지구과학 분야에서 대기와 해수의 운동을 이해하는 데 필수적인 개념인 전향력의 이해를 돕고자 전향력 실험장치를 개발하였다. 기존의 교과서에 제시된 전향력 실험 장치는 구슬을 내려 보내는 굴림대가 회전원판과 함께 회전하지 않으므로 구슬의 궤적을 이용하여 지구 위에서 전향력에 의해서 일어나는 대기나 해수의 운동을 바르게 설명할 수 없었다. 이러한 문제점을 개선하여 굴림대(빗면)를 원판에 부착하여 원판과 함께 회전하면서 구슬을 보낼 수 있는 새로운 실험 장치를 개발하였다. 개발한 장치와 기존의 장치를 사용하여 전향력 실험을 각각 실시하여 교과서의 실험 장치와 개발한 실험 장치의 특성을 비교하였다. 그 결과 교과서의 실험 장치는 구슬이 원판에 부딪히는 순간에 운동이 매끄럽지 못하여 구슬의 궤적을 분석하는 데 어려움이 있었던 반면에 개선된 실험 장치는 구슬의 궤적을 분석하기 쉬웠으며, 구슬의 속도를 다르게 할 수도 있어서 구슬의 속도가 다를 때 궤적을 서로 비교하는 것이 용이하였다.
지구과학 분야에서 대기와 해수의 운동을 이해하는 데 필수적인 개념인 전향력의 이해를 돕고자 전향력 실험장치를 개발하였다. 기존의 교과서에 제시된 전향력 실험 장치는 구슬을 내려 보내는 굴림대가 회전원판과 함께 회전하지 않으므로 구슬의 궤적을 이용하여 지구 위에서 전향력에 의해서 일어나는 대기나 해수의 운동을 바르게 설명할 수 없었다. 이러한 문제점을 개선하여 굴림대(빗면)를 원판에 부착하여 원판과 함께 회전하면서 구슬을 보낼 수 있는 새로운 실험 장치를 개발하였다. 개발한 장치와 기존의 장치를 사용하여 전향력 실험을 각각 실시하여 교과서의 실험 장치와 개발한 실험 장치의 특성을 비교하였다. 그 결과 교과서의 실험 장치는 구슬이 원판에 부딪히는 순간에 운동이 매끄럽지 못하여 구슬의 궤적을 분석하는 데 어려움이 있었던 반면에 개선된 실험 장치는 구슬의 궤적을 분석하기 쉬웠으며, 구슬의 속도를 다르게 할 수도 있어서 구슬의 속도가 다를 때 궤적을 서로 비교하는 것이 용이하였다.
A new apparatus was presented in order to help understand the concept of the Coriolis force which is essential in understanding the trajectories of the atmospheric current and the tide of seawater. In the apparatus proposed in high-school textbooks, since the slide from which the ball is released is...
A new apparatus was presented in order to help understand the concept of the Coriolis force which is essential in understanding the trajectories of the atmospheric current and the tide of seawater. In the apparatus proposed in high-school textbooks, since the slide from which the ball is released is set outside the rotating disk, it was not possible to interpret, with the trajectory of the ball on the disk, the motion of the atmosphere and the current of seawater occurring as a result of the Coriolis force. In order to resolve such problem, a new apparatus was developed in which the slide was set on the disk and rotated with the disk. Experiments were carried out using both the existing apparatus and the new apparatus, and the results were compared. While, in the experiment performed with the existing apparatus, it was difficult to analyze the trajectory of ball because the motion of the ball was not smooth when it hit the disk, in the experiment with the new apparatus it was much easier to analyze the trajectories. It was also possible to compare the trajectories when the initial velocity of the ball was varied.
A new apparatus was presented in order to help understand the concept of the Coriolis force which is essential in understanding the trajectories of the atmospheric current and the tide of seawater. In the apparatus proposed in high-school textbooks, since the slide from which the ball is released is set outside the rotating disk, it was not possible to interpret, with the trajectory of the ball on the disk, the motion of the atmosphere and the current of seawater occurring as a result of the Coriolis force. In order to resolve such problem, a new apparatus was developed in which the slide was set on the disk and rotated with the disk. Experiments were carried out using both the existing apparatus and the new apparatus, and the results were compared. While, in the experiment performed with the existing apparatus, it was difficult to analyze the trajectory of ball because the motion of the ball was not smooth when it hit the disk, in the experiment with the new apparatus it was much easier to analyze the trajectories. It was also possible to compare the trajectories when the initial velocity of the ball was varied.
