목 차 21C 발명품을타임캡슐에넣고봉하는장치를 만들어라! 1 다양한기계장치를만들어라 8 ( 지레와밀고빠지기를이용한롤링볼만들기 ) 무동력물분수대를만들어라! 12
21C 발명품을타임캡슐에넣고봉하는장치를만들어라! 본활동은기초단계 3 시간 ( ) 와심화단계 6 시간 ( ) 로학생들의수준에따라선택활동을할수있 게수준별로구성되어있다. 기초단계 3 시간 ( ), 심화단계 6 시간 ( ) 미션배경 주변의물건을이용하여 21C 의발명품을타임캡슐에넣고봉하는기계장치를만들어보자. 장치는우스꽝스러운장면이포함되어있어야하며매우간단한문제를해결하기위해복잡한방법으로장치를발명하여사람들을즐겁게해주어야한다. 미션공개 미션 21C 발명품을타임캡슐에넣고봉하는장치를만들어라! 미션조건 장치는제시된임무를수행해야한다. 최소 20단계를거쳐야한다. 최대단계는제한이없다. 10단계 20단계 한단계에서 2분이상작동되어서안된다. 첫번째동작이이루어지기전 2분동안장치에대해설명시간이주어진다. 한개의공기펌프호스와한개의전기선을이용할수있다. 일의원리와힘의종류를 3가지이상적용하여야한다. 준비물 재료 : 주변의물건및재활용품이용 재료사용시유의사항 1 스팀이나오거나가스가나오지않게해야한다. 2 폭발성물질이나해로운물질의이용은금지한다. 3 다른장치를손상시키는동작을하면안된다. 도구 : 칼, 가위, 자 한국영재학회 1
평가기준 장치의작동은 3회실시하여작동이잘된 2회를평가한다. 팀이원하면작동을 2 회만실시할수있다. 장치가일단작동이되면 2명만이장치를조정할수있다. 심사기준 일반적인표현방법 General Expressions(40 점 ) 주제 (1~10 점 ) 우스꽝스런장면 (1~10 점 ) 설명및장치에대한기술 (1~10 점 ) 팀의화합 (1~10 점 ) 제출한장치설명서 ( 일의원리힘의종류적용 1~10 점 ) 기계작동관련사항 (60 점 ) 첫번째작동시임무완료 (0,10,20 점 ) 두번째작동시임무완료 (0,10,20 점 ) 장치의매끄러운흐름 (1~10 점 ) 장치의단계별실현정도 (1~10 점 ) 감점사항 보고서의길이 (-5 점까지 ) 첫번째작동시간의길이 (-10 점까지 ) 직접작동한경우 ( 손으로한번작동시 -3 점 ) 장치에서이탈한물체 ( 한개떨어져나갈때마다 -5 점 ) 미션탐구 힘의종류적용하기 21 세기의발명품을조사하고팀이장치에사용할발명품을선정해보자. 21C 의발명품 팀이장치에사용할발명품 2 체험중심발명교육프로그램
어떤종류의타임캡슐이있는지조사하고팀이사용할타임캡슐을설계해보자. 타임캡슐의종류 소형타임캡슐 ( 에그타임캡슐 ) 중형타임캡슐 ( 로켓타임캡슐 ) 대형타임캡슐 ( 경기광주타임캡슐 ) 재료 : 설계도면 : 팀이사용할타임캡슐 한국영재학회 3
일의원리적용하기 지레를사용할때의일 조사연구활동어떻게장치에적용할것인가? ( 지례의원리 ) 도르래를사용할때의일 빗면을사용할때의일 w 무 = w 무 = 4 체험중심발명교육프로그램
힘의종류적용하기 조사연구활동어떻게장치에적용할것인가? 중력 - 지구와물체사이에작용하는힘 탄성력 - 모양이변한물체가본래의모양으로되돌아가려는힘 전기력 - 전기를띤두물체사이에작용하는힘 자기력 - 자석의두극사이에작용하는힘 - 인력과척력이있다. 한국영재학회 5
