본교육자료는일본우주항공개발기구 (JAXA) 우주교육센터에서개발한항공우주교육자료를한국항공우주연구원에서번역 / 편집한교육자료입니다. 지구과학

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1 본교육자료는일본우주항공개발기구 (JAXA) 우주교육센터에서개발한항공우주교육자료를한국항공우주연구원에서번역 / 편집한교육자료입니다. 지구과학

2 지구과학 1. 대기압을경험해보자! 화산재에대해공부해보자! 문양을가지고놀아보자 입체적인 3D사진을만들자 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! -입체시장치 ( 스테레오뷰어 ) 핀홀카메라를만들자 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! -안경망원경 가족들을위한우주학교별들의움직임을관찰해보자 달에정말토끼가살까? 달의상을관찰해보자 물속에있는물체가어떻게보이는지알아보자 갖가지스펙트럼을관찰하자! -CD 분광기 매일바뀌는하늘의색 62

3 지구과학 01 대기압을경험해보자! 목표 1 지구와달을비교해보고지구의대기가인산의삶에어떤영향을미치는지배운다. 2 공기와대기압의무게의다양한영향을공부하고대기압이얼마나큰지에대한감각을익힌다. 활동 1. 지표에서 400km떨어진곳에서찍은지구와카구야위성에서찍은달의사진을보여주고차이점에대해토의해보자. 2. 공기가무게를가지고있는지실험을해보자. 3. 대기압이얼마나센지느껴보자. 대기과학 - 학습지도안 공기를둘러싸고있는대기의초기구성물들은질소, 산소, 수증기였다. 우주의관점에서보면대기는매우얇은층이다. 그러나대기는자외선과유성을막아주고일교차를완화해주고, 대류전류와관련된날씨를변화시킬뿐만아니라여러가지다른현상들도발생시킨다. 이얇은공기층이행성에서자라고있는생명들에있어아주중요한역할을하고있다. 학습지도안 지구의사진과위성에서찍은달의사진을보고무엇을알았는지에대해서로공유하게한다. 지구의경계는흐릿하지만달의경계는선명하게보인다. 지표위에는구름이있고달표면에는분화구가있다. 지구는공기로둘러싸여있다. 지구와비교하면대기층의두께는얇다. 지구의생물들은이층안에살고있다. 빈플라스틱병과빈스프레이캔의무게를재고공기를채운후의무게와비교해보자. 익숙한재료들을이용해대기압이얼마나센지느껴보게한다. 위에손잡이가있는두꺼운고무판을책상위에놓고그들이아무리힘을써도들어올릴수없는것을보여주기위해학생들에게그것을들어올려보게한다. 대기압의크기에대한간단한예로증명되었다. 빈캔과빈플라스틱병속에뜨거운물을조금넣고흔들고식으면서얼마나쭈그러드는지를관찰하자. 우주와달에서는압력이 0인진공상태를설명하고진공상태에서일어나는현상들에대해서이야기해보자. 03

4 대기압을경험해보자! - 지구과학 01 대기압은어떻게공부해야할까? 1 빈스프레이에공기를넣는다. 2 무게를측정한다. 1 빈플라스틱병에공기를넣는다. 2 무게를측정한다. 고무판을들어보고대기압을느껴보자. 알루미늄병에뜨거운물을채우고뚜껑을닫고흔들어보자. 식으면서찌그러진다. 04

5 지구과학 02 화산재에대해공부해보자! 목표 1 토양과우리들의관계에대해생각해보게하자. 2 화산재를관찰함으로써지구를구성하고있는물질에대해서배운다. 활동 1. 하야부사소행성탐사우주선과이토카와소행성에대한사진을보여준다. 2. 토양을공부함으로써우리가지구의역사를배울수있음을설명해준다. 3. 지구내부에서분출된화산분출물을관찰해보자. 토양과모래의과학 - 학습지도안 태양계에는세가지형태의행성이있는데주로암석으로구성된지구형행성, 주로수소나헬륨같은가스로구성된목성형행성과주로얼음으로구성된천왕성형행성이있다. 바위, 모래와지구표면의또다른측면을화성과달과같은비슷한행성의표면의사진과비교하면우주의관점에서지구상의토양과모래를볼수있고차이점과공통점을찾을수있을것이다. 학습지도안 1 소행성이토카와와지구의모양과표면을비교해보자. 2 현재지구의상태를설명해준다. 3 지구에서의삶에필수적인토양에대해서설명해준다. 4 지질학적층 ( 암석, 화석, 화산재등 ) 에대해서공부함으로써우리가지구의역사를배울수있음을설명해준다. 5 화산재를관찰하게한다. 6 컵에화산재를담고물을조금씩넣으면서화산재에포함된광물을추출해낸다. 7 돋보기나현미경을이요해서광물을관찰한다. 8 화산재에포함된광물의유형과그들의특징을설명한다. 9 화산재는지구내부의마그마로부터만들어졌고, 이광물들은지구를구성하고있다는것을설명한다. 05

6 화산재에대해공부해보자! - 지구과학 02 화산재는어떻게공부할까? 1 화산재를컵에담고물을조금넣는다. 도쿄에있는화산석층 2 엄지로문지르면서닦아낸다. 3 물이맑아질때까지반복하고알갱이를거름종이로걸러말린다. 4 모양과색깔에촛점을맞춰작은알갱이를관찰한다. 도쿄에있는화산석층 06

7 지구과학 03 문양을가지고놀아보자. 누가더빠를까? Snip, snip Fold Snip Fold 정말빠르네요! 완성! 에도시대의스텐실패턴을사용해서순식간에멋진문양을만들어보자. 목표 스텐실과문양을이용해서자연에존재하는기하학적패턴에대해알고, 단순한모양의반복으로만들어지는다양한아름다운문양을거울을통해경험해보자. 07

8 문양을가지고놀아보자. - 지구과학 03 재미있게잘라보자. 아름다운문양을만들기위해서스텐실을따라서접은종이를잘라보자. 필요한것 종이 가위 풀 스텐실복사본 거울두개 칼 고무판 1 단계 종이를반으로접는다. Stensil pattern 2 단계 스텐실을복사하자. 3 단계 한쪽을반으로접는다. 그리고종이를뒤집어서접는다. 풀을이용해서스텐실복사본을접은종이위에붙인다. 그림을따라서자른다. 그리고접힌종이를펴보세요! 패턴이만들어졌어요. 08

9 문양을가지고놀아보자. - 지구과학 03 그림들을오렸을때어떤모양일지상상해보자! 자르기전에모양을미리아는방법은없을까? Triple diamonds Woodsorrel Triplet Snowflake Seven stars Design your own! Mirror 좋아하는모양을만들어서자르기전에미리어떤모양이나올지거울로알아보자. 이곳에두개의거울을두세요. 거울로보이는모습이그모양이에요. 종이가비어있는곳에거울을세우면거울로보이는모양이원래여러분이디자인한모양과같게되죠. 09

10 문양을가지고놀아보자. - 지구과학 03 에도시대에가장인기있던것중하나는스텐실을이용해서흥미롭고독특한모양을만드는것이었다. 스텐실로패턴을만드는것은요즘에도많은사람이즐겨하는것이기도하다. 요즘사용되는패턴중에몇몇은바람개비와닻같이사람이만든것이지만대부분은식물과나비그리고눈결정과같이자연적으로나타나는형상들을본떠서만든것이다. 꽃의구조를보면백합, 튤립과같은외떡잎식물은잎과줄기가 3의배수로자란다. 벚꽃, 딸기와같은쌍떡잎식물은잎과줄기가 5의배수로자라는반면유채꽃과무는 4의배수로자란다. 자연계의많은것들은기본모양의배수로이루어져있다. 전통적인문양들은자연계를아주깊이관찰한사람들의생각으로부터유래했다고해도틀리지않는다. 과일의단면과같은것들과잎의모양, 성게, 불가사리는기본적인모양을갖고있다. 아래에있는사진들에두개의거울을놓고기본적인모양을찾아보자. 자연에서같은모양이반복되어하나의모양을이루는것을많이찾아볼수있을것이다. 자연에서같은모양이반복되어하나의모양을이루는것을많이찾아볼수있을거에요. 10

