고등학교 우주탐사 1 박 2 일, 우주여행프로젝트 Ⅰ. 문제로의초대 1 차시우주여행의시작 3 A. 탐색하기 B. 우주로 C. 지구로 A-Ⅱ 문제해결을 2 차시우주를내눈앞에 9 위한활동 A-Ⅲ 문제해결 3 차시망원경제작및별관찰 11 B-Ⅱ 문제해결을 4 차시지구탈출 14 위한활동 B-Ⅲ 문제해결 5-6차시나만의로켓만들기 17 C-Ⅱ 문제해결을위한활동 7 차시 지구로의안전한귀환 22 C-Ⅲ 문제해결 8 차시 우주선진입각도예측 24 Ⅳ. 평가및성찰 9 차시지구로돌아와서 29 Ⅴ. 진로탐색 1 0 차시우주관련직업 32 1

Ⅰ. 문제로의초대 ( 우주여행의시작 ) 1 차시 주제의이해 학습목표 생각열기 관련단원 2012년 5월 18일일본다네가시마발사장에서우리나라아리랑위성 3호가발사되었다. 국내주도개발방식을사용하여약 8년간의연구끝에지상에서 0.7미터크기의물체를식별할수있는위성을만들었다. 하지만이위성을발사하는로켓은우리나라의것이아니었다. 미국의스페이스 X는민간항공사에서우주선을발사해우주에있는우주정거장에도킹을성공하였다. 하지만우리나라에서개발되고있는나로호는아직성공하지못하면서우리나라독자적으로위성을발사하지는못하고있다. 우리나라의독립적인우주탐사시대를맞이하기위해서는어떤것들이필요할지생각하며탐구해보자. 학습목표 주제의이해 생각열기 관련단원 þ 망원경의원리를이해하고, 뉴톤반사망원경을제작할수있 다. þ 우주로가기위한화약로켓을설계하고제작할수있다. þ 우주에서지구로귀환하기위한이론을배우고, 우주선을착 륙시키기위해실험을통해서최적의착륙각도를계산할수 있다. 3

생각열기 주제의이해 학습목표 관련단원 < 출처 : http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2012/10/29/2012102902986.html> 민간우주시대가열렸다. 우리도우주여행을할수있을까? 주제의이해 학습목표 생각열기 2007 교육과정 2009 교육과정 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 지구과학 Ⅰ 망원경원리 수학 1 이차함수 기하와벡터 포물선 물리 Ⅰ 힘과운동 수학 이차함수응용 지구과학 Ⅰ 망원경원리 수학 1 이차함수 기하와벡터 포물선 물리 Ⅰ 시공간과우주 수학 이차함수응용 관련단원 4

1 차시문제상황 S TE M 2020년지구는대체에너지개발에지지부진하고, 원자력발전소마저안정성문제로가동하지못하고있는가운데, 화석연료가다떨어져하루에전기를 1시간도못사용하고있다. 이에 UN 사무총장은화성을제 2의지구로지정하고한국의 김한별 과학자에게화성탐사를명령하였다. 이에한국의 김한별 박사는제1차프로젝트로화성탐사를하기전화성관찰을위한반사망원경을제작하고, 제2차프로젝트로 3단로켓을개발하기로하였으며, 최종프로젝트로그로켓에지구귀환용우주선을실어지구로돌아올수있도록하였다. 우리도 김한별 박사와함께도전과제1,2,3을수행해보자. 1 차시도전과제 1 S TE M 모둠별 (4 인 1 조 ) 로뉴톤반사망원경의구조와원리도이해하고 관측의즐거움과장식장전시까지가능하다. 아이작뉴톤이만 들었던반사망원경을반사망원경키트로재현하여보자. 5

1 차시도전과제 2 S TE M 일단 2단로켓을만들기에앞서 1단로켓만들기가선행되어야할것이다. 초등학교, 중학교, 고등학교로진학하면서로켓을한번정도는만들어보았을것이다. 그중고등학생이만들수있는로켓을열거하자면물로켓, 에어로켓, 비타민로켓, 고무줄로켓등이다. 2단로켓을만들기위해서는 2단로켓용화약이필요하다. 2단로켓은 1단로켓만잘만들수있으면 2 개의로켓을연결한후 2단로켓용화약만있으면가능하다. 따라서 1단나만의화약로켓을만들어보도록하자. < 그림 > 낙하산회수장치를가진모델로켓의비행경로 6