미션해결 장치구상도그리기 구상및제작시유의사항 1 21세기발명품을운반하여타임캡슐에넣고봉하여야한다. 2 최소 20단계를거쳐야하며일원원리와힘의종류를 3가지이상적용해야한다. 10단계 20단계 3 주변의물건과재활용품을이용하여우스꽝스런장면을표현하여사람들에게즐거움을주어야한다. 단계별사용재료 6 체험중심발명교육프로그램
장치의단계별작동원리설명서 한국영재학회 7
다양한기계장치를만들어라 ( 지레와밀고빠지기를이용한롤링볼만들기 ) 미션배경 구슬이굴러가면서다른구슬을움직이게하여연쇄적으로구슬이굴러가는기계장치를만들어보자이때구슬이다른구슬을움직이게할때직접만나면안되고특정한장치를이용하여야한다. 미션공개 미션 주어진재료를이용하여창의적인기계장치를만들어보자 미션조건 A구슬은자신이의도한위치에서출발한다. B, C, D 구슬은구조물안쪽에위치하고있어야있고, 다른구슬의힘에의해움직여야한다. 구슬간힘을전달할때직접만나면안되고, 지레 와 밀고빠지기 장치를이용해야한다. 모든구슬은팀별로지정한위치에모여야하며경사판위에서만움직여야한다. 아래의요소를반드시표현해야한다. 1 지레 :2 회이상, 2밀고빠지기 :2 회이상, 3타종 :2 회이상 준비물 재료 : 경사판, 레일용막대 8개, 고무줄 1개, 침핀 1통, 유리구슬 4개, 방울 1개. 재료사용시유의사항 1 경사판은수정할수없다. 2 구슬의정상여부는각자확인하고원하면교체할수있다. 3 레일용막대와고무줄은길이직각방향으로만절단하여사용할수있다. 도구 : 칼, 가위, 자 평가기준 2번의기회를제공하고, 이중최고기록이자신의기록이된다. 세부평가항목및배점 평가항목 배점 지레 20점 (1회당 10점 ) 밀고빠지기 20점 (1회당 10점 ) 타종 10점 (1회당 5점 ) 시간 ( 초단위로측정한값 ) 40점만점 완주 10점 8 체험중심발명교육프로그램
미션탐구 1 종지레에대해정의하기힘점, 받침점, 작용점이아래그림과같이정확히존재하고, 힘점에서구슬이힘을제공하여작용점에있는다른구슬을움직이게하는장치로정의한다. <1 종지레의원리 > <1 종지레를적용한예시자료 > 밀고빠지기에대해정의하기구슬 (A) 이어떤매개체를사용하여다른구슬 (B) 을밀어내고미리준비된구멍으로빠지도록하는장치로정의한다. 타종에대해정의하기종소리가울려야한다. < 밀고빠지기를적용한예시자료 > 한국영재학회 9
미션해결 롤링볼구상도그리기 구상및제작시유의사항 1 고무줄로레일을제작할때바닥에서 1cm정도띄워야한다. 2 좋은점수를받기위해서는미션수행과시간확보를위한전략을잘세워야한다. 10 체험중심발명교육프로그램
미션관련지식 루브골드버그장치란? 루브골드버그장치 (Rube Goldberg's Machine) 란? 골드버그장치 (Rube Goldberg's Invention) 란 가장단순한과제를해결하기위해서만든가장복잡한기계 를의미한다. 이장치는골드버그라는사람이이러한아이디어를만화로그렸기때문에 " 골드버그장치 " 라고부른다. 예를들면입을닦아주는기계, 지각했을때상사가눈치채지못하게하는장치등이있다. 그리고창문을닫는간단한일을하기위해줄과구슬, 도미노와도르래, 스프링과추, 물통과고리등을교묘하게결합한복잡한장치가동원되는예도있는데이들장치의각단계에는고도로정교한물리법칙이적용된다. 그러나노력한결과에비해그결과는허망하거나초라하다. 골드버그는이를두고 " 최소의결과를얻기위해최대의노력을기울이는인간의놀라운능력 " 이라고정의를내렸다. 