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문제 정의
이 연구에서는 교과서에 제시된 전향력 실험 장치와 개발한 실험 장치의 실험 결과를 비교분석하여 원판의 밖에 설치된 빗면에서 구슬이 굴려지는 교과서 실험 장치의 실험 결과는 지구상에서 나타나는 전향력의 효과를 나타내기에 어려움이 있음을 보이고, 대기와 해양에서 나타나는 전향력의 효과를 설명하기 위해서는 구슬과 빗면이 원판 안에서 같이 돌다가 굴려져야 함을 보이고자 한다. 또한, 개발한 장치의 실험 방법과 결과를 제시하고 기존 장치와의 차이점을 제시하여, 더 편리하고 향상된 전향력 실험 장치를 개발하는데 필요한 토대를 마련하고자 한다.
굴림대의 빗면 상단과 중간 위치에는 레일의 중심에 강철구가 굴러 내려가지 않도록 막는 반원형 바퀴가 각각 설치되어 있는데, 이 반원형 바퀴는 태엽을 감아서 자동으로 회전하도록 장치되어 있어서 바퀴의 평평한 면이 빗면과 일치할 때 구슬이 굴러 내려가도록 되어 있다. 이 반원형 바퀴를 두 위치에 장치한 이유는 구슬이 회전판 위에서 구를 때 초기 속력에 따라서 전향력이 어떻게 나타나는지를 관찰하기 위해서이다. 원판의 반지름은 15 cm, 빗면의 길이는 12 cm, 수직 높이는 5 cm, 빗면의 경사각은 25o , 구슬의 지름은 1.
이 연구에서는 교과서에 제시된 전향력 실험 장치와 개발한 실험 장치의 실험 결과를 비교분석하여 원판의 밖에 설치된 빗면에서 구슬이 굴려지는 교과서 실험 장치의 실험 결과는 지구상에서 나타나는 전향력의 효과를 나타내기에 어려움이 있음을 보이고, 대기와 해양에서 나타나는 전향력의 효과를 설명하기 위해서는 구슬과 빗면이 원판 안에서 같이 돌다가 굴려져야 함을 보이고자 한다. 또한, 개발한 장치의 실험 방법과 결과를 제시하고 기존 장치와의 차이점을 제시하여, 더 편리하고 향상된 전향력 실험 장치를 개발하는데 필요한 토대를 마련하고자 한다.
7차 교육과정 지구과학II 교과서에 제시된 전향력 실험 장치는, 빗면과 구슬이 회전원판의 밖에 설치되어 있어, 실험 결과를 해석하여 지구의 대기와 해수의 순환을 설명하는데 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하는 방안으로, 새로운 전향력 실험 장치를 개발하였다. 개선한 실험 장치는 빗면과 구슬이 회전하고 있는 원판 위에서 원판과 함께 회전하다가 구슬이 저절로 굴러지게 되므로 전향력의 효과를 설명할 수 있었다.
가설 설정
[제한점] 회전원판의 속도가 너무 큰 경우에는 강철구에 작용하는 원심력이 중력의 빗면 성분보다 더 커져서 구슬이 빗면을 내려오지 않게 되므로, 원판의 최고 속력을 제한하여야 한다. 그러나 본 장치는 회전원판의 속력을 0에서부터 느린 속도-중간 속도-최고 속도로 다양하게 변화시킬 수 있다.
제안 방법
2. 정지 상태에서, 구슬이 굴러가는 방향을 예상해 보고 구슬을 스탬프에 굴려 잉크를 묻힌 후 구슬이 굴러가는 모습을 관찰한다.
5. 회전원판의 속도가 일정할 때, 과정3과 과정4의 구슬의 궤적 변화를 비교해 본다. 어느 경우에 구슬의 편향이 더 큰가? 그 이유는?
6. 원판의 회전방향을 반대로 한 후 과정3과 과정4를 반복해서 해보고 그 차이점을 알아본다.
, 1983). 이 연구에서 개발한 장치에서는 빗면을 굴러 내려오는 공이 빗면의 아래에 도달했을 때 속력은 원판이 회전하지 않는 경우, 역학적 에너지 보존법칙으로부터 #이 되므로 공을 놓는 지점의 연직 높이 H를 변화시킴으로서 공의 속력을 변화시킬 수 있다.
이 연구에서는 6종의 7차 교육과정 지구과학II 교과서에 제시된 전향력 실험 장치 중에서 현재 학교 현장에 공급되어 교사들이 가장 많이 다루고 있는 평면 회전원판을 이용한 한 종류의 실험 결과만을 비교하여 분석하였다. 개발한 실험 장치도 평면 회전 원판을 이용하였다.
