분야
hwp1. 단원의 개관
이 단원은 생활 속의 간단한 도구를 이용하여 힘의 작용 원리를 이해하는 데 목적이 있다. 지레와 도르래의 원리를 알고, 도구를 사용할 때 편리한 점을 알아본다. 물체를 들어올릴 때 지레를 이용하면 작은 힘으로도 물체를 들어올릴 수 있는 지레의 원리를 알고 실생활에서 지레가 사용되는 예를 찾도록 한다. 고정 도르래와 움직 도르래로 물체를 들어올릴 때 필요한 힘의 크기가 다름을 알고, 실생활에서 고정 도르래와 움직 도르래가 사용되는 예를 찾을 수 있도록 하며, 이와 같은 도구를 사용하면 어떤 점이 편리한지 조사하도록 한다. 심화과정에서는 빗면과 축바퀴 등의 여러 다른 도구를 이용하여 적은 힘으로도 물체를 들어올릴 수 있음을 알고, 그 예를 조사하도록 한다.
2. 단원의 학습 계열
선수 학습
이 단원의 학습
후속 학습
수평잡기(4-1)
편리한 도구
힘(7학년)
수평의 원리
무게 어림
▶ 움직 도르래를 여러 개 연결했을 때의 모습
http://210.90.173.1/hs9310/science/WEB/ch1/image/pic057.GIF
소 주 제
⑥ 빗면과 축바퀴(심화)
학습목표
빗면을 이용하면 작은 힘으로 쉽게 옮길 수 있다는 점을 안다.
축바쿠의 원리를 이해하고, 생활 속에서 이것이 적용된 예를 설명할 수 있다.
1) 빗면의 이용
- 빗면을 이용하는 사례 : 학교 등교 비탈길, 에스컬레이터, 미끄럼틀, 등산로, 자동차 주차장으로 가는 길, 산에 난 오르막 도로, 나사못, 송곳, 쐐기, 칼날이나 도끼날
- 빗면에서의 힘의 측정 : 빗면의 경사도가 낮을수록 힘이 적게 든다.
2) 축바퀴의 이용
- 야구 방망이를 양쪽에서 잡고 반대 방향으로 돌리기
- 축바퀴의 예 : 드라이버, 코르크 따개, 문의 손잡이, 송곳, 스패너, 자전거의 페달
3) 축바퀴를 지레의 원리로 설명하기
힘을 주는 부분은 축의 중심에서 멀리 덜어져 있고, 힘이 작용하는 부분은 축의 중심에서 가깝기 때문에 지레의 원리에 따라 큰 힘을 낼 수 있다.
받침점 : 축, 작용점 : 작은 바퀴, 힘점 : 큰 바퀴
▶ 빗면에서의 일
물체를 직접 들어올리는 일과 빗면에서의 일의 양은 같다.
빗면의 원리 : F × s = w × h
힘 : F = h/s × W = sinθ × W
일의 이득은 없으나, 힘의 이득이 있다.
▶ 축바퀴에서의 일
큰 바퀴에서의 일과 작은 바퀴에서의 일의 양은 같다.
축바퀴의 원리 : F × a = W × b
힘 : F = b/a × W
일의 이득은 없으나 힘의 이득이 있다.
소 주 제
⑦ 물건 옮기기 경기 해보기
학습목표
배운 도구의 원리를 적용할 수 있다.
경기의 규칙을 결정할 때 합리적 의사 결정과 의사 소통을 할 줄 안다.
규칙에 맞는 가장 바람직한 방법을 제시할 수 있다.
1) 경기 규칙 정하기
- 경기 1.
사용하는 도구 : 빗면, 고정도르래
운반할 것 : 달걀
임무 : 가장 작은 힘을 들여 달걀을 높이 50cm까지 안전하게 운반하기
규칙 : 칼, 자, 두꺼운 종이, 빨대, 끈을 이용하여 운반 장치를 만들고 이것에 달걀을 싣고 빗면과 고정 도르래를 반드시 사용하여 놓은 곳으로 운반한다.
- 경기 2.
사용하는 도구 : 도구 단원에서 사용했던 모든 도구 중 선택
운반 : 될 수 있는 대로 무거운 추
임무 : 100g 추가 떨어지는 힘을 이용하여 무거운 추 움직이기
2) 규칙에 알맞은 장치 고안하기
3) 장치 제작하기
4) 장치에 적용된 원리 설명하기
▶ 아르키메데스의 이야기
그리스의 수학자, 과학자 그리고 발명가인 아르키메데스와 관련된 여러 가지 흥미 있는 이야기들이 전해져 오고 있습니다.
‘내가 설 수 있는 자리가 있고, 또 나에게 충분히 큰 지렛대가 있다면 나는 지구를 들어올릴 수 있다’라고 친구들에게 입버릇처럼 말하였습니다.
어느 날 왕은 그를 불러 놓고 증명해 보이도록 하였습니다. 왕의 명령이 떨어지자 아르키메데스는 해안에 정박해 있는 배를 선택하였습니다. 배를 선택한 이유는 지구를 들어 보이기에 충분한 지렛대가 없었기 때문이었습니다.