루브골드버그장치에사용되는과학적원리 1. 에너지보존의법칙에너지에는운동에너지, 위치에너지, 열에너지, 전기에너지등많은형태가있는데이들은상호전환될수있고이때의에너지의총량은일정하다. 이것을에너지보존의법칙이라한다. 2. 관성의법칙관성의법칙은외부에서힘이가해지지않는한모든물체는자기의상태를그대로유지하려고하는것을말한다. 즉, 정지한물체는영원히정지한채로있으려고하며운동하던물체는등속직선운동을계속하려고한다. 3. 가속도의법칙가속도의법칙은힘이가해졌을때물체가얻는가속도는가해지는힘에비례하고물체의질량에반비례한다는것이다. 물체의운동을변화시키는원인을힘이라부른다. 따라서속도의변화를나타내는가속도는힘에비례하게된다. 비례상수는물체마다다른데같은힘을받더라도질량이클수록변화가적을것이므로가속도가작을것이다. 따라서같은가속도를만들어내기위해서는질량이클수록더큰힘을가해야한다. 이것을식으로나타내면다음과같다. F( 힘 )= ma( 질량 * 가속도 ) 힘의단위는질량과가속도의단위를곱한것과같은데, 이것을뉴턴 [N] 으로표시한다. 4. 작용반작용의법칙작용과반작용법칙은 A 물체가 B 물체에게힘을가하면 ( 작용 ) B 물체역시 A 물체에게똑같은크기의힘을가한다는것이다 ( 반작용 ). 즉물체 A 가물체 B 에주는작용과물체 B 가물체 A 에주는반작용은크기가같은방향이반대이다. 5. 지레의원리엄마와아이가시소를타려면엄마는시소의앞쪽에아기는시소의뒤쪽에타야균형이맞는다. 이런현상은아래그림과같은지레의원리로설명될수있다. 첫째, 지렛대의원리를용용한저울로양팔저울 ( 천칭, 윗접저울 ) 이나대저울등을들수있다. 양팔저울은지렛대의중앙을받침점으로하고, 양쪽의똑같은위치에접시를매달거나올려놓은것이다. 한쪽접시에는측정하고자하는물체를, 다른한쪽에는분동을올려놓아지렛대가수평을이루었을때의분동의질량이바로물체의질량이되는것이다. 6. 고정도르래의원리고정도르래는물건을들어올릴때힘의양이줄어들지는않지만, 힘의방향을바꿀수있다. 한국영재학회 11
무동력물분수대를만들어라! 미션배경 조선숙종때만들어졌다고하는계영배라는술잔이있다. 술잔의 7할까지술을부었을때는아무런일이없다가 7할을넘으면그순간술잔의술전체가아래로빠져버린다. 계영배는사이펀의원리를이용한것이다. 이런현상이왜일어나는것일까? 세종대왕시대에개발된자동물시계인자격루는그일부만남아덕수궁에보존되어있다. 남아있는물시계부분조차복원되지못하여자격루의제모습을알길이없다. 물시계에서큰물통 ( 대파수호 ) 에서나온물은작은물통 ( 소파수호 ) 을거쳐물받이통 ( 수수호 ) 으로들어간다. 물이매시간마다일정하게수수호로들어가면수수호의수면이일정하게상승하여그곳에달린타종장치를움직일것이다. 그런데, 수수호는높이 1.8m, 지름 40cm, 두께 2-3cm 인원기둥모양이며, 청동으로되어있어수수호에물이채워지면약 600kg에해당하는무게가될것이다. 수수호의물을빨리버려야시각을계속잴수있지만수수호를움직이기에는너무무겁다. 어떻게수수호에채워진물을한번에말끔하게버릴수있었을까? 미션공개 미션 무동력물분수대를만들어라. 미션조건 1 사이펀을 1개이상사용해야한다. 2 뚜껑이닫힌페트병으로아래에서위로물이분사되어야한다. 3 물분수대가생기는원리를설명할수있어야한다. 준비물 재료 : 500ml 생수병, 구부러진빨대, 투명1회용컵, 스카치테이프 도구 : 인두, 글루건, 가위 주의사항 인두와글루건을사용할때화상을입지않도록안전에유의한다. 12 체험중심발명교육프로그램