11 지구과학 04 입체적인 3D 사진을만들자. 먼저손을얼굴앞으로내밀고왼쪽눈, 오른쪽눈으로번갈아서봐봐. 보이는부분이다르지? 실은양쪽눈으로보기때문에입체적으로볼수있는거야 목표 스텐실과문양을이용해서자연에존재하는기하학적패턴에대해알고, 단순한모양의반복으로만들어지는다양한아름다운문양을거울을통해경험해보자. 해설 어떻게물체는입체로보이는걸까? 손을들어얼굴앞에둔뒤, 오른쪽눈으로만또는왼쪽눈으로만보게되면, 보이는부분이미묘하게다르다는걸알수있습니다. 이차이를시차 ( 視差 ) 라고합니다. 시차가일어나는것은우리들의양쪽눈이 5~7cm 정도떨어져있기때문입니다. 우리들의뇌는이좌우가다른화상에서길이, 깊이를읽어내어, 2개의화상을뇌속에서하나로합성하기때문에물체를입체적으로볼수있는것입니다. 어떻게평면인 3D사진을입체적으로볼수있는걸까? 여기에서만든 3D사진은좌우눈이보는각각의모습을비춘것입니다. 이인공적으로만든시차의화상을양쪽눈으로볼때, 우리들의뇌는평면을입체로느낄수있는것입니다. 이와같은입체시각은평행법이라고합니다. 다른방법으로는붉고푸른필름을붙인안경으로보는보색법이라는방법도있습니다. 11

12 입체적인 3D사진을만들자. - 지구과학 04 3D 사진을만들자 왼쪽눈과오른쪽눈, 각눈의위치에서본사진을찍자. 준비물 모조지 ( 길이 50cm이상인것 ) 자 디지털카메라 목표물 ( 마음에드는물건 ) 돋보기 (2개) 셀로판테이프 디지털비디오테이프케이스 약 5cm 약 5cm 1 눈의거리를잰다. 2 그림과같이, 종이에파란선을긋고눈간격부분에표시 ( ) 를한다. 3 중심에서수직으로약 50cm 길이의초록색선을긋고, 목표물을둔다. 4 표시 ( ) 를한좌우각각의위치에서, 디지털카메라로목표물을촬영한다. 5 사진을프린터로인쇄하고목표물을중심으로 5X3.5cm 정도크기로잘라낸다. 거울 얼굴에자를대고눈동자와눈동자사이의거리를재자. 나는 6cm 정도구나. 모조지 표시가카메라정중앙에오도록렌즈의방향은빨간선과직각이되게카메라를놓고촬영한다. 50cm ( 이하로한다 ) 화면의정중앙에빨간선이온다. 눈사이의거리 사진은좌우로각도를조금씩다르게할수있어. 혹시디지털카메라를가지고있지않다면이사진을사용해보자. 좌 우 12

13 입체적인 3D사진을만들자. - 지구과학 04 왼쪽눈과오른쪽눈, 각눈의위치에서본사진을찍자. 1 아래사진처럼케이스에돋보기를셀로판테이프로붙인다. 2 돋보기를통해사진을보면서좌우눈을교대로감아본다. 각각의사진이같은위치가되도록세팅한다. 세팅이되면, 양쪽눈을동시에떠보자! 이럴수가!!! 입체적으로보인다 ~~ 셀로판테이프로돋보기를케이스에붙인다. 13

14 05 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! { 입체시장치 ( 스테레오뷰어 )} 지구과학 목표 디지털카메라를이용함에따라, 누구라도간단하게입체사진을즐길수있게되었습니다. 입체사진은비행기나위성에서지상을입체적으로관찰하는것으로, 각종삼차원정보를얻기위해서도이용되고있습니다. 뷰어를만들어입체사진에도전합시다. 대상학년 초등학교저학년이상 소요시간 2~3 시간 공작에쓸재료 [ 렌즈 ] 렌즈 2개본문에서사용한렌즈는이과교재회사에서입수한것입니다. 이렌즈의초점거리 150mm에맞춘스테레오뷰어본체의사이즈를그림본으로나타냈지만, 혹입수한렌즈의초점거리가다르다면그에맞춰대지의축척을바꿔뷰어를제작하십시오. 단, 천원마트등에서판매하는돋보기는초점거리가극단적으로짧기때문에부적격합니다. ( 본교재에서사용한렌즈 / 초점거리 : 150mm, 렌즈지름 : 43mm) 14

15 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! - 입체시장치 ( 스테레오뷰어 ) - 지구과학 05 공작에쓸재료 [ 렌즈이외의재료 공구등 ] 재료 두께 0.5~0.7mm의두꺼운도화지, 20 15cm와 8 12cm를각각 1장씩 렌즈고정용지 ( 복사용지정도 ) 공구 가위 커터칼 풀 커터매트촬영 인쇄용구 PC 프린터 줄자 디지털카메라 <1> 입체시장치만들기 1 그림본 ( 가 ),( 나 ) 를표기되어있는치수에맞도록두꺼운도화지에확대복사합니다. 그림본의두께는 0.5~0.7mm가적당합니다. 너무두꺼우면커터칼로오릴때에시간이걸립니다. 2 렌즈고정용지 2장은일반적인복사용지정도두께의종이에복사하여오려냅니다. 3 그림본 ( 가 ) 를바깥쪽으로접는위치에서직각으로구부려접은뒤, 칼자국에그림본 ( 나 ) 의 A와 B 를끼워넣습니다. 4 렌즈를고정합니다. 그림본 ( 가 ) 의도려낸구멍중심과렌즈의중심이맞게끔놓고, 위에서렌즈고정용지를풀로붙입니다. 렌즈를붙이는것은그림본의바깥쪽, 안쪽어느쪽이든상관없지만안쪽에서붙이면마무리가깔끔합니다. 입체로보이는원리인간의눈은물체를입체로인식할수있습니다. 눈앞에있는물체는오른쪽눈과왼쪽눈에서상이다릅니다. 그차이에의해물체의안길이를인식할수있습니다. 그림1과같이왼쪽눈으로점1을, 오른쪽눈으로점2를보면 A에점이있는것처럼보입니다. 비슷하게점2와점3을보면 B에점이있는것처럼보입니다. 점1, 2, 3의간격차이가점A와점B의안길이차이가됩니다. 안길이 스테레오뷰어의역할입체사진은좌우 2장의사진을맨눈으로입체시를하는것입니다. 스테레오뷰어는오른쪽눈용으로촬영한사진과왼쪽눈용사진을격리하여렌즈를통해보는것인데, 안길이의차이가보다커짐과동시에입체감이강조됩니다. 눈의초점을맞추는보조역할도합니다. 보는방향 15

16 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! - 입체시장치 ( 스테레오뷰어 ) - 지구과학 05 그림본 ( 가 ) 칼자국 렌즈구멍오려내기 렌즈구멍오려내기 바깥쪽으로접기 오려내기 바깥쪽으로접기 칼자국 ( 단위 : mm) 16

17 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! - 입체시장치 ( 스테레오뷰어 ) - 지구과학 05 그림본 ( 나 ) ( 단위 : mm) 렌즈고정용지 오려내기 오려내기 ( 단위 : mm) 17

18 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! - 입체시장치 ( 스테레오뷰어 ) - 지구과학 05 <2> 입체시실험 1 왼쪽눈용과오른쪽눈용, 2장의사진을준비입체시에사용할사진은디지털카메라 1대로도, 2대로도촬영하는것이가능합니다. 1대인경우에는아래그림을참고로촬영간격을고려하여카메라를수평이동해주십시오. 사진은적당한크기로 ( 가로나비 70~80mm, 왼쪽눈용 과 오른쪽눈용 간격 3mm) 프린트합니다. 그리고스테레오뷰어를사용하여 2장의사진 왼쪽눈용 과 오른쪽눈용 을좌우에두고 (2페이지사진참조 ) 들여다보십시오. 사진의예 왼쪽눈용 오른쪽눈용 2 피사체까지의거리와카메라의간격카메라와피사체의거리를보고카메라간격을조정합니다. 개인마다느끼는것이다르므로초등학생에게는대강이지만간단한수치로, 거리 Y를 50으로나눈수치를카메라간격 X로합니다. 이것은양쪽눈간격의 50배정도되는위치에물체가있게끔보이도록하는것을의미합니다. 예를들어양쪽눈의간격이 10cm라하면물체는 5m 앞에있게끔보이도록하는것입니다. 따라서 50m 떨어진피사체를촬영한다고치면, 카메라사이의간격 X는 1m 떨어트려놓은상태입니다. (X:Y를대략 1:50으로한다.) 물체 X =? Y = 50m 카메라의이동거리 X = = 1m 물체까지의거리 Y = 50m 50m 18