현재 생산하고 있는 장치는 장치6이며, 다른 종류의 실험 장치들은 현재 생산이 중단된 상태이므로 실험기구를 유통 하는 교구상사를 통해서는 구입할 수 없다. 이 연구에서는 가장 많은 교과서에 제시되어 있고, 일선 학교의 전향력 실험 장치로 공급되어 가장 많이 사용 되고 있는 회전원판 위에서 구슬을 굴리는 장치6에 대해서만 분석하였다.
대상 데이터
이 연구에서는 6종의 7차 교육과정 지구과학II 교과서에 제시된 전향력 실험 장치 중에서 현재 학교 현장에 공급되어 교사들이 가장 많이 다루고 있는 평면 회전원판을 이용한 한 종류의 실험 결과만을 비교하여 분석하였다. 개발한 실험 장치도 평면 회전 원판을 이용하였다. 따라서 장치의 제한점으로 Minnix and Carpenter(1983)가 지적한 것처럼 평면 회전원판에서는 마찰력과 구슬의 회전 각운동량의 영향도 동시에 작용함으로 순수하게 전향력만의 효과를 얻을 수 없다는 것이다.
성능/효과
이러한 문제점을 해결하는 방안으로, 새로운 전향력 실험 장치를 개발하였다. 개선한 실험 장치는 빗면과 구슬이 회전하고 있는 원판 위에서 원판과 함께 회전하다가 구슬이 저절로 굴러지게 되므로 전향력의 효과를 설명할 수 있었다. 기존의 장치에 비해서 새로운 장치는 다음과 같은 장점이 있다.
넷째, 교과서에 제시된 전향력 실험 장치에서는 구슬을 굴릴 때 구슬이 원판에 닿는 순간 위에서 아래로 찍히게 되어 구슬이 잠시 그 자리에서 맴돌다가 회전하므로 구슬의 출발점이 원판의 중심축에서 왼쪽으로 이동하게 되는데, 이것은 전향력에 의한 효과라고 할 수 없다. 그러나 개발한 실험 장치에서는 출발 지점에서부터 정확하게 시계방향으로 휘어지는 전향력의 효과를 바르게 나타낼 수 있었다.
1b와 같이 공이 가장자리에서 중심선을 따라 출발하여 오른쪽으로 휘어지는데, 장치6을 사용하면 이와는 다른 결과가 얻어져서 지구 위에서 일어나는 대기나 해수의 순환운동을 설명하는 데는 적합하지 않다. 그러나 본 연구에서 개발한 실험 장치로 , 교과서의 장치6과 동일한 속력으로 원판을 반시계방향으로 회전시킨 후, 가장자리에서 중심으로 구슬을 굴리면, 전향력을 받아서 Fig. 6b의 ⓒ와 같이 구슬의 궤적이 출발 지점에서부터 시계방향으로 휘어지는 올바른 실험 결과를 얻을 수 있다.
넷째, 교과서에 제시된 전향력 실험 장치에서는 구슬을 굴릴 때 구슬이 원판에 닿는 순간 위에서 아래로 찍히게 되어 구슬이 잠시 그 자리에서 맴돌다가 회전하므로 구슬의 출발점이 원판의 중심축에서 왼쪽으로 이동하게 되는데, 이것은 전향력에 의한 효과라고 할 수 없다. 그러나 개발한 실험 장치에서는 출발 지점에서부터 정확하게 시계방향으로 휘어지는 전향력의 효과를 바르게 나타낼 수 있었다.
다섯째, 교과서의 장치는 구슬을 원판의 가장자리에서만 굴리도록 되어있으나, 개발한 장치는 원판의 가장자리와 중심에서 모두 굴릴 수 있으므로, 가장자리로 구슬을 굴렸을 때의 전향력 효과도 확인할 수 있다.
둘째, 교과서 실험장치의 결과는 공이 가장자리에서 원반의 중심을 지나 다시 가장자리를 향하는 궤적을 나타내어, 전향력의 효과가 적도지방에서 극지방을 통과하여 반대편 적도지방 사이에서 나타나는 현상으로 오해할 소지가 있으나, 개발한 장치는 전향력의 효과가 가장자리와 중심 사이에서 나타나므로, 실제 지구상의 무역풍, 편서풍, 극동풍, 또는 쿠로시오 해류를 비롯한 지형류의 흐름이 적도지방과 극지방 사이에서 시계방향으로 휘어져 나타남을 쉽게 이해할 수 있다.