1 차시도전과제 3 S TE M 우주왕복선도우주캡슐과같다. 그러나우주캡슐은낙하산과역추진장치에의해서지상으로내려오지만, 우주왕복선은지상에착륙을하여야하는되는데쉽지가않다. 이를위해서지구대기권을통과하였을때부터추진력이없기때문에우주왕복선의비행으로만지상착륙을해야하므로고도의계산과기술력이필요로한다. 우주왕복선이지구로귀환을시작한지 16분후부터아래의그림처럼 S-턴을 4번하여속도를줄이고착륙을시도하게된다. 활강이시작되었을때턴을하게된다. 고도 530mm에서겨우기수를살짝들어올리며고도 27m에서바퀴를내리고 14초뒤에활주로에접촉하여착륙할수있다. 이모든것이상공 2000km에서부터시작하여, 경사각이최대 71도를유지함동시에 52분동안이루어진다. 우리는마지막단계인착륙단계에서어떻게우주왕복선을활 주로에착륙시켜야하는지를고민하고, 안전하게착륙을시키기 위해서실험을통해진입각도와속도를산출을하여보자. 7

1 차시모둠조직 S TE M 1) 모둠명정하기 2) 프로젝트주제정하기 3) 모둠조직및역할정하기 모둠원1 모둠원2 모둠원3 모둠원4 학번이름역할 8

A. 도전과제 Ⅰ : 탐색하기 ( 우주를내눈앞에 ) A-Ⅱ. 문제해결을위한활동 반사망원경에사용된포물선의원리를 2차시탐구하여보자. 1. 포물선의원리 2 차시 S TE [ 활동 ] 반사망원경에사용된포물선의원리에대하여알아보자. 1. 반사망원경의품질은포물선의정밀도에의해결정된다. 따라서반사망원경품질을결정하는포물면에대하여알아보자. 포물면은일상생활에서많이사용된다. 우리생활주변에서사용되는포물면이무엇들이있는지찾아보자. 9

2. 포물면의준선에수직으로오는빛이초점으로오는이유를증 명하여보자. ( 즉, 그림에서처럼 가최단거리임을증명 하면된다.) 10

A-Ⅲ. 문제해결 3 차시 3 차시뉴턴반사망원경재현하기 S M 1. 뉴톤반사망원경재현하기 문제확인하기 갈릴레이가만들었던굴절망원경의원리에대해알아보자. 대안탐색하기 갈릴레이가만들었던굴절망원경의문제점은수차가생긴다는것이다. 수 차를없앨수있는방법에대해생각해보자. 최적의대안평가하기 뉴턴은수차를없애기위해렌즈대신거울을사용하여반사망원경을만 들었다. 반사망원경의원리에대해알아보자. 11

구체적으로계획하기 1. 뉴턴반사망원경키트를활용하여뉴턴반사망원경을만들어보자. 2. 필요한준비물을확인하자. 기본준비물 : 뉴턴반사망원경키트, 풀, 가위, 테이프 문제해결하기 1. 4 인 1 조로각각분담을해서반사망원경을제작하여본다. [ 작품예시 ] 12

2. 각 조에서 제작한 뉴톤식 반사망원경으로 위성, 행성(달, 목성 또 는 토성)을 관찰하고 사진기로 위성과 행성을 찍어 자신만의 천문 사진을 만들어 보자. 13

B. 도전과제 Ⅱ : 우주로 ( 지구탈출 ) B-Ⅱ. 문제해결을위한활동 4 차시 4 차시로켓의원리및구성 S TE 1. 로켓의원리를쓰고비행기와의차이점을생각해보자. 2. 인공위성을띄우기위한로켓과우주정거장을건설하기위한로 켓의차이점을작성해보자. 14

3. 로켓의구성은노우즈, 동체, 모터마운트, 수직안정날개, 충격완 충선마운트, 회수장치 ( 낙하산 ) 이다. 이 6 가지로구성된로켓을 설계해보자. 15