19 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! - 입체시장치 ( 스테레오뷰어 ) - 지구과학과학상식 05 3 높은곳에서지상을촬영처음엔근거리에서시작해수치를바꿔멀리까지찍어봅니다. 지상에큰타깃을설치하여 2층, 3층창가나옥상에서찍기도하고, 연에카메라를달아서촬영하는등높은곳에서지상을촬영할연구를해봅시다. 피사체가복잡한형상을하고있을수록입체감을더욱잘느낄수있습니다. 4 입체영상비디오카메라를 2대준비하여, 2대로동시에동영상을찍으면위와같은실험이가능합니다. 렌즈의초점거리등을잘맞춰최적의조건을찾아봅시다. 5 개인차가있다포인트는피사체까지의거리와디지털카메라의간격입니다. 또, 사람에따라서뷰어를들여다볼때, 좀처럼입체로보이지않는사람이있습니다. 특히작은아이들 ( 눈과눈사이간격이좁다 ) 의경우에는보는방법을연구하도록지도해주십시오. 약시등의경우에는원래입체적으로보이지않을가능성도있습니다. 입체적으로보이지않는다고해서아이들이열등감을가지지않도록배려할필요가있습니다. 생각하자, 체험하자. 1 디지털카메라와입체사진입체사진의역사는오래되었고카메라나렌즈에다양한연구를한제품들이있었지만, 현상하고나서야비로소성공했는지아닌지가판명되는, 시간이걸리는시스템이었다. 최근에디지털카메라가등장함에따라, 현상 프린트라는과정이매우간단히할수있게되었다. 똑같은디지털카메라를 2대사용하면프린트아웃하지않아도즐길수있다. 2 지구와의관계입체지도 ( 사진 ) 작성의목적은지구상의화재나지진 홍수대책 농지이용계획 항공기의안전운항등이일반적이지만, 그외에등산루트검토 ( 거리, 시간 전개도작성등 ) 를위해지표면모습의차이 ( 울퉁불퉁한바위산인지조릿대숲인지, 삼림이나그그늘에있는지형 ) 를판별하거나등산로의발견을하거나하는등다양한목적으로도이용된다. 입체정보에서는종래의이차원적인지형정보에높이정보가더해짐에따라, 유체에관한이동분석이정확해져, 고등선에의지하는방법보다직접적인측정과해상도를얻을수있다. 따라서특히화재대책을위한이용이클것이라생각되며, 지금까지의실례로서도용암류나토석류, 과거의분화이력이나하천의흔적조사, 앞으로의분화와거기에따른위험구역상정등화산사방계획입안에는지금필수라생각된다. 생활에밀접한것으로는관광안내지도, 현지조사나지형판독, 토지조사 설계, 공공사업설명자료, 아파트건설의경관시뮬레이션, 도시재생이나자동차내비게이션등에이용할수있을것이다. 19

20 입체시의원리를알고입체사진을즐기자! - 입체시장치 ( 스테레오뷰어 ) - 지구과학 05 3 우주개발에서의이용우주개발에의응용으로는 하야부사 에탑재된탐사로봇인 미네르바 를들수있다. 미네르바 에는스테레오카메라가탑재되어있어, 착륙이성공한다면마치 이토카와 표면에있는듯현장감넘치는입체사진을볼수있을것이다. 2006년 1월 24일에발사된 다이치 에는입체카메라 전정색성입체시센서 (PRISM)' 가있어, 이카메라가취득한지형의삼차원정보가여러가지로이용되고있다. 또, 2007년에발사된 ' 가구야 ' 에는지형카메라가탑재되어있어, 이로촬영한사진으로달표면의입체사진을만들었다. 안전대책 1 뷰어본체에렌즈를설치하기위해서두꺼운종이를둥글게오려야한다. 처음하는사람은몸과커터칼을모두움직이면서자르는경우가있다. 밑바닥이잘미끄러지는소재일때는종이를누르고있는쪽손가락을벨염려가있기때문에, 이경우에는될수있는한커터칼은고정시키고선을따라종이를잘움직이도록지도하자. 2 볼록렌즈를사용할때는렌즈너머로절대태양을보지않도록지도한다. 3 태양광이직접닿는장소에스테레오뷰어를방치하면초점거리에의해빛이모여화재를일으킬우려가있다. 렌즈의성질과그위험성을충분히이해시키자. 키워드 입체시, 입체사진, 양안시차, 렌즈, 스테레오뷰어 20

21 지구과학 06 핀홀카메라를만들자 우와 대단하다 나도핀홀카메라만들래 ~~ 이럴수가!!! 상자에구멍하나뚫었을뿐인데... 풍경이거꾸로보여 ~ 게다가컬러네 목표 핀홀카메라를만들어관찰하고핀홀 ( 작은구멍 ) 을통과하는빛의진행방향을안다. 해설 어두운방에난작은구멍에햇빛이들어오면, 벽에상하좌우가거꾸로된풍경이비치는것은옛날부터 알려진사실입니다. 왜이런현상이일어나는걸까요? 빛은똑바로나아가는성질을가지고있어, 햇빛이물체에닿으면반사된빛은다양한방향으로나아갑 니다. 그림을봐주세요. 집의지붕에부딪힌햇빛은다양한방향으로반사되지만, 스크린 그일부는작은구멍 ( 핀홀 ) 을통해스 빛 크린의아래쪽에닿습니다. 똑같이, 집의바닥쪽에부딪혀반사된 빛의일부는스크린위쪽에, 집의오른 핀홀 쪽에부딪혀반사된빛의일부는스크린의좌측에, 집의왼쪽에서반사된빛의일부는스크린의우측에닿습니다. 상은작게맺힌다 상은크게맺힌다 이런이유로스크린에는상하좌우가거꾸로된집이비춰지는것입니다. 스크린에비친것을상이라부르 지만, 구멍에서멀리있는스크린에맺힌상은커져서밝기는어두워집니다. 상자를까맣게칠하거나모서리에검은테이프를붙인것은구멍이외의곳에서빛이들어오지못하도록 하기위해서입니다. 종이가얇으면표면에서빛을통과시킬우려가있습니다. 21

22 핀홀카메라를만들자 - 지구과학 06 핀홀카메라를만들자 준비물 공작용종이 가위 연필 바늘 풀 검정비닐테이프 ( 또는검정검테이프 ) 먹물또는검정물감 트레싱지 1 안에들어갈상자를만들자. 공작용종이를다음과같이자른다. 0.3cm 풀칠할부분 1.0cm 0.3cm 0.5 cm 한쪽 ( 칠하기쉬운면 ) 을까맣게칠한다. 17 cm 풀칠할부분 4.9cm 4.9cm 5.0cm 5.0cm 5.0cm 풀칠할부분이안쪽으로가도록조립한다. 까맣게칠한면을안쪽으로해서상자를조립한다. 풀 트레싱지를붙인다. ( 여기가스크린이돼서풍경이비칠거야!) 빛이들어오지못하게검정비닐테이프를모서리에붙인다. 22

23 핀홀카메라를만들자 - 지구과학 06 2 겉상자를만들자. 공작용종이를다음과같이자른다. 바늘로구멍을뚫는다.( 약 1mm) 풀칠할부분 0.3cm 풀칠할부분이안쪽이되도록조립한다. 1.0cm 5.2 cm 15 cm 풀칠할부분 5.2cm 5.2cm 5.2cm 5.2cm 5.2cm 상자를조립한다. 3 안상자를겉상자안에넣으면완성! 풍경을봐보자 얼굴을안상자에딱맞추고밝은쪽을보는거야 ~ 풍경이어떻게보였어? 안상자를앞뒤로움직이면풍경의크기나밝기가어떻게바뀔까? 멋지다 23

24 07 지구과학 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 목표 손쉽게구할수있는저렴한가격의볼록렌즈 ( 노안경과돋보기 ) 나오목렌즈 ( 유리컵의바닥 ) 를사용하여, 갈릴레오식망원경과케플러식망원경을만들고, 그차이를확인합니다. 노안경의도수를바꾸면망원경의초점거리를바꿀수있기때문에, 초점거리에따라배율이어떻게바뀌는지를계산으로구하고, 실제로관찰한후비교해봅니다. 망원경의기본을알고, 천체관측에깊은관심을가집니다. 대상학년 초등학교 3,4 학년이상 소요시간 2~3 시간 24

25 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 <1> 공작에쓸재료 공구 준비물 [ 망원경재료 ] 노안경 ( 도수 +2.0, +2.5, +3.0) 1000원마트등에서도수가다른노안경을구합니다. 되도록렌즈가큰것을고릅니다. 안경다리는정밀드라이버를사용해떼어냅니다. 유리컵 ( 바닥이오목렌즈형으로되어있는것. 별로지름이크지않은것이공작하기쉽다.) 오목렌즈는모눈종이에맞추면오른쪽사진처럼보입니다. 유리컵바닥은모양이없고평평한, 되도록깨끗한오목렌즈로되어있는것을찾습니다. 또오목렌즈의패인부분이너무큰것은관찰하기어렵기때문에피합니다. 돋보기 ( 배율 3배정도인것, 3개 ) 돋보기 3개중 2개는겹쳐서셀로판테이프로붙여사용합니다. 2개의렌즈가평행이되도록, 손잡이가부딪치는경우에는위치를조금옮겨붙입니다. 종이통 ( 감자칩통등 ) 가위 칼라마분지 ( 뒷면에모눈이있음 ) 커터칼 화선지 커터매트 ( 또는골판지같은보호판 ) 도수 +2.0, +2.5, +3.0 의노안경 [ 공구 도구 ] 셀로판테이프 형광등등의광원 비닐테이프 줄자 스테이플러 정밀드라이버 유성펜 ( 검정 ) 25

