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본 연구에서는 물체의 크기를 고려해야 하는 몇 가지 전형적인 상황에서 물체가 받는 분산된 힘에 대한 교과서 및 문헌의 설명 방식 조사, 이론적 분석, 그리고 대학생들의 이해를 조사하여 논의하는 것을 목적으로 하였다. 교과서 및 문헌들에 나타난 설명 방식을 조사하기 위해 학부에서 사용되고 있는 일반물리학 교과서 5종과 자유물체도와 관련된 문헌 16건을 수집하여 조사하였다. 일반물리학을 수강한 물리교육전공 학부 2∼3학년 학생 32명을 대상으로 크기를 고려해야 하는 물체가 받는 힘에 관한 이해를 조사하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 교과서나 문헌들에서 크기를 고려해야 하는 물체에 힘이 작용하는 상황을 다룰 때 분산된 힘의 작용이나 문제 상황에 사용된 이상조건이 가지는 물리적 의미, 자유물체도가 가지는 제한점에 관한 설명이 부족한 편이었다. 또 줄이 연결되어 물체에 힘이 작용하는 상황처럼 질량을 무시할 수 있는 한 ...

본 연구에서는 물체의 크기를 고려해야 하는 몇 가지 전형적인 상황에서 물체가 받는 분산된 힘에 대한 교과서 및 문헌의 설명 방식 조사, 이론적 분석, 그리고 대학생들의 이해를 조사하여 논의하는 것을 목적으로 하였다. 교과서 및 문헌들에 나타난 설명 방식을 조사하기 위해 학부에서 사용되고 있는 일반물리학 교과서 5종과 자유물체도와 관련된 문헌 16건을 수집하여 조사하였다. 일반물리학을 수강한 물리교육전공 학부 2∼3학년 학생 32명을 대상으로 크기를 고려해야 하는 물체가 받는 힘에 관한 이해를 조사하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 교과서나 문헌들에서 크기를 고려해야 하는 물체에 힘이 작용하는 상황을 다룰 때 분산된 힘의 작용이나 문제 상황에 사용된 이상조건이 가지는 물리적 의미, 자유물체도가 가지는 제한점에 관한 설명이 부족한 편이었다. 또 줄이 연결되어 물체에 힘이 작용하는 상황처럼 질량을 무시할 수 있는 한 계가 서로 직접 상호작용하지 않는 두 계와 각각 연결되어 힘을 주고받을 때, 질량을 무시할 수 있는 계는 서로 상호작용하지 않는 두 계가 마치 직접 접촉하여 힘을 주고받는 것처럼 힘을 매개함을 알 수 있었다. 둘째, 이론적 분석 결과 임의 모양의 물체에 줄이 감겨 힘이 작용할 때 줄의 장력은 줄의 접선 벡터가 총 회전한 각도에 따라 지수함수적으로 변하며, 단위 길이당 수직력의 크기는 곡률과 관계되는 표현식으로 나타났다. 또 줄이 물체에 작용하는 총 힘과 토크는 각각 줄의 양 끝점에서 장력의 합과 장력이 만드는 토크와 같다. 셋째, 학생들은 두 계가 직접 접촉하고 있는 경우에는 물체에 분산된 힘이 작용한다는 사실을 잘 인식하는 편이었으나, 줄의 장력이 작용하는 상황에서는 힘이 분산되어 작용함을 잘 인식하지 못하고 힘의 작용점과 작용·반작용 관계에 대해 오개념을 가지고 있었다. 분산된 힘을 인식한 학생들의 경우에도 물체의 운동 상태와 관계없이 단순히 분산된 힘을 받는 면의 기하학적 중심에 힘의 알짜 효과를 나타낼 수 있다고 생각하거나 분산된 힘이 힘을 받는 면에 같은 크기로 고르게 작용한다고 생각했다. 또 많은 경우에 학생들은 장력의 의미를 정확하게 사용하고 있지 않았으며, 물체의 평형을 고려할 때 토크의 평형은 고려하지 않고 힘의 평형만을 고려하는 경향을 보였다.

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