그러나 원판을 지구에 사상(mapping)시켜 원판 위에 나타난 운동하는 공의 궤적으로부터 지구에서 일어나는 전향력 현상들을 설명하기에는 다음과 같은 문제점이 있다. 먼저, 지구 위에서 나타나는 전향력의 크기는 위도에 따라서 달라질 수 있으나 원판 위에서 구르는 공에 작용하는 전향력의 크기는 일정하다. 예를 들어, 물체가 북극을 향하여 운동하는 경우, 위도φ인 지점에서 전향력의 크기는 #가 된다.
셋째, 교과서에 제시된 전향력 실험 장치에서는 구슬을 원판의 가장자리에서 중심으로 굴릴 경우, 원반의 회전속력이 빠를 때는 구슬에 작용하는 원심력에 의해서 구슬이 원판의 중심으로 굴러가지 못하고 되돌아 나오게 되어 실험을 할 수 없다. 그러나 개발한 장치는 그러한 문제점을 일으키지 않았으며, 구슬의 궤적이 시계방향으로 휘어지는 전향력 효과를 바르게 나타낼 수 있다.
여섯째, 교과서에 제시된 전향력 실험 장치는 빗면의 길이가 짧아 구슬의 속력을 변화시킬 수 없고, 원판의 속력만 바꿀 수 있다. 그러나 지구의 자전속력이 일정하기 때문에 원판의 속력을 변화시키는 것보다는 구슬의 속력을 변화시키는 것이 전향력 개념을 이해하는데 더 도움이 된다.
첫째, 지구에서 나타나는 전향력 현상은 자전하고 있는 지구의 대기나 해양이 지구의 자전에 의해서 지구 위의 관측자가 보기에 그 순환 방향이 휘어져 보이게 된다. 교과서에 제시된 실험 장치에는 빗면과 구슬이 회전원판 밖에 설치되어 있어 이 장치를 이용한 실험 결과로는 지구 밖에서 날아 들어오는 유성의 운동과 같이 지구와 함께 자전하지 않는 물체의 운동은 바르게 설명할 수 있으나 전향력에 의해서 지구 위에서 일어나는 현상을 설명하는 데는 한계가 있다.
후속연구
지구 위에서 일반적으로 나타나는 전향력 현상은 지구 표면에서 대기나 해수가 지구의 자전에 의해서 지구 위의 관측자가 보기에 그 흐름의 방향이 휘어져 보이는 현상이다. 그러나 교과서에 제시된 실험 장치에서는 굴림대와 구슬이 자전하고 있는 원판과는 무관하게 원판 밖에 설치되어 있어 마치 지구 밖의 유성이 갑자기 지구 대기권으로 끌려 들어와 떨어지듯이 구슬이 원판 위에 굴러 들어오게 되므로 실험을 통해서 학생들에게 대기나 해수의 흐름의 방향을 바꾸는 전향력의 개념을 설명하기에는 한계가 있다. 또한 지구 위에서 발생하는 전향력 현상은 주로 적도지방과 극지방 사이에서 나타나는데 반해서 교과서 실험장치의 결과는 가장자리에서 원판의 중심을 지나 다시 가장자리를 향하는 궤적을 나타내어 결국 전향력의 효과가 적도지방에서 극지방을 지나 반대편 적도지방 사이에서 나타나는 현상으로 오해하게 될 우려가 있어 전향력 개념을 이해하기에 어려움이 따른다.
고태식(2002)의 과학고등학교 학생들을 대상으로 전향력에 대한 학생들의 이해도를 분석한 연구논문에서 전향력 개념에 대한 이해도가 낮았던 이유 중에는 교과서 실험의 실험도구 및 실험과정에 문제점이 포함된 이유도 있었다고 하였다. 따라서 전향력 개념을 보다 쉽고 정확하게 이해시킬 수 있는 본 연구에서 개발한 장치가 교육현장에 적용된다면 전향력으로 나타나는 현상을 보다 쉽게 이해시키게 될 것이다.
이상과 같이, 교과서에 제시된 전향력 실험 장치의 문제점을 개선한 전향력 실험 장치의 개발은 현장의 교사와 학생들이 학교 정규수업시간에 지구과학II 교과서의 전향력 실험을 바르게 할 수 있으므로 전향력이라는 어려운 과학적 개념을 올바르고 쉽게 이해하는데 도움이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Coriolis힘은 언제, 그리고 누구에 의해 처음 설명되었는가?