26 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 <2> 렌즈만으로망원경을체험 처음부터통이달린망원경을만드는것이아니라대물렌즈와접안렌즈만을사용하여풍경등을관찰하고, 갈릴레오식망원경과케플러식망원경의차이를비교해봅니다. 초점맞추기는대물렌즈와접안렌즈의거리를바꿔서합니다. 1 유리컵바닥 ( 오목렌즈 ) 으로노안경 ( 볼록렌즈 ) 을본다.( 갈릴레오식망원경 ) 경치는똑바로보입니다.( 정립상 ) 나중에볼케플러식과비교하면시야가좁은것을알수있습니다. 2 2개를겹친돋보기 ( 볼록렌즈 ) 로노안경 ( 볼록렌즈 ) 을본다.( 케플러식망원경 ) 경치는거꾸로보입니다.( 도립상 ) 갈릴레오식에비해시야가넓은것을알수있습니다. <3> 초점거리와배율을구한다. 케플러식망원경에서대물렌즈와접안렌즈의초점거리를측정하고, 그수치로망원경의배율을구합니다. 그후, 실제로경치를관찰하고배율에따라보이는모습이바뀌는것을확인해봅니다. 1 대물렌즈의초점거리를구한다. 전등이나태양광을이용하여대물렌즈 ( 노안경 +2.0, +2.5, +3.0) 와접안렌즈 ( 돋보기한개, 돋보기두개겹친것 ) 의초점거리를구합니다. 측정값이나계산으로구한수치를 12페이지의워크시트에씁니다. 26

27 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 -전등을이용하는경우- 전등의빛을렌즈를통해흰종이에투영시킵니다. 렌즈의위치를조절하면사진과같이전등의상이선명하게나타나는위치가있습니다. 이때의 전등과렌즈의거리 와 렌즈와상의거리 를재면, 렌즈의초점거리를구할수있습니다. 실제로할때는그림처럼천장의형광등빛을바닥에놓인흰종이에투영시키는것이하기쉽겠죠. 렌즈의위치를위아래로움직여서, 전등의상이백지에확실히나타날때의전등과렌즈까지의거리 (a) 와렌즈에서상까지의거리 (b) 를측정합니다. 렌즈의초점거리 (f) 는아래의식으로구할수있습니다 = + f a b 안경렌즈한쪽은손으로가려서숨깁니다. -태양광을이용하는경우- 태양광을이용하는경우에는위식의 a가무한대가되기때문에아래식이됩니다. 1 1 = f b 즉, 태양광이초점에모인때의렌즈와초점의거리가그대로초점거리가되는것입니다. 주의태양광을이용해측정하는경우에는렌즈로태양을보지않도록합니다. 또, 렌즈로태양빛을모을때는고온이됩니다. 화상을입거나불이날우려가있기때문에충분히주의를기울입니다. 초점 27

28 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 2 대물렌즈와접안렌즈로얻어진배율을계산한다. 배율은아래식으로구할수있습니다. 배율 = 대물렌즈의초점거리 접안렌즈의초점거리대물렌즈 ( 노안경 +2.0, +2.5, +3.0) 와접안렌즈 ( 돋보기한개, 돋보기두개를겹친것 ) 모두를조합하여얻어진배율을계산하여 12페이지의워크시트에쓰게합니다. 3 구한배율과보이는모습을비교해보자실제로대물렌즈와접안렌즈를사용해 3페이지의 2처럼하여경치를관찰합니다. 보이는모습을계산으로구한비율의수치와비교해봅니다. <4> 통을달아서망원경을만든다. 이번엔렌즈를경통에설치하여망원경을만듭니다. 사용할렌즈로초점이맞는거리를조사하고, 그것에맞는길이의경통을만듭니다. 통내부에화선지를붙이면경통안의난반사가줄고, 매우관찰하기쉬워집니다. 1 초점이맞는렌즈거리를잰다. 대물렌즈와접안렌즈를써서먼경치를관찰하고, 초점이맞을때의대물렌즈와접안렌즈거리 (X 1 ) 를잽니다. -갈릴레오식망원경의경우- X 1 -케플러식망원경의경우- 대물렌즈인노안경은 +2.0이라면경통이너무길어지기때문에, +2.5나 +3.0이만들기쉽겠지요. 접안렌즈인돋보기는 2개를겹친것을사용합니다. X 1 28

29 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 2 대물렌즈경통을만든다감자칩통등을이용해대물렌즈경통을만듭니다. 뚜껑에노안경렌즈크기보다작은둘레의구멍을뚫습니다. 뚜껑안쪽은유성펜으로까맣게칠합니다. 바깥쪽에노안경을붙입니다. 통은바닥을잘라내어안에검정용지를붙입니다. 노안경을붙인뚜껑을설치합니다. 3 접안렌즈경통을만든다 렌즈보다작은구멍 안쪽에노안경을붙인다 안쪽을유성펜으로까맣게칠한다검정도화지나칼라마분지를써서접안렌즈경통을만듭니다. 대물렌즈의경통길이 (X 2 ) 와접안렌즈의경통길이 (X 3 ) 의합계가 1에서잰 X 1 보다 10~15cm정도길어지도록, 접안렌즈의경통길이 (X 3 ) 를정합니다. -갈릴레오식의경우- X 2 + X 3 가 X 1 보다 10~15cm 길게만든다. X 2 X 3 노안경을붙인뚜껑검정도화지를붙인다. 29

30 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 -케플러식의경우- X 2 + X 3 가 X 1 보다 10~15cm 길게만든다. 렌즈보다작은구멍 X 2 X 3 안쪽에노안경을붙인다 -갈릴레오식접안렌즈경통만들기방법의예- 검정도화지로대물렌즈경통에딱맞게들어가는굵기의통을만듭니다. 접안렌즈인컵주변에칼라마분지를말아검정도화지로만든통과같은굵기로만듭니다. 셀로판테이프로컵, 칼라마분지, 검정도화지를고정합니다. 셀로판테이프컵 검정도화지통 칼라마분지 -케플러식접안렌즈경통만들기방법의예- 대물렌즈경통에딱맞게들어가는굵기로칼라마분지를말아스테이플러와비닐테이프로고정하여통을만듭니다. 칼라마분지에 7cm정도의칼집을내어 2개를겹친돋보기를셀로판테이프나비닐테이프로고정합니다. 칼라마분지안에검정도화지를둥글게말아넣어안쪽이까맣게되게합니다. ( 검정색칼라마분지가있지만, 광택이있어빛을난반사하기때문에망원경공작에는적합하지않습니다.) 칼라마분지로말아만든통 칼집 ( 약 7cm 정도 ) 2 개를겹친돋보기 접안렌즈와경통의고정방법은컵이나돋보기의지름, 모양에따라다릅니다. 연구해서만듭니다. 30

31 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 4 망원경완성대물렌즈경통에접안렌즈경통을넣어망원경을완성합니다. 관찰할물체까지의거리나개인차에따라서도초점이맞는위치가바뀌기때문에, 접안렌즈경통을앞뒤로움직여초점을맞춥니다.( 가까이있는물체를보기에는적당하지않습니다.) 갈릴레오식망원경 케플러식망원경 접안렌즈경통을앞뒤로움직여초점을맞춘다. 접안렌즈경통을앞뒤로움직여초점을맞춘다. <5> 천체망원경의종류와구조 천체관측회등에서잘볼수있는, 일반적으로판매되고있는천체망원경의종류와기본적인구조를봐봅니다. 천체망원경은크게나누면 굴절망원경 과 반사망원경 의 2개로나눌수있습니다. -굴절망원경- 굴절망원경은렌즈를써서빛을모으는망원경입니다. 위에서만들었던안경망원경으로실험한갈릴레오식이나케플러식은둘다굴절망원경입니다. 갈릴레오식의구조는오페라를보는쌍안경등에는사용되지만, 현재천체망원경에는사용되고있지않습니다. 일반적으로굴절망원경은기본적으로는케플러식과같이대물렌즈와접안렌즈에볼록렌즈를사용하고있습니다. 그때문에, 안경망원경과같이거꾸로된상 ( 도립상 ) 으로천체를관측합니다. 상이안정되어있으며다루기쉬운것이특징입니다. 대부분의굴절망원경은대물렌즈에굴절률이다른두개의렌즈를사용하여색수차 ( 빛의색에따라굴절의각도가다르기때문에일어나는빛의번짐 ) 를억제합니다. 대물렌즈 접안렌즈 실제접안렌즈에는여러개의렌즈가조합되어있습니다. 31

