우리는 많은 곳을 방문해 새로운 체험을 합니다. 그 과정에서 조금만 공을 들인다면 연구활동의 기회를 충분히 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 천문대를 방문할 기회가 생긴다면, 어떨까요? 천문학에 관련된 책과 기사를 읽으며 호기심을 키우고서 천문대를 방문한다면 더 좋은 활동이 될 것입니다.
※ 이 코너에서는 생활 속에서 탐구 주제를 찾아 연구하고 연구보고서를 작성하는 다양한 사례와 방법을 알려줍니다. 자기주도적 학습을 통해 과학 실력과 창의력을 키우는 소중한 시간이 되기를 바랍니다.
탐구과정 통해 알게 된 과학
다음은 과학체험활동을 해온 한 학생의 보고서입니다. 김영주 학생은 김해천문대를 방문한 후 직접 천체망원경을 만들어 관측에 도전했습니다. 학생은 천체를 크게 보기 위해 큰 배율의 망원경을 만들고 싶어했습니다. 큰 배율은 어떻게 만들어질까요? 무조건 큰 망원경이면 될까요? 가설을 세우고 망원경을 만들면서 실험을 했습니다. 천문학적인 내용을 조사하고, 렌즈를 바꿔가며 천체망원경을 만들었습니다. 그 과정에서 망원경의 배율은 렌즈의 크기와는 상관이 없다는 사실을 알게 됐고, 또 색수차라는 현상을 경험했습니다. 갈릴레이식 망원경과 케플러식 망원경의 차이도 알게 됐습니다.
이 학생에게 필요한 것은 특정한 과학적 지식 전달보다는 가설연역적 탐구 과정을 거쳐 처음 설정한 가설이 틀리다는 사실을 인지하는 것이었습니다.
목성의 위성을 직접 관측한 이 학생을 지도하며 마지막으로 한 가지 질문을 던졌습니다. “목성의 위성을 관측한 갈릴레이는 지동설에 대한 믿음을 더 확실히 갖게 됐습니다. 왜 그럴까요?” 이 책을 읽는 독자들도 한번 조사하고 직접 관측해봅시다.
* 주요어(key words) : 천체망원경, 구경과 배율의 관계, 색수차
Ⅰ. 서론
1. 탐구동기
어렸을 때부터 어둠 속에서 빛을 발하는 별에 대한 놀라움이 있었다. 그런 궁금증에서 출발한 나는 천문학의 역사에 대한 책을 자주 읽었다. 특히 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 통해 천체를 관측하고 이를 통해 기존의 과학에 대한 새로운 도전을 했던 역사는 나에게 큰 영향을 주었다. 그러던 중 나에게도 도전의 기회가 왔다.
학교에서 김해 천문대를 탐방했다. 다른 여러 과학관은 가봤어도 ‘천문대’에는 직접 가보지 못했다. 최근에 칼 세이건의 ‘코스모스’란 책을 읽고 별과 행성, 그리고 우리가 살고 있는 우주에 대해 많은 관심이 생긴 터라 흔쾌히 참여했다. 천문대 안을 둘러본 후 밖으로 나와 여러 망원경으로 토성과 고리, 그리고 북극성 등을 관측했다. 도대체 얼마나 큰 배율의 망원경을 사용하기에 저 멀리 몇십광년 아니 몇 백광년이나 떨어져 있는 토성과 별들을 관측할 수 있는 것인지 신기했다. 그리고 그런 큰 배율의 망원경을 만들어내는 원리는 무엇인지 궁금했다. 내가 직접 망원경을 만들 수 있을지 궁금해서 이번 탐구를 시작했다.
(…중략…)
Ⅱ. 탐구과정
1. 문제인식
- 망원경의 성능과 구조는 어떻게 다를까?
- 갈릴레이식 망원경과 케플러식 망원경은 어떤 차이점이 있을까?
- 망원경의 배율은 무엇에 관계할까?
2. 가설설정
① 갈릴레이식 망원경이 색수차가 더 심할 것이다.