평가기준 물분수대가정상적으로작동되는가? (30점) 물분수대가생기는과정을사이펀원리로설명할수있는가? (20점) 사이펀원리가발명에응용된다양한사례를알수있는가? (10점) 재료를창의적으로사용하고있는가? (20점) 물분수대제작과정에서구성원의팀웍이좋은가? (20점) 미션탐구 아래의생활용품을사용하면서관찰해보고원리를설명해보자. 생활용품관찰한내용원리 한국영재학회 13
사이펀을이용하여위쪽에있는물을아래로옮겨보자. 어떻게해야될까? 준비물 : 투명한컵 2 개, 수조, 투명고무관, 테이프, 물 (1) 물이많이든컵을위쪽으로옮길때어떤일이일어나는가? (2) 두컵의높이차이를더크게혹은더작게해보자. 고무관을통해나오는물의속도는어떠 해지는가? (3) 컵을기울이지않고높은곳에있는액체를낮은곳으로옮기는데이용된구부러진관을사 이펀 (siphon) 이라고한다. 어떻게하면사이펀을이용한현상이더잘일어날까? 계영배의구조는어떻게되어있을까? 조선숙종때만들어졌다고하는계영배라는술잔이있다. 술잔의 7할까지술을부었을때는아무런일이없다가 7할을넘으면그순간술잔의술전체가아래로빠져버린다. 계영배는사이펀의원리를이용한것이다. 사이펀원리를어떻게적용하였을지조별로토의하여설계하고제작해보자. 14 체험중심발명교육프로그램
자격루를복원하자. - 물시계에서수수호에물을배출하는방법고안하기세종대왕시대에개발된자동물시계인자격루는그일부만남아덕수궁에보존되어있다. 남아있는물시계부분조차복원되지못하여자격루의제모습을알길이없다. 물시계에서큰물통 ( 대파수호 ) 에서나온물은작은물통 ( 소파수호 ) 을거쳐물받이통 ( 수수호 ) 으로들어간다. 물이매시간마다일정하게수수호로들어가면수수호의수면이일정하게상승하여그곳에달린타종장치를움직일것이다. 덕수궁에보존된자격루일부와물시계부분의구조 그런데, 수수호는높이 1.8m, 지름 40cm, 두께 2-3cm 인원기둥모양이며, 청동으로되어있어수수호에물이채워지면약 600kg 에해당하는무게가될것이다. 수수호의물을빨리버려야시각을계속잴수있지만수수호를움직이기에는너무무겁다. 수수호에채워진물을한번에말끔하게버릴수있는방법이있을까? 조별로토의하여설계해보자. 미션해결 1. 문제의이해 에너지를사용하지않고자동으로아래에서위로물이분사되는사이펀물분수대를만들어라.(Siphon Water Pump Experiment) 준비물 : 주름빨대 2개 (2가지색깔 ), 페트병, 글루건, 송곳, 가위 팀구성 : 2명 1팀 유의점 : 글루건으로빨대를병뚜껑에틈새가없도록붙인다. 한국영재학회 15
문제를해결하기위해서우리가알아야할것은무엇인가? 2. 창의적아이디어생성 물분수대를도면으로그려보자. 16 체험중심발명교육프로그램
3. 문제해결방안탐색 물분수대가생기는과정을사이펀의원리로설명해보자. 물분수대작동과정을예상하여그려보고이때발생될수있는문제점을적어보자. 한국영재학회 17
4. 모델을만들고아이디어개선 사이펀물분수대를제작하고실제물분수대를작동시켜발생하는문제점을해결하기위해아이디어를개선해보자. 제작한물분수대 발생한문제점 개선아이디어 5. 발표및평가 물분수대를수정보완하여제작한것을팀별로 4 분이내의공연으로발표하고평가해보자. 4 분이내의공연발표시나리오 18 체험중심발명교육프로그램