32 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 -반사망원경- 반사망원경은오목거울을사용하여빛을모으는망원경입니다. 거울로빛을모으기때문에색수차가일어나지않는것이특징이며, 거울을사용하기때문에구경이큰망원경을비교적용이하게만들수있습니다. 일반적으로쓰이는반사망원경에는뉴턴식과카세그레인식이있습니다. 뉴턴식반사망원경 사경 카세그레인식반사망원경보정판이나보정렌즈를사용한다양한타입이있다 주경 대물렌즈 주경 부경 접안렌즈 실제접안렌즈에는여러개의렌즈가조합되어있습니다. -망원경의성능- 망원경의성능은유효지름 ( 구경 ), 초점거리, 구경비등의숫자로표기됩니다. 유효지름 ( 구경 )(mm) : 대물렌즈나주경의실제로사용되는부분의지름. 초점거리 (mm) : 대물렌즈나주경의초점거리 구경비 : 대물렌즈나주경의초점거리를유효지름우르나눈수치로, 예를들어초점거리가 600mm, 유효지름이 80mm인경우, 1:7.5 또는 F7.5로나타냅니다. 이수치가작을수록선명한상을얻을수있습니다. 배율 : 배율은 [ 대물렌즈나주경의초점거리 ] [ 접안렌즈의초점거리 ] 로계산됩니다. 굴절망원경의예 대물렌즈 유효지름 : 90mm 초점거리 : 500mm 구경비 : F5.6 여기를돌려접안렌즈를앞뒤로움직여초점을맞춘다. 접안렌즈 32

33 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 뉴턴식반사망원경의예 유효지름 : 200mm 초점거리 : 800mm 구경비 : F4 사경 여기를돌려접안렌즈를앞뒤로움직여초점을맞춘다. 정말요? 왜요? 주경 접안렌즈 <6> 천체망원경의역사 리페르스하이가발명한망원경을자작한갈릴레이 1608년, 네덜란드의렌즈장인리페르스하이는망원경을발명했습니다. 1609년, 이탈리아의과학자갈릴레오 갈릴레이는이이야기를듣고스스로망원경을만들어달, 목성, 토성등의천체를관측했습니다. 이망원경은대물렌즈에볼록렌즈, 접안렌즈에오목렌즈를사용한것으로갈릴레오 ( 갈릴레이 ) 식망원경이라불리게되었습니다. 갈릴레오식에비해넓은시야를가진케플러식 1611년, 독일의천문학자케플러가대물렌즈, 접안렌즈둘다볼록렌즈를사용한망원경을만들었습니다. 이망원경은도립상 ( 거꾸로맺히는상 ) 이보이지만천체관측은도립상이어도지장이없고, 갈릴레오식에비해시야가훨씬넓어집니다. 천제관측에는이쪽이쓰이게되었습니다. 뉴턴이만든 반사망원경 갈릴레오식, 케플러식은 굴절망원경 이라불리지만, 렌즈를사용하기때문에색수차 ( 색이번지거나, 색가장자리만빛깔이다른현상 ) 가생깁니다. 이문제를해결한것이, 대물렌즈대신에오목거울을사용한 반사망원경 입니다. 반사망원경의원리는 1661년에영국의수학자 천문학자인그레고리에의해발명되었지만, 뉴턴이만든것이유명하기때문에뉴턴식반사망원경이라불립니다. 반사망원경에는뉴턴식외에카세그레인식, 쿠데식등이있으며현재천체관측에서활약하고있는대형망원경은전부반사망원경입니다. 33

34 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 전파망원경우주의다양한천체는빛뿐만이아니라전파등도발하고있습니다. 이러한전파를조사하는것으로보통망원경에서는보이지않는천체나우주의모습을알수있습니다. 1931년, 미국벨연구소의무선기술자칼잰스키가전파를방사하는천체가있다는것을발견하여, 1940년경부터천체관측에쓰이게되었습니다. 지구밖에서오는전파를수신하는장치를 전파망원경 이라합니다. 망원경을우주로지상에설치된망원경으로관측을할때는지구를뒤덮고있는공기의영향을받을수밖에없습니다. 이문제를해결할방법으로서, 공기가없는우주공간에망원경이나그밖의관측장치를실은위성을쏘아올려, 보다자세히천체를관측하게되었습니다. 이러한관측장치로가장유명한것이미국의허블우주망원경 (HST) 입니다. HST는지상약 600km 상공궤도위를돌면서, 지름 2.4m의주경 ( 대물경 ) 을가진반사망원경으로우주를관측하고있습니다. HST는촬영한천체의사진이나관측한데이터를지상에보내연구자에게제공합니다. 지구를도는궤도상에서우주를관측하는 HST 사진은 NASA 제공 생각하자, 체험하자 1 안경망원경으로경치를보는것뿐만아니라, 밤이나낮의달표면을관측하자. ( 대낮에상공을관측할때는태양을보지않도록특히주의!) 달표면의관측에는갈릴레오식보다케플러식쪽이적당합니다. 천체관측은경치를보는것에비해대상물을시계에도입하기어렵기때문에, 망원경을든팔꿈치를책상이나책등에고정하거나, 삼각대를사용하거나하여망원경이흔들리지않게연구합니다. 2 이교재에서는도구에비용이들지않도록천원마트등에서구할수있는렌즈를사용한망원경만들기를소개했습니다. 여유가있다면교재판매점이나렌즈메이커에서적당한렌즈를갖춰실험하는것도좋겠지요. 정밀도가좋은렌즈를사용하면천체관측을할때보다큰만족감을얻을수있을것입니다. 34

35 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 3 안경망원경으로는달이외의천체관측은어렵기때문에안경망원경실험과공작후에, 본격적인천체망원경을써서천체관측회를할기회를갖고싶을것입니다. 스스로만든안경망원경과본격적인천체망원경이기본적으로같은구조를가진것을이해할수있다면, 천체관측에보다깊은관심을가질수있을것입니다. 4 전국각지에천문대 ( 나천체관측시설을가진과학관 ) 가있습니다. 그천문대들이어떠한망원경을쓰고있는지인터넷으로조사해봅니다. 근처의천문대에서관측회나시설견학회가있으면, 대형망원경실물도접해봅니다. 안전대책 1 렌즈나조립한망원경으로절대태양을보지않도록지도합니다. 실명할위험이있습니다. 2 망원경을옥외에서사용할때나, 망원경으로창밖을관찰할때는주변주택을배려하여함부로집안을보지않도록합니다. 3 커터칼을쓰는작업이있습니다. 다치지않도록주의해서작업할수있게합니다. 4 컵이나렌즈를깨트리지않도록주의합니다. 금이가있거나이가빠진컵, 렌즈는사용하지않도록지도합니다. 키워드 망원경, 초점거리, 대물렌즈, 접안렌즈, 구경, 갈릴레오식, 케플러식 35

36 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 워크시트 (1) 이름 렌즈의초점거리를재고, 배율을구하여실제로관측해봅니다. 1 렌즈의초점거리를구한다. 전등이나태양빛을이용해대물렌즈 ( 노안경 +2.0, +2.5, +3.0) 와접안렌즈 ( 돋보기한개, 돋보기두개를겹친것 ) 의초점거리를구하고기입합니다. 태양광을사용해측정할경우에는 a와 b는측정하지않고직접 f를측정합니다. a ( 광원에서렌즈까의거리 ) 를측정한다 b ( 렌즈에서상까지의거리 ) 를측정한다 f ( 초점거리 ) 1/f=1/a+1/b 로구한다 돋보기한개 mm mm mm 돋보기두개를겹친것 mm mm mm 노안경 +2.0도 mm mm mm 노안경 +2.5도 mm mm mm 노안경 +3.0도 mm mm mm 2 대물렌즈와접안렌즈로얻어진배율을계산한다. 배율은아래식으로구할수있습니다. 배율 =[ 대물렌즈의초점거리 ] [ 접안렌즈의초점거리 ] 대물렌즈 ( 노안경 +2.0, +2.5, +3.0) 와접안렌즈 ( 돋보기한개, 돋보기 2개를겹친것 ) 의모든조합으로얻어진배율을계산합니다. 대물렌즈 접안렌즈 돋보기한개의초점거리 = mm 두개겹친돋보기의초점거리 = mm 노안경 (+2.0 도 ) 의초점거리 = mm 노안경 (+2.0 도 ) 의초점거리 = mm 노안경 (+2.0 도 ) 의초점거리 = mm 배 배 배 배 배 배 36

37 초점거리를바꿔, 갈릴레오식망원경, 케플러식망원경을만들자! - 안경망원경 - 지구과학 07 워크시트 (2) 이름 3 구한배율과실제로보이는모습을비교해보자. 망원경을사용하여관찰한것을스케치합니다. 사용한대물렌즈, 접안렌즈의초점거리도기입합니다. 대물렌즈의초점거리 : 접안렌즈의초점거리 : mm mm 대물렌즈의초점거리 : 접안렌즈의초점거리 : mm mm 대물렌즈의초점거리 : 접안렌즈의초점거리 : mm mm 대물렌즈의초점거리 : 접안렌즈의초점거리 : mm mm [ 깨달은점 ] 37