② 대물렌즈의 초점거리가 클수록 배율은 커질 것이다.
3. 가설검증
① 실험세트 구성
- 실험세트
녹차통, 원통(여러가지 크기,모양),셀로판테이프, 목공용 풀, 순간접착제, 렌즈(구경 10cm, 5cm)
② 렌즈의 초점거리 측정
③ 실제 망원경 제작
실제 망원경 제작을 통해 차이점을 확인해봤다. 렌즈를 달리해 망원경을 제작했으며, 사용한 렌즈의 구경은 다 같으며 초점거리만 다르다.(구경 100mm만 제외)
(…중략…)
4. 실험과정
① 접안렌즈와 대물렌즈로 사용할 렌즈들의 초점거리를 측정한다.
② 빛의 출입을 막기 위해 검은 종이를 잘라 원통형 안쪽에 붙인다.
③ 같은 방법으로 세 개의 원통을 감싼 다음 세 개를 크기순으로 조립한다(단, 크기가 맞지 않을 경우 여분의 박스로 틈을 메운다).
④ 가까이 있는 물체를 보고 상이 또렷이 보이는 지점을 찾아 거리를 조절한다. 그리고 색수차를 본다. 그리고 접안렌즈를 오목렌즈와 볼록렌즈로 교체해 사용해본다.
(…중략…)
Ⅲ. 정리 및 결론 도출
① 갈릴레이식에 비해 케플러식 망원경에서 더 큰 색수차가 나타났다.
- 케플러식 망원경에서 더 큰 색수차를 보이는 것은 볼록렌즈를 2개 사용한 케플러식 망원경이 볼록렌즈의 굴절과정에서 더 큰 각 차이가 나기 때문으로 생각된다.
② 배율에 관계하는 망원경의 물리적 양은 대물렌즈와 접안렌즈의 초점거리다.
- 배율은 구경에 영향을 받지 않는다.
- 구경과 상관없이 렌즈의 두께가 두껍고, 볼록할수록 렌즈의 초점거리가 짧다는 것을 알게 됐다.
- 배율이 큰 망원경을 만들려면, 렌즈의 구경이 큰 것 보다 렌즈의 초점거리가 긴 것을 사용해야 한다.
③ 더 알아낸 것들
- 케플러식 망원경은 도립상으로 보여 조절하기가 굉장히 힘들었다.
- 갈릴레이식 망원경은 정립상으로 보였지만, 배율이 낮았다(접안렌즈 구경 3.5cm).
(…중략…)
Ⅳ. 참고 문헌
보고서를 쓰기 전과 후 자신에 대한 반성
보고서를 쓰기 전에는 단순히 천체망원경을 직접 만들고 그 망원경으로 천체를 관측해보고 싶었다. 또한 큰 배율의 망원경을 만들어보고 싶었다. 망원경을 만들며 생각보다 여기저기 손이 가는 데가 많았고, 시간도 꽤 많이 걸렸다. 게다가 정확하게 만들려 노력했음에도 색수차 현상이 많이 나니 망원경을 만든다는 게 얼마나 정밀하고 세세한 작업기술을 필요로 하는지를 알게 됐다. 또한 처음 생각한 큰 배율의 망원경은 크기가 큰 렌즈를 사용하는 것보다 초점거리가 긴 렌즈를 사용해야 된다는 사실과 초점거리를 길게 하려면 렌즈가 볼록하지 않고 평편해야 한다는 사실을 알게 됐다. 우리 주변에 쓰이는 유리창은 초점거리가 매우 길고, 빛이 평행하게 들어오도록 만들어졌다는 사실도 새삼 깨달았다.
Ⅶ. 실제 관측
2010년 2월 21일 관측한 내용
1. 직접 천체 관측 준비
- 망원경 조립하며 관찰 준비
2. 관찰내용
학교에 있던 천체관측망원경으로 저녁 6시30분쯤 ‘목성’과 목성의 위성인 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토를 관측했다. 살짝 어두워진 밤하늘에 아주 밝은 한 개의 점이 보여서 그쪽으로 맞춰 관측했는데, 매우 밝은 점 하나와 대각선 모양으로 일렬로 늘어서 있는 네 개의 더 작은 점이 보였다. 하지만 아직 덜 어두워져서 그런지 위성 네 개 중 두 개는 확연히 보였고, 나머지 두 개는 약간 희미하게 보였다.