16 < 그림 > 모델로켓부품의명칭

B-Ⅲ. 문제해결 5-6 차시 5-6 차시나만의로켓만들기 S TE 로켓만들기문제확인하기 인공위성을띄울때대기권에서는비행기로운행할수있지만, 대기권을벗어나게되면공기가없어비행기를운행할수없다. 화성에도착하기위해비행기대신대안이될수있는비행체는무엇이있을까? 대안탐색하기 공기가없다면작용반작용의원리를추진을하는로켓이대안이 될수있다. 로켓의종류에대해알아보자. 17

최적의대안평가하기 여러개의로켓중의 2 단로켓이나 3 단로켓이가능할로켓을찾 아보자. 구체적으로계획하기 1. 나만의화약로켓을만들어보자. 2. 필요한준비물을확인하자. 노우즈콘, 사포, 칼, 8절 ( 두꺼운 ) 도화지 2장, 칼, 가위, 자, 철사, 나무혹은아크릴, 얇은비닐 ( 쓰레기봉투가능 ) 로켓부품을하나, 하나만들면시간이많이걸림으로키트를구입한후노우즈와동체만만드는것으로하면시간을절약할수있다. 문제해결하기 1. 4 인 1 조로각각분담을해서로켓을제작하여보자. 노우즈콘만들기 18

동체만들기 핀만들기 19

모터마운트만들기 회수장치만들기 20

조립 무게중심과압력중심찾는방법 - 무게중심은글라이더의무게중심을찾는것처럼로켓을손가락이나자, 젓가락을이용하여평형지점을찾으면된다. - 압력중심은로켓을뉘어놓고그림자를비추어그림자의면적의중심지점을찾으면된다. 또한가지방법은로켓을실에매어원운동시키면서로켓이흔들리지않고잘돌아가는지점을찾는다. 실의길이가길수록효과가크다. - 압력중심이무게중심보다낮아야로켓이휘지않고직진하면서잘발사될수있다. 참고문헌 김명구 (2001). 모델로케트. 한승. 21

C. 도전과제 Ⅲ : 지구로 ( 안전한귀환 ) C-Ⅱ. 문제해결을위한활동 선형회귀와최소제곱법에대하여 7차시학습하여보자. [ 활동 ] 선형회귀와최소제곱법에대하여학습하여보자. 7 차시 S M (1) 최소제곱법 (method of least squares) : 하나의독립변수 x와종속변수 Y에대해서는, 그실험데이터는짝을이룬순서쌍 (x j, y j ) 의형태를갖는다. 이실험데이터의집합에적합한회귀직선은최소제곱법으로쉽게구할수있다. 1 직선으로부터떨어져있는 (x j, y j ) 점들의거리 (y 축방향, 수 직방향 ) 의제곱의합이최소가되도록, 회귀직선은주어진점 들에적합해야한다. 2 직선 로부터실험데이터 (x j, y j ) 까지의수직거리 (y 축 방향 )= 3 거리의제곱의합, d 최소제곱법에서는 d 가최소가 되도록 a, b 를택한다. d 는 a, b 의함수이므로최소 y y j ) y j -a-b x j ( x j, 0 x j a+bx j y=a+bx 가되기위해서는 < 직선 y=a+bx 로부터점 ( ) 사이의수직거리 > 이어야한다. x 22

(1) (1) 의연립방정식을 a, b 에대해서풀면, 기울기 y- 절편 (2) 엑셀을이용하여서회귀적선을구하여보자. Excel 프로그램에서회귀직선의계수구하기회귀직선을구하고자할때물론앞에서구한회귀직선의기울기와 y절편을구하는식을이용하여일일이다계산을할수도있지만많이쓰이는통계기법인만큼이값들을쉽게구할수있도록해주는통계관련프로그램이많이있다. SPSS, SAS 등전문통계패키지프로그램이있지만엑셀은전문통계프로그램은아니지만엑셀프로그램을활용하여비교적쉽게구하여보자. 이해를편하게하기위해서용수철의상수 와관련된실험을예로들어보자. 용수철에가해지는힘 를바꾸어가면서용수철의길이 를측정하여다음표의결과를얻었다. 위표에해당되는자료를가지고서엑셀을활용하여회귀적선 을구하여보자. 23