38 08 가족들을위한우주학교별들의움직임을관찰해보자. 지구과학 저것이오리온이란다. 어디요? 목표 밤하늘에오리온이나다른별자리를찾아보고각별의색깔과밝기뿐만아니라운동의규칙성의규칙성을관찰하면서우주에대한흥미를길러보자. 38

39 가족들을위한우주학교별들의움직임을관찰해보자. - 지구과학 08 오리온을찾아보자. 1 단계 오리온자리를찾아보자. 겨울하늘에서가장친숙한별자리중하나인오리온을찾아보자. 도시에서도찾기가쉬워요. 오리온은사자가죽과짐을옮기는사냥꾼이었어요. 하늘의별들은매우알아보기편한패턴을형성하고있다. 고대사람들은별자리를만들기위해선으로별을연결하고이를설명하기위해이야기를생각했다. 2 단계 오리온에있는별들의색깔을살펴보자. 오리온자리중가장밝은두개의별은그의오른쪽어깨에있는베텔기우스와왼쪽발에있는리겔이에요. 두별모두 1 광도에해당해요. 자세히보면다른색깔을띄고있는데. 어떤색깔인가요? 별의이름 베텔기우스 리겔 별의색깔 39

40 가족들을위한우주학교별들의움직임을관찰해보자. - 지구과학 08 오리온의움직임을관찰하자. 1 단계 빌딩이나나무같은기준을정하고다음과같이기준과오리온의위치의모습을그린다. 2 단계 2시간정도기다리고또다른오리온그림을그린다. 오리온의위치가어떻게바뀌었을까? 모양도바뀌었을까? 다른별자리의움직임도살펴보자. 오리온이움직였어요! 40

41 가족들을위한우주학교별들의움직임을관찰해보자. - 지구과학 08 별들의색깔이다른이유가뭘까요? 밤하늘에별자리를이루고있는별들은태양처럼스스로빛을낸다. 사실태양도하나의별이다. 별의색깔은그자체표면의온도에따라서달라지기때문에별마다각각다른색을갖게된다. 붉은색으로보이는별들은상대적으로낮은온도의별이고밝은푸른빛이도는흰색으로보이는별들은상대적으로높은온도의별이다. 별의색깔 표면온도 ( ) 별의이름 별의색깔 표면온도 별의이름 청백색 10,000 이상 리겔 노란빛을띤흰색 ~ 노란색 5,000~4,100 밝은청백색 10,000~7,000 노란빛을띤주황색 4,100~3,600 백색 ~ 밝은노란색 7,000~5,000 태양 주황색 ~ 빨간색 3,600 이하 베텔기우스 별자리가이용하는이유가뭘까요? 마치태양처럼오리온은동쪽에서떠서남쪽하늘을지나서쪽하늘로진다. 이와같은겉보기운동은지구의축을중심으로서쪽에서동쪽으로회전하는지구의자전때문에일어나는현상이다. 오리온도매일조금씩서쪽으로움직인다. 이겉보기운동은지구가공전궤도를따라태양의주위를돌기때문에일어나는현상이다. Orbital revolution Axial rotation Earth Sun Orion 41

42 지구과학 09 달에정말토끼가살까? 표면에무늬를볼수있어. 오늘은보름달이네. 달에토끼가떡을만들고있다는얘기를들은적이있어. 고대시대에일본사람들은토끼를보고, 외국사람들은게를봤다는이야기가있어. 더많은것을알아보자. 목표 달과밤하늘더욱친숙해짐으로써우주에대한관심의첫걸음을떼보자. 우주에서본지구가어떻게생겼는지경험할수있다. 42

43 달에정말토끼가살까? - 지구과학 09 사람들이달의무늬를어떻게생각하는지에대해조사를했어요! 아라비아반도 ( 사자 ) 캐나다원주민 ( 물옮기는여자 ) 북아메리카 ( 책읽는여자 ) 남유럽 ( 게 ) 동유럽 ( 머리긴여자 ) 모두다른것을보네요. 저는개구리를보았어요. 여러분은어떤가요. 오른쪽사진에그림을그려보세요. 우리모두다른것을보았지만달의무늬는어디서든똑같네! 우리가어디에있든지우리는지구에서달의반대편을볼수없다는뜻이지. 달의반대편을보고싶어. 43

44 달에정말토끼가살까? - 지구과학 09 달에서본지구의무늬는어떨까? 달궤도위성카구야에서찍은세가지사진이있다. 각사진의무늬와표면이다다르네. 저기호주가있어. 아라비아반도와인도와같은유라시아대륙도볼수있어. 엄청예쁘다. 더잘보려면책을거꾸로돌리면돼. 지구에서달반대편의무늬를볼수없는이유는뭘까? 지구의어느곳에있던지항상달의같은모습을볼수있다. 하지만달궤도위성에서찍은사진은계속변한다. 우리는왜지구반대편을볼수없는것일까? 이주제에대해서조사하고그이유를생각해보자. 44

45 달에정말토끼가살까? - 지구과학 09 달에사는토끼에대한전설 달의표면과어둡고밝은무늬들은지구어디서든똑같이보인다. 그러나사람들이상상하는것들은제각각이다. 달에사는토끼에대한전설은콘자쿠모노가타리슈라는일본의전설들을모은책에서유래했다. 이야기중하나는이렇게시작한다. 아주옛날인도에토끼, 여우그리고원숭이이렇게세가지동물이있었다. 그리고굶주린마을사람들을위해자신을희생한, 달에전체크기의초상화로그고귀한죽음에대한보상을받은토끼에대해서이야기한다. 전기가없던시절에사람들은밤에달을올려다보며아이들에게달에사는토끼에대해이야기했을거란걸상상하기는어렵지않다. 달을보자. 아마도그렇게보일것이다. 달의토끼는예전에물이있었을것이라고생각되고다음과같이이름이주어진표면의어두운부분으로구성되어있다. (1) 평온의바다 (2) 비옥의바다 (3) 꿀의바다 (4) 고요한바다 (5) 비의바다 (6) 폭풍의바다 (7) 증기의바다 (8) 추위의바다 (9) 구름의바다 (10) 수분의바다 (11) 위기의바다 (12) 가을의강 바다라고불리는달의어두운부분은실제로내부에서뿜어져나온현무암질용암으로만들어진어마어마하게평평한지역이다. 햇빛을훨씬조금반사하기때문에달의산악지역보다훨씬더어둡게보인다. 비옥의바다와꿀의바다는토끼의귀이고평온의바다는토끼의머리로보인다. 지구의표면은왜그렇게빨리바뀔까? 달궤도위성에서찍은세가지지구의사진을보면우리는지구의표면이각각다르다는것을알수있다. 그것은지구가자전을하기때문이다우리가달에서지구를보게된다면 24시간에한번회전하는것을볼수있을것이다. 우리가지구에서달을볼때우리는오직같은면밖에볼수없다. 이사실을통해우리는달의움직임에대한무엇을알수있을까? 모두가동의하는결론이나올때까지이야기를나눠보자. 45

46 지구과학 10 달의상을관찰해보자. 2~3 일전에는반달이었는데벌써왼쪽이차오르고있어. 접시에물을받고기름이나잉크를천천히물표면에떨어뜨려본다. 그다음손끝에비누를조금뭍혀서물표면에손을올려보자. 달은여러가지모양이있구나. 보름달이되려면얼마나걸릴까? 목표 달의규칙적인상변화를관찰해보고상변화가달과태양의위치관계와관련되어있다는것을배운다. 그리고축소모델을이용해서실험을해보자. 46

47 달의상을관찰해보자. - 지구과학 10 조각을이용해서달의상을관찰해보자. 함께놓으면보름달로보이는 6 조각세트가있어요. 과정 1 : 가위를이용해서오른쪽과같이자른다. 과정 2 : 조각들을사용해서여러분들이관찰한달의모습과비슷하게만들어보자. 내가생각하기에표지에있는달의모습은이런모습일것같아. 2~3 일에한번씩관찰하고관찰한내용을기록해보자. 47

48 달의상을관찰해보자. - 지구과학 10 삭 조각을창문에붙여놓으면실제달의모습과조각의모양을비교하기쉽다. 상현 6 일후엔삭이되겠어. 하현 보름달 ( 망 ) 조각을붙여서달의상변화에대한공책을만들수도있어요. 이중여러분이본것을어떤건가요? 48