평가 발전과제 사이펀원리를이용하여양방향물분수를만들수있을까? 사이펀을이용한발명활동 사이펀의원리를이용하여생활에편리한발명아이디어구상하기 발명품을활용하는고객은누구인가? 발명품제작에필요한재료는무엇인가? 한국영재학회 19
미션관련지식 특허속의사이펀현상 사이펀펌프는보통사이펀의중간에액체가들어갈수있는고무주머니를달고, 액체가나가는관입구에한쪽방향개폐장치를만든것이다. 1번인고무주머니를누르면기압차이에의하여아래쪽에있는액체가 2번관을따라올라와서고무주머니에채워진다. 고무주머니에액체가가득찰때고무주머니를살짝눌러주면 3번관을따라액체가흘러들어간다. 한번액체가 3번관을따라들어가면 2번관과 3번관은구부러진사이펀과같은역할을하게된다. 액체가 3번관을따라밖으로배출되면계속해서사이펀현상을일으킨다. 1 3 2 심화활동 사이펀 : 높은곳에있는액체를낮은곳으로옮기는데이용된 구부러진관 사이펀현상 : 높은곳의액체가더높은곳을통과하여낮은곳으로내려오는현상 사이펀현상이잘일어나게하기위해서는사이펀내부에물이가득채워져있어야하며, 한쪽의길이가다른쪽길이보다더길어야한다. 즉, 한쪽관에작용하는압력이다른쪽의관에작용하는압력보다더커야한다. 사이펀현상을이용한발명품 : 계영배, 사이펀펌프, 전통펌프, 양변기등 계영배에적용된사이펀현상 : 사이펀현상이일어나기위해서는구부러진관에액체가가득채워져야한다. 구부러진관에매번액체를채우는것대신에계영배는구부러진관을잔의옆벽면아래에설치하였다. 잔을채우면서저절러구부러진관에물이채워지고그렇게되면자연스럽게사이펀현상이일어나게된다. 추가활동사이펀원리를적용하여양방향물분수를설계하여보자. 1. 압력 (pressure), 대기압 (atmospheric pressure), 저압력 (low pressure) 비교하기가. 압력 (pressure) 을눈으로관찰하기 준비물 : 송곳, 네임펜, 자, 알콜, 라이터, 페트병, 뚜껑 20 체험중심발명교육프로그램
(1) 180ml 용량의펫트병에송곳을이용하여밑바닥약 3cm에송곳으로구멍은만든다. (2) 물을가득담아물이나오지않는것을확인한다. (3) 병뚜껑을열면물이어떻게나오는지관찰한다. (4) 물을모두비운다. (5) 맨아래첫번째구멍에서 5cm 간격마다구멍 2개를더뚫는다. (6) 물을가득채운후병뚜껑을돌려서닫는다. (7) 싱크대에서병뚜껑을돌려뚜껑을열고물의흐름을높이에따라관찰한다. (1) 물이나오는모습을관찰하고아래오른쪽에그림으로그려보자. (2) 그림의구멍에아래에서부터 A, B, C, 라고쓰고압력의크기를비교설명해보자. (3) 이때물이나오는압력은무엇때문에생겼을까? 나. 대기압 (atmospheric pressure) 알아보기 한국영재학회 21
가열하기전가열할때찬물속에거꾸로넣을때 빈캔의안과밖에공기를표시해보자. 가열후캔의안과밖에공기를표시해보자. 물속에넣었을때캔의안과밖에공기를표시해보자. 이실험으로알수있는사실은무엇인가? 다. 저압력 (low pressure) 빨대로물을마시면서빨대안의압력과대기압과비교하기 A : 빨대로물빨아들이기 B : 저압력유지하기 (1) 빨대로물을마실수있는조건을설명해보자. (2) 그림 B 처럼물이빨대안에서떨어지지않고떠있는이유는무엇일까? 공기분자를그림으로그려서설명해보자. (3) 빨대안의압력의크기를대기압과비교하여설명해보자. 22 체험중심발명교육프로그램