C-Ⅲ. 문제해결 8 차시 8 차시우주비행선안전하게낙하시키기 S M 4~6 명이한조가되어해결을하여보자. 준비물 우주왕복선키트도안 1 장, 낚싯줄, 투명테이프, 막대기, 줄자와 자, 활주로, 계산기, 가위, 사다리및의자, 클립 해결과정 1) 활주로만들기 - 주어진빨간색두꺼운색지 ( 전지 ) 를이용하여 33cm 196cm크기의직사각형의모양으로비행장의활주로를만든다. - 활주로는글라이더를날릴곳으로부터 8m 거리를두고바닥에놓는다. - 비글라이더를비행을조정할막대기를비행장의끝으로부터 60cm정도떨어져서조정을한다. - 글라이더를비행장의시작되는곳으로부터 8m 정도떨어져진곳에서약 3m 정도높이에서비행을시작한다. 24

2) 조정막대만들기 - 조정막대는 60cm정도되는막대기를사용하고, 글라이더를날릴곳에낚싯줄을늘여트려조정막대의 1:2 되는곳에낚시줄을묶는다. 25

실험방법 - 글라이더를 3회조정막대를이용하여활주로에착륙시킨다. - 거리와, 시간, 각도를측정한다. - 3회의평균거리와평균시간, 각도를측정하여기록한다. 실험측정기록 실험을통해서글라이더기울기와글라이더속도와의관계식을찾 아보자. 글라이더각도글라이더평균속력 글라이더 각도글라이더 평균속력 26

그래프그리기 글라이더각도와글라이더평균속력간의그래프로나타내보자. 27

선형회귀와최소제곱법 위의데이터를가지고선형화기법을통해서각도와평균속력의 관계식을찾아보자. 28

Ⅳ. 평가및성찰 9 차시 9 차시우주여행후기 ( 지구로돌아와서 ) S TE A 각모둠에서만든반사망원경을 ALU 기법을활용하여평가해보자. 모둠 이름 A( 장점 ) L( 단점 ) U( 독특한특징 ) 29

우리모둠이만든로켓에대해 ALU 기법을활용하여평가해보자. 로켓이름장점단점독특한특징 느낀점 Yes or No! 노우즈는공기저항을덜받게설계되었는가? 좋은로켓의조건 동체는가볍고튼튼하게설계되었는가? 마운트는화약이들어갈수있도록만들어졌고, 동체에자연스럽게연결될수있도록설계되었는가? 수직안정날개는화살의깃털과같은기능을하게설계되었는가? 충격완충선마운트는노우즈와동체를연결시킬수있도록설계되었는가? 회수장치는가볍고튼튼하게설계되고, 잘펴질수있도록설계되었는가? 압력중심이무게중심보다낮게설계되었는가? 심 미 성 형과색이조화롭고아름다운가? 30

가장안전하게우주비행선을낙하시킨 9차시모둠의수학적비밀은? S TE A 우주비행선을가장안전하게낙하시킨모둠을선정하여그모둠의수학적해법을알아보고우리모둠과비교해보자. 선정한모둠명 : 수학적해법 : 우리모둠과의비교 : 31

Ⅴ. 우주관련직업탐색 10 차시 우주비행사의하는일은무엇일까? ❶ 우주비행사훈련 우주비행사에대한경력요건 ( 교육 ) 이론공부 ❷ 우주로가기 우주선조립빌딩 발사대로가는무한궤도차탑승 ❸ 우주에서작업하기 지구사진촬영 ❹ 우주에서생활하기 ❺ 우주에서지구로돌아오기 궤도선준비 착륙준비 ❻ 국제우주정거장 (ISS) 에서의생활 32

로켓과관련된분야의직업을하나선택하고, 그분야에서종사하고계신분들을대상으로다음내용을조사하여발표해보자.( 인터넷이나신문, 서적을참고하여작성가능 ) 선택직업 : 1. 왜이직업을선택하였는가? 2. 구체적으로하는일은무엇인지조사해보자. 3. 일을하면서즐거웠거나힘들었던기억은? 33

4. 앞으로의전망은? 5. 같은직업을희망하는학생은무엇을준비해야하는가? 6. 같은직업을희망하는학생에게하고싶은말은무엇인가? 34