49 달에정말토끼가살까? - 지구과학 10 매일변하는달의상을관찰해본적이있나요? 왜보름달동안에우리는달의전체모습을볼수있지만초승달일때는작은은색으로만보이는걸까? 여기이현상을증명하는실험이있다. 그림 1) 조명이스티로폼공의왼쪽을비추고있다. 그림 2) 조명이오른쪽에있을때 그림 3) 보름달모형 그림 4) 초승달모형 1 : 달과태양의위치에각각스티로폼공과빛을놓는다. 조명을끄고어떻게햇빛이한쪽은그늘지게하고한쪽만비추는지관찰해본다. 2 : 빛을스티로폼공의반대쪽으로옮겨본다 ( 오른쪽 ). 그리고빛과그림자가어떻게변했는지살펴보자. 3 : 그림3과같은보름달모형과그림4와같은초승달모형을만들려면조명이어디에위치해야하는지알겠는가? 4 : 달의모형인스티로폼공과태양의대체품인조명의위치를바꾸면모양은어떻게바뀌겠는가? 달의밝은부분은언제나태양을향해있다는것과달의모양이매일변하는것은달과태양의위치가서로서로일정하게변하는것과관련이있다는것을알게되었을것이다. 또한앞으로달은햇빛을반사해서빛난다는것과그것이달의모습이변하는것과도관련이있다는것을배우게될것이다. 우리가하늘을봤을때달과태양이같은위치에있게되면우리는달을볼수없어요. 왜냐하면달의반쪽이지구를향하고있어서햇빛을받아반사할수없기때문이죠. 이러한달의모양을삭이라하고 3 일이지나면초승달이되요. 그리고 15 일이지나면보름달이되죠. 49

50 지구과학 11 물속에있는물체가어떻게보이는지알아보자. 물속에있는빨대가휘어져보여요. 접시에물을받고기름이나잉크를천천히물표면에떨어뜨려본다. 그다음손끝에비누를조금뭍혀서물표면에손을올려보자. 목욕을할때물속에서손을 V 자모양하고쭉뻗어보자. 두실험모두해보자. 어? 손가락이매우짧아보여. I wonder why? 목표 우선물체가물속에있을때달라지는것과물과공기의경계에서물체얼마나다르게보이는지관찰한다. 또한평행한방향과수직한방향중더많이달라보이는방향은어느쪽인지의견을내보자. 50

51 물속에있는물체가어떻게보이는지알아보자. - 지구과학 11 물속에서물체가왜더짧아보이는지그이유를알아보자! 1 단계 연필을이용해서나무젓가락에 1cm 간격으로표시를한다. 필요한것 나무젓가락 고무줄 연필 2단계나무젓가락을반으로자른다. 3단계 고무줄을이용해서두나무젓가락을십자가모양으로만든다. Equal length 4 단계 욕조에서실험을해본다. 나무젓가락하나가수면과평행하게잡는다. 다른나무젓가락은수면과수직이되도록한다. 평범한나무젓가락에있는표시는다르게보이지않아요. 다른나무젓가락은수면과수직이되도록한다. 수직한나무젓가락에있는표시는더짧아보여요. 실험을할때는욕조에비누거품이나다른첨가물을그림을넣지않아야따라서자른다관찰을. 더쉽그리고접힌종이를게할수있어요. 펴면... 보세요! 51

52 물속에있는물체가어떻게보이는지알아보자. - 지구과학 11 동전이물에떠있는것같아요! 1 단계동전을그릇안에놓는다. 필요한것 큰그릇 동전 물 2 단계동전이보이지않도록시선을낮춘다. 동전이보이지않아요. 3 단계그릇에물을채운다. 동전이물에떠있는것같아요. 물의경계에서휘어지는구나 놀라워요! 52

53 물속에있는물체가어떻게보이는지알아보자. - 지구과학 11 물이들어있는컵에빨대를비스듬히넣으면왜휘어져보일까? 그이유는빛은수면을비스듬히통과하거나, 공기에서물로입사되거나, 물에서공기로입사될때굴절되기때문이다. 이러한현상은빛이공기보다물을통과할때더느린속도로통과하기때문이다. 빛은물과공기의경계뿐만아니라공기와유리의경계에서도굴절된다. 빛이굴절하는현상은물속에있는손가락이나젓가락이평소보다짧아보이는이유이고그릇속에동전이떠있는것처럼보이는이유이다. 여기서보면표시가 A 에있는것처럼보여요. Water line 빛의경로가 물의경계에서휘어지는구나 수족관에있는북극곰도휘어져보여요. 동전이떠있는것같아요. 53

54 지구과학 12 갖가지스펙트럼을관찰하자! -CD 분광기 - 목표 CD분광기를사용하여태양이나전등빛을분광하고, 스펙트럼의모습을관찰합니다. 보통흰색으로느끼고있는태양빛에실은많은색의빛이섞여있다는것을알아차리게합니다. 또, 인공빛을사용하여, 전등에따라색의성분이다르다는것을깨닫게합니다. 빛을분광하고빛의성분을조사하는것은천체관측의경우어떠한의미를가지는가를해설하여학생들이천문학의세계에관심을가질수있도록합니다. 대상학년 초등학교저학년이상 소요시간 1~2 시간 54

55 갖가지스펙트럼을관찰하자! - CD 분광기 - 지구과학 12 <1> 재료나공구준비 공작에쓸재료나공구등 [CD분광기재료 ] CD 형광등 검정도화지 ( 빛이비치지않고, 질긴검정종이 ) 백열등 텔레비전이나컴퓨터모니터 [ 공구등 ] 커터칼 커터매트 ( 또는골판지같은보호판 ) 가위 스테이플러 셀로판테이프 <2> CD 분광기조립 1 아래분광기본을복사 ( 혹은프린트아웃 ) 합니다. 바깥으로접는선 안쪽으로접는선 절취선 1 접는선들을볼펜으로덧긋는다. 3 창을뚫는다. 2 틈 ( 슬릿 ) 을낸다. 4 절취선을자른다. 55

56 갖가지스펙트럼을관찰하자! - CD 분광기 - 지구과학 바로위에서본모습 삼각형모양의칼집을 CD 가장자리에맞춘다. 2 종이본을검정도화지에스테이플러로고정시킵니다. 3 파선을볼펜으로덧그려, 접는선을표시합니다. ( 종이본1) 4 슬릿을커터칼로잘라뚫습니다. ( 종이본2) 5 창문을커터칼로잘라뚫습니다. ( 종이본3) 6 절취선을커터칼로자릅니다. ( 종이본4) 7 종이본의 바깥으로접는선, 안으로접는선 지시대로접고, 2군데를셀로판테이프로고정시킵니다. 틈이벌어지면쓸모없는빛이들어오기때문에, 틈이벌어지지않도록주의합니다. 8 분광기를 CD에올립니다. 분광기삼각부분의칼자국을 CD가장자리에맞춥니다. 분광기아래의틈새에서빛이들어오지않도록양면테이프등으로고정시키거나, 관찰할때손으로꽉누르도록합니다. 56

57 갖가지스펙트럼을관찰하자! - CD 분광기 - 지구과학 12 <3> 태양빛을관찰하자 태양빛을분광해서스펙트럼을관찰합니다. 태양빛은하늘에보이는무지개같은색으로나눌수있습니다. 평소에는흰색으로느끼고있는태양빛속에, 실은여러색이섞여있다는것을알수있습니다. 태양빛을분광할때는슬릿을직접태양에향하게하는것이아니라, 태양이없는쪽의하늘을향해관찰합니다. 맑게갠하늘이아니라구름낀하늘이어도너무어둡지만않으면관찰할수있습니다. CD분광기는슬릿을점광원에직접향하게하여관찰하면그점이반사하는부분의빛만이강해져서, 깨끗한스펙트럼을관찰할수없습니다. 태양빛의스펙트럼 <4> 전등이나텔레비전빛을관찰하자 전등이나텔레비전화면등인공의빛을분광하여, 광원에따라빛의성분이다른모습을관찰하자. 전등이나텔레비전화면의빛을분광할경우에는, 될수있는한슬릿을광원에가까이대서, 점 이아니라 면 으로빛나고있는형태로하면깨끗한스펙트럼을관찰할수있습니다. 백열등의스펙트럼 형광등의스펙트럼 1 백열등관찰백열등빛을분광하면, 태양빛처럼매끈한그러데이션의스펙트럼을볼수있습니다. 2 형광등관찰형광등빛에서는몇줄인가밝게빛나는선을볼수있습니다. 이것을 휘선 이라부릅니다. (6페이지 1 참조 ) 57

58 갖가지스펙트럼을관찰하자! - CD 분광기 - 지구과학 12 3 텔레비전이나컴퓨터모니터화면관찰 화면의흰부분을관찰하면화면이빛의삼광원 ( 적, 녹, 청 ) 으로되어있다는것을알수있습니다. 화면안에서여러색을관찰하면, 그 3색빛의강도가바뀌는것을알수있습니다. 브라운관에서하얗게표시되는부분의스펙트럼 참고 CD 로분광할수있는이유 유리나알루미늄등의판에 1mm당수백개에서수분광기천개의좁고긴홈을평행하게균일한간격으로새슬릿깁니다. 그리고여기에백색광을쏘이면그반사광은프리즘을통과한것처럼분리되어무지갯빛의스펙트럼이나타납니다. 이와같은장치를회절격 CD 뒷면자라고합니다. CD의뒷면도딱회절격자처럼 1mm의수백분의 1간격으로 ( 좁고긴홈이아니라 ) 돌출된부분이늘어서있습니다. 이돌출은빛에서는좁고긴홈과같은작용을하기때문에, CD에태양광이나전등의백색광을쏘이면무지갯빛의스펙트럼이나타나는것입니다. 돌출된부분사이의간격은 mm 위의 부분을전자현미경으로보면이와같이동심원형으로 ( 실제는나선형 ) 돌출부분이늘어서있다. 회절격자나 CD로분광할수있는것은빛의간섭 회절이라는현상에의한것입니다. 자세한내용은고등학교물리에서학습합니다. 위와같은패턴을만들면관찰하기쉽다. 58