우선 긴 밧줄을 준비하고는 밧줄의 한쪽 끝을 배에 묶고 다시 이것을 도르래에 걸었습니다. 그런 다음에 도르래에 걸린 다른 쪽 밧줄을 손으로 잡고서 멀리 떨어진 모래밭에 앉았습니다.
이를 보기 위해 모여든 많은 사람들은 숨을 죽이며 아르키메데스를 지켜보았습니다. 어떤 결과가 일어났을까요? 아르키메데스는 큰 힘을 들이지 않고 밧줄을 잡아당기는 것 같았는데 배는 그가 않아 있는 곳으로 끌려오는 것이었습니다. 이 광경을 지켜보던 사람들은 너무나도 놀란 나머지 아무 말도 하지 못하고 그저 멍하니 바라만 보았습니다.
수백 명이 움직여도 움직일까 말까한 큰배를 단 한사람이, 그것도 큰 힘을 들이지도 않고 움직이게 하니 도저히 이해하기 힘든 광경을 두 눈으로 똑똑히 보았기 때문입니다. 주변에서는 함성이 터져 나왔습니다.
“이것은 기적이야! 아르키메데스는 신이 우리에게 내려준 선물이야!”
▶ 거중기
거중기는 1792년, 정양용이 31세 때 수원성을 쌓는 사업을 지휘하면서 직접 만든 것이다. 이것은 17세기 초 중국에 와 있던 서양인 쟌 슈레크가 중국어로 번역한 『기기도설』이라는 각종 기계에 대한 해설한 책을 참고로 만든 것인데, 많은 점에서 정약용이 독창성을 발휘하고 개선한 것이다. 이 거중기를 써서 건설 경비를 4만냥이나 절약하였고, 노동자 두 사람이 약 10톤 또는 그 이상의 무거운 자재를 높은 곳으로 운반할 수 있었다고 한다.
거중기의 구조는 위아래에 바퀴 여덟 개의 겹 도르래가 있고, 좌우로는 북과 고패(높은 곳에 물건을 올리고 내릴 때 걸치는 작은 바퀴나 고리) 및 십자궐(십자형의 말뚝)로 구성된 거(종이나 북 등을 거는 틀) 가 있었다. 그리고 겹도르래의 좌우 끝으로부터 끈이 북과 고패에 연결되어 십자궐을 돌리면 고패도 돌아 겹 도르래가 무거운 짐을 올리게 되어 있었다.
▶ 거중기와 수원성에 관한 참고 사이트
http://user.chollian.net/~kkhksl/sc0.html
첨성대, 자격루, 측우기, 거중기, 혼천의 등의 내용이 자세히 소개되어 있다.
http://www.hitel.net/~chamchi/private/t_txt03.htm
수원성의 유래와 수원성의 축조 과정등이 수록되어 있다.
▶ 피라미드
피라미드는 고대 이집트 왕들의 무덤으로 건축되었는데, 고대 이집트인들은 죽은 뒤에도 또 다른 세상이 있을 것이라고 믿었기 때문에 왕들이 죽으면 살아 있을 때와 마찬가지로 많을 것들을 필요할 것이라고 믿어, 죽은 왕과 함께 보석들을 같이 묻었다.
가장 크고 인상적인 피라미드는 기자에 있는 대피라미드이다. 쿠푸 왕을 위해 기원전 2580년에 완성된 이 피라미드는 수 천명의 사람들이 동원되어 약 20년에 걸쳐 건축되었다. 대피라미드의 높이는 약137미터이고, 밑 부분 바닥의 길이는 230미터로서 축구장 2개의 길이보다 길다고 할 수 있다. 이 피라미드는 평균 2.5톤(2500킬로그램)이나 되는 네모난 돌이 약200만개가 모여서 만들어졌다.
그렇다면 이렇게 무거운 돌을 어떻게 쌓았을까? 피라미드 건설 당시 이집트인은 수레나 말을 이용한 운반법을 알지 못하였다. 거대한 피라미드는 지레나 굴림대를 제외하면 오로지 사람의 힘에만 의지하여 작업이 이루어졌다고 할 수 있다. 피라미드는 여러 단계를 걸쳐 건축되었는데, 일단 기초가 놓이게 되면 거대한 돌을 사용하여 벽을 쌓았는데, 이때 사용되는 돌은 멀리 채석장에서부터 운반해 왔다. 채석장에서 피라미드까지 돌을 나르는 데에는 운반용 수레가 사용되지 않고 큰 통나무인 굴림대라는 것을 이용해 건축장 근처까지 끌고 갔던 것이다.
피라미드를 쌓는데 가장 큰 문제는 무거운 돌을 필요한 높이까지 운반하는 것이었다. 이를 위해서 피라미드 옆면에 자갈과 흙으로 된 경사진 길을 만들어 돌을 운반하였는데, 운반된 돌은 나무로 된 긴 장대로 들어서 제자리에 놓았다. 피라미드가 높아짐에 따라 경사로도 높아졌는데, 이 경우 경사로의 기울기는 일정해야 하므로 길이는 점차 길어졌다. 정상까지 다 쌓고 나면 위에서부터 외장을 완공시켜가면서 서서히 경사로를 없애면서 피라미드를 완성하는 방법을 택하였다.
이처럼 아주 옛날부터 우리 생활에 지레와 빗면의 원리가 응용되었다니 놀랍지 않은가?