1835년 프랑스 과학자 Coriolis가 처음으로 설명한 전향력(Coriolis힘이라고도 함)은 지구와 같이 자체 회전축을 중심으로 회전하고 있는 기준계 위에서 운동하는 물체가 받는 관성력이다. 관성기준계에서 어떤 물체의 변위벡터 #을 각속도 #로 회전하는 좌표계 위에서 변위벡터 #로 표현한다면, 관성기준계에서 본 물체의 속력은 #이며, 회전하는 좌표계에서 본 속력은 #로 표현된다.
전향력 개념은 어떤 개념인가?
전향력 개념은 지구과학 교과 내용 중에 지구 자전에 의한 대기와 해수의 순환 방향을 이해하는데 있어서 필수적인 개념이다(Ross, 1995). 지구과학에서 전향력 개념의 중요성은 크지만, 학생들이 개념화하기에 어려워하는 영역 중 하나이다(고태식, 2002).
지구과학에서 전향력 개념이 중요함에도 학생들이 어려워하는 영역인 이유는 무엇인가?
지구과학에서 전향력 개념의 중요성은 크지만, 학생들이 개념화하기에 어려워하는 영역 중 하나이다(고태식, 2002). 그이유는 전향력은 지구 자전의 영향이 충분히 미칠수 있는 시간적·공간적 규모가 큰 고기압, 저기압, 태풍, 대기 대순환처럼 종관규모 이상의 큰 대기의 운동이나 지형류를 비롯한 큰 해류의 운동에서 나타나므로 자연 현상에서 직접 관측하거나 경험해 볼수 없기 때문이다. 더구나, 7차 교육과정의 지구과학 II 교과서의 전향력 개념을 설명하는 그림이나 전향력 실험 장치에는 부족한 점이 많아서 학생들이 전향력 개념을 학습하기에 어려워하고 있다.
참고문헌 (22)
고태식, 2002, 전향력에 대한 과학고등학교 학생들의 이해도 분석. 한국교원대학교 석사학위논문, 74 p
경재복, 윤일희, 이경훈, 김기룡, 황원기, 이기영, 2007, 고등학교 지구과학II. 중앙교육진흥연구소, 서울, 347 p
김은주, 2004, 고등학생들의 창의성 신장을 위한 전향력 수업프로그램 개발과 효과. 경북대학교 석사학위논문, 95 p
김은주, 2005, 새로운 전향력 실험 장치 제작지도. 제27회 전국학생과학발명품경진대회 지도논문, 25 p
김희수, 정남식, 신동원, 박정웅, 이정식, 박용선, 한홍열, 2007, 고등학교 지구과학II. 천재교육, 서울, 367 p
박금홍, 구양삼, 최병순, 신애경, 이국행, 고석범, 2005, 중학생들의 끓는점 학습에서 컴퓨터를 기반으로 하는 실험 수업의 효과. 한국과학교육학회지, 25, 867-872
박승재, 조희형, 1995, 과학학습지도: 계획과 방법. 교육과학사, 서울, 624 p
성연욱, 구자옥, 이기영, 2005, 고등학교 지구과학II 해설서. 두산동아, 서울, 74 p
이규석, 이창진, 김정률, 이용준, 강진철, 김재현, 2003, 고등학교 지구과학II. 대한교과서, 서울, 153 p
이문원, 전성용, 권석민, 진만식, 신석주, 임부철, 2004, 고등학교 지구과학II. 금성출판사, 서울, 121 p
이시우, 안병호, 1997, 태양계천문학. 서울대학교출판부, 서울, 596 p
최진호, 2004, 회전원반을 이용한 전향력 실험방법 개선. 한국교원대학교 석사학위논문, 137 p
한국기상학회, 2002, 대기과학 개론, 시그마프레스, 서울, 405 p
허창회, 박병훈, 정성표, 김병국, 2003, 고등학교 지구과학 II. 지학사, 서울, 150 p
황성원 역, 2001, 과학실험실습교육 주장과 비판. 시그마프레스, 서울, 358 p
Cole, F.W., 1980, Introduction to meteorology (3rd ed.). John Wiley and Sons, NY, USA, 505 p
Miller, A., Thompson, J.C., Peterson, R.E., and Haragan, D.R., 1983, Elements of meteorology (4th ed.). Charles E. Merril Publishing Company, Columbus, 417 p
Minnix, R.B. and Carpenter, D.R.Jr., 1983, Apparatus for teaching physics. The Physics Teacher, 21, 618-620
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