치에너지 값과 같다. 따라서 구슬이 구르지 않는 것 보다 구르는 것이 더 속력이 느리다.(마찰력이 없는 경우)

  이러한 내용은 중학생에게 다소 어려우므로, 구슬이 구르면서 움직이는 경우와 구르지 않으면서 움직이는 경우, 속력의 차이에 의문을 갖는 학생에게 개별적으로 설명하는 것이 바람직하다.

3. 생각 모으기 해답

- 놀이 동산의 롤러코스터에 추진 엔진이 없음에도 불구하고 빠른 속력으로 움직여서 회전할 수 있는 이유는?

   롤러코스터에 추진 엔진이 없음에도 불구하고 빠르게 움직이며 회전할 수 있는 이유는 역학적 에너지가 보존되기 때문이다. 롤러코스터가 처음에는 높은 위치에 있었으므로 이에 해당하는 위치에너지를 갖게되고, 아래로 내려오면서 감소된 위치에너지는 운동에너지로 전환되므로 속력을 갖고 움직일 수 있는 것이다.

4. 한 걸음 더 의 해답

- 다음과 같은 레일 A, B 위로 구슬이 동일한 속력 로 출발하였을 때, 어느 레일로 이동하는 구슬이 더 먼저 오른 쪽 끝점에 도착할까?

   레일 B 를 이동하는 구슬이 먼저 오른 쪽 끝점에 도착한다. 레일 A 를 굴러가는 구슬은 곡면을 지나는 동안 처음에 가졌던 운동에너지 보다 항상 작은 운동에너지를 갖게된다. 그러나 레일 B를 이동하는 구슬은 곡면을 이동하는 동안 처음에 가졌던 운동에너지 보다 항상 더 큰 운동에너지를 갖는다. 즉, 곡면을 이동하는 동안 레일 B를 이동하는 구슬이 레일 A를 이동하는 구슬보다 항상 더 큰 속력으로 이동하게 된다. 그러므로 레일 B를 굴러가는 구슬이 더 빨리 도착한다.

5. 부품

① 쫄대는 철물점에서 쉽게 구할 수 있다. 그 중에 유연성이 좋아서 360。로 휘어지는 것이 있다. 쫄대 안쪽에 홈이 약 1cm정도로 나있는 것은 구슬이 쫄대의 홈 위로 얹어져서 굴러가고 마찰도 줄일 수 있다. 어떤 쫄대는 뒷면이 오목하여 구슬을 굴릴 수도 있다. 하지만 이런 경우는 구슬이 쫄대에 많이 접촉하여 굴러가기 때문에 안쪽을 사용하는 것보다 마찰이 많이 생길 것이다.
② 쫄대 대신에 전선을 끼우는 몰딩을 사용할 수도 있다. 몰딩은 쫄대보다는 유연하지 않지만 약간씩 칼집을 내어 휘게 하면 사용 가능하다.
③ 쫄대의 종류에 따라 달라지겠지만 무게, 크기면에서 쇠구슬이 유리구슬보다 낫다. 쇠구슬의 질량은 4g이고, 지름은 1cm - 1.5 cm정도의 것을 선택하여 구슬이 쫄대의 홈 안으로 빠지지 않도록 한다.

6. 학생들의 의욕과 교사의 의지에 따라 개성 있는 롤러코스터 만들기를 조별 과제로 내 줄 수 있다.

( 과제 ) 우리들만의 롤러코스터 만들기

① 조별로 제작할 롤러코스터 계획을 세운다.
② 4개의 쫄대를 연결한다. 쫄대를 끼울때는 두 가지 방법이 있다. 단단하게 연결해야 할때는 철사를 2-3cm로 잘라 양 옆의 틈에 끼우고 순간접착제로 붙인다.

               

   간단히 연결할 경우에는 쫄대의 양옆을 잘라 뾰족하게 만들고 다른 쫄대에 끼운다.
③ 받침대를 만들고 기둥(하드보드지 사용)을 세워서 롤러코스터를 만든다.
④ 다른 재료를 이용하여 우리 조만의 코스를 만든다.

⑤ 스티커를 이용하여 코스마다 운동에너지와 위치에너지가 어떻게 전환되는지 써서 표시해 둔다.
⑥ 작업 후기를 작성한다.

우리들의 작업 후기                                 학년    반     조

날 짜

월     일     교 시

사용한 모든 재료

 

작업 과정

 우리 조가 작업한 과정

    각 조원이 한 일

* 누가 무엇을 하였는지 구체적으로 쓸 것

 

 

 

 

작업하면서 발생한 문제점

 

문제점을 해결한 방법

 

  열차가 아무리 빨리 달린다 하여도 일정한 속력으로 움직이면 열차 안의 사람들은 속력의 크기를 잘 느끼지 못한다. 창 밖을 보지 않는 다면 정지해 있는 것과 별 다를 바 없다. 그러나 갑자기 정지·출발하여 속력이 변하거나, 방향을 바꾸면 인간은 변화를 느끼면서 긴장하게 된다. 즉, 인간의 몸은 가속도 측정기라고 할 수 있다. 놀이동산의 대부분의 놀이기구들이 급하게 속력을 변화시키거나 방향을 바꾸는 이유는 인간이 가속도를 예민하게 느끼기 때문이다.
  인간이 가속도를 느끼기 위해서는 기계로 속력과 방향을 변화시키는 장치에 의존해야만 할까? 아니다. 단순히 높은 곳에서 떨어지기만 하여도 중력에 의한 가속도에 의해 짜릿한 긴장감을 맛볼 수 있다. 그러한 것을 경험할 수 있는 스포츠가 번지점프이다.  남태평양 Pentacost제도 원주민 청년들의 성년의식에서 넝쿨을 발목에 묶고 높은 나무 꼭대기에서 뛰어 내렸던 것에서 비롯되었다는 이러한 신종 인기 스포츠는 1980년대 초 영국 Oxford 대학생들의 모험 스포츠클럽을 통해서 알려지기 시작하였다고 한다. 한 때 죽음의 유희로 여겨졌던 번지점프는 오늘날 안정성을 최대로 보장할 수 있도록 개발되었다. 여러 나라의 유명 관광지에서 절정의 스릴과 쾌감을 즐기는 하나의 관광상품으로 인기를 모으고 있으며 국내에는 95년 대전엑스포에서 처음으로 도입되었다.

   
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2011-02-26 22:28
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2011-03-03 11:35
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