59 갖가지스펙트럼을관찰하자! - CD 분광기 - 지구과학 12 <5> 천체의관측과분광 1 스펙트럼으로태양이나별이어떤원소로되어있는지를알수있다. 검은선이나타난다. 태양 슬릿 프리즘이나분광기 암선은매우가늘기때문에, CD 분광기나보통프리즘을사용한분광에서는볼수없습니다. 프라운호퍼는태양광속에서 500 줄이상의암선을발견했습니다. 태양빛은 CD분광기나프리즘에서색의띠 ( 스펙트럼 ) 로나눌수있습니다. 이빛의스펙트럼을자세하게조사하면곳곳에서검은선 ( 암선 ) 을찾을수있습니다. 이선은발견한사람인독일의물리학자프라운호퍼 (1787~1826) 의이름을따서, 프라운호퍼선이라불립니다. 이검은선이어째서생기는지프라운호퍼에게는수수께끼였지만, 나중에같은독일의물리학자키르히호프 (1824~1887) 가이유를알아냈습니다. 태양에서방사되는빛이태양표면의기체층을통할때, 거기에있는원자가특정파장빛을흡수합니다. 그리고지구에닿은빛의스펙트럼안에검은선이생기는것입니다. ( 지구상에서관측할경우, 지구의대기에의해흡수된빛의암선도나타납니다.) 한편, 고온의기체가발광할때의스펙트럼에는암선은나타나지않고, 특정파장부분에밝게빛나는선 ( 휘선 ) 이나타납니다. 이것은기체에포함된원자가특정파장빛을발하기때문입니다. 4페이지의형광등스펙트럼에서볼수있는휘선은, 형광등내부의원자가발광해서만들어낸것입니다. 키르히호프는태양광의스펙트럼에생기는암선한개가, 실험실에서나트륨을가열할때나오는휘선과같은위치 ( 파장부분 ) 에나타난다는것을밝혀, 분광에따라태양을구성하는원소의소속을정할수있다는것을보였습니다. 특정원소가만드는암선도휘선도같은파장부분에나타나는것입니다. 태양이외의항성에서온빛에대해서도, 스펙트럼을조사하는것으로그천체의표면에어떠한원자가존재하는지알수있습니다. 스펙트럼의분석은가시광선뿐만이아니라자외선이나적외선, 전파나엑스선등에서도행해져, 어느파장의파가강하게 ( 약하게 ) 되는지를조사해서천체의수수께끼를풀었습니다. 59

60 갖가지스펙트럼을관찰하자! - CD 분광기 - 지구과학 12 2 천문대나탐사기의분광장치천문관측에서는크게나눠두가지의조사방법이있습니다. 하나는항성과성운, 은하등의천체의모습을사진으로찍는 촬상관측, 다른하나는천체에서온빛을분광해서조사하는 분광관측 입니다. 분광관측에의해, 다양한천체가어떠한물질로이루어져있는지, 어떠한형태로있는지를조사할수있습니다. 분광기 ( 분광장치 ) 는천문대뿐만아니라, 우주공간에서천체를관달표면을조사하는가구야의이미지 (JAXA 제공 ) 측하는탐사기에도실려있습니다. 예를들어현재달의주변을돌면서계속관측을하고있는일본의달탐사기 가구야 는형광엑스선분광계나감마선분광계를구비하고있어이분광기들이달의표면암석이나그조성, 원소의분포등을조사하고있습니다. 생각하자, 체험하자 1 백열등, 형광등이외의전등빛에서도 CD분광기로분광해서스펙트럼을조사해봅니다. ( 나트륨등, 수은등등. 단, 옥외로나가서조사할때는충분히안전확보를하고난다음학습활동에들어간다.) 2 이실험에서는빛을분광하는데 CD를사용했지만, 그것이외에어떤것으로분광할수있는지, 이야기를나눠봅니다.( 잘알려진프리즘외에볼펜자루의투명플라스틱을이용해서도분광할수있다.) 3 자연의무지개가어떤구조로되어있는지를조사하거나, 이야기를나눠봅니다. 4 분광장치를이용한천체관측으로어떤것을알수있는지, 우주관계도서나백과사전, 인터넷등에서조사해봅니다. 안전대책 1 CD 분광기로태양빛을분광할때는눈을상하기때문에결코태양을직접보지않도록주의합니다. 전등이나형광등, 텔레비전화면등의경우도똑같이너무눈부신광원을응시하지않도록지도합니다. 2 커터칼을사용하는작업이있기때문에다치지않도록주의해서작업할수있게합니다. 키워드 분광, 태양광, 스펙트럼, 원자, 원소, CD, 휘선, 암선 ( 흡수선 ), 프리즘 60

61 갖가지스펙트럼을관찰하자! - CD 분광기 - 지구과학 12 워크시트 (1) 이름 CD분광기를이용하여관찰한모습을색연필등을사용하여스케치합니다. 관찰한광원의종류 ( 태양, 백열등 등 ) 도기입합니다. 관찰한광원 : 관찰한광원 : 관찰한광원 : 관찰한광원 : [ 깨달은점 ] 61

62 지구과학 13 매일바뀌는하늘의색 목표 1 태양으로부터오는빛의분리와혼합에의해무지개색이되고모든색은태양으로부터온다는것을배운다. 2 맑은날은파랗고해가질때는붉은색이되는것과같이매일바뀌는하늘의색을대기, 음직임그리고태양의위치와연관지을수있다. 활동 1. 파란하늘과일몰의사진, 화성의하늘사진과달의표면에서의사진등을보여준다. 2. 백열등빛을이용해서무지개를만들어보자. 3. 파란하늘과일몰에관련된실험을해보자. 학습지도안 1 칠흑같이어두운우주공간의사진과빛나는파란지구의사진을보여준다. 2 ( 국제우주정거장에서의지구사진 ) 태양으로부터의빛은우주공간을지나대기층을지나서표면에도착한다. 햇빛은대기층산소, 질소, 수증기, 먼지등과부딪혀서우리의눈에들어오기전에반사되고산란된다. 3 하늘의색은하루에걸쳐바뀐다. 그것이공기와빛이통과하는대기층의두께와관련있다는것을보여주자. 4 바다와블루마운틴으로해가지는사진, 화산재로가득한하늘에서의일몰, 화성에서의파란일몰등의사진을보여준다. 그리고그사진들을통해학생들은햇빛은대기의상태에따라변한다는것을알수있다. 5 물이들어있는수조를프리즘으로이용하여큰무지개를만들어보자. 6 또한 3빛의삼원색과햇빛은많은색을포함하고있다는사실에대해말해주자. 7 플라스틱병에수용성왁스를녹인물을채워대기대신사용하고 LED를태양으로대신사용한다. 콜로이드수용액을빛에노출시킨다. 빛에가장가까운부분은파란색으로보일것이고멀어질수록붉은색에서주황색으로보일것이다. 이런현상을관찰하고하늘의색과실험을연관시켜서토의하게하자. 추가적인실험 1 일반적으로사용되는 hot glue stick을대기로 LED를태양으로대신사용한다. 2 붉은색, 초록색, 파란색 LED를 hot glue stick에비추고빛이닿는거리에따른변화를비교하게한다. 62

63 매일바뀌는하늘의색 - 지구과학 13 빛의과학 - 학습지도안 우리는빛을통해서세상을볼수있다. 하늘과바다가파랗게보이는것과무지개가나타나는것과또다른현상들은빛의산란과반사등에의한것이다. 꽃들은다른각각다른색을갖고있고대부분의잎들은초록색이다. 왜냐하면그들은생존하기위해색을고르기때문이다. 빛이어떻게거울에반사되고렌즈에의해굴절이되는지, 어떻게빛이통신에사용될수있는지, 어떻게눈에보이지않는몇가지형태가있을수있는지와같은빛의흥미로운현상들이많이있다. 매일바뀌는하늘의색에대해서공부해보자. 점심때하늘 아침의하늘 저녁때하늘 태양빛이통과하는대기층의두께와하루에걸쳐변하는하늘의색의관계에대해서배운다. 물이들어있는수조를프리즘으로이용하여큰무지개를만들어보자. 백색 LED를수용성왁스를녹인물로채워진플라스틱병에비춰보자. 한번에한병씩추가해보고색의변화를관찰해보자. 63