3. 소감
해질녘까지 기다린 건 2시간 가까이였는데 관측은 30분만에 끝나버렸다. 과학은 쉬운 것이 아니라는 사실을 깨달았고, 마침내 관측의 순간 직접 목성을 보는 희열은 더욱 짜릿했다. 해가 진 직후약간 푸르스름한 하늘에서 목성만이 하얀점으로 관측된다는 게 매우 신기했다. 목성이 얼마나 밝은지 확실히 실감했다. 또 목성의 위성이 대각선으로 늘어서 있는 모습이 신기했다. 토성의 띠, 목성의 위성들과 같이 모든 행성들에겐 각자의 신비로움이 감춰져 있는 듯했다. 천체관측을 할 수 있는 기회가 다시 오면 그땐 다른 행성들도 한번씩 관측해보고 싶다.
※ 이 코너에서는 생활 속에서 탐구 주제를 찾아 연구하고 연구보고서를 작성하는 다양한 사례와 방법을 알려줍니다. 자기주도적 학습을 통해 과학 실력과 창의력을 키우는 소중한 시간이 되기를 바랍니다.
탐구과정 통해 알게 된 과학
다음은 과학체험활동을 해온 한 학생의 보고서입니다. 김영주 학생은 김해천문대를 방문한 후 직접 천체망원경을 만들어 관측에 도전했습니다. 학생은 천체를 크게 보기 위해 큰 배율의 망원경을 만들고 싶어했습니다. 큰 배율은 어떻게 만들어질까요? 무조건 큰 망원경이면 될까요? 가설을 세우고 망원경을 만들면서 실험을 했습니다. 천문학적인 내용을 조사하고, 렌즈를 바꿔가며 천체망원경을 만들었습니다. 그 과정에서 망원경의 배율은 렌즈의 크기와는 상관이 없다는 사실을 알게 됐고, 또 색수차라는 현상을 경험했습니다. 갈릴레이식 망원경과 케플러식 망원경의 차이도 알게 됐습니다.
이 학생에게 필요한 것은 특정한 과학적 지식 전달보다는 가설연역적 탐구 과정을 거쳐 처음 설정한 가설이 틀리다는 사실을 인지하는 것이었습니다.
목성의 위성을 직접 관측한 이 학생을 지도하며 마지막으로 한 가지 질문을 던졌습니다. “목성의 위성을 관측한 갈릴레이는 지동설에 대한 믿음을 더 확실히 갖게 됐습니다. 왜 그럴까요?” 이 책을 읽는 독자들도 한번 조사하고 직접 관측해봅시다.
간이천체망원경 만들기를 통한 천체망원경의 특성 이해
태종대중학교 3학년 김영주
태종대중학교 3학년 김영주
요약 : 김해천문대 탐방 후 천체망원경을 직접 만들어보고 그 특성을 알고 싶었다. 갈릴레이의 마음으로 직접 갈릴레이식, 케플러식 천체망원경을 만들어보고 그 차이점을 확인해봤다. 특히 대물렌즈의 구경과 배율은 상관이 없음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 대물렌즈의 초첨거리가 늘어나면 배율은 커지지만 색수차가 더 심하게 발생했으며, 전체적으로 어두워지는 현상을 관찰할 수 있었다. 즉 구경과 배율은 아무 관계가 없으며, 배율을 크게 하려면 렌즈의 구경과 상관없이 초점거리를 조절해야 된다는 것을 알게 됐다.
* 주요어(key words) : 천체망원경, 구경과 배율의 관계, 색수차
Ⅰ. 서론
1. 탐구동기
어렸을 때부터 어둠 속에서 빛을 발하는 별에 대한 놀라움이 있었다. 그런 궁금증에서 출발한 나는 천문학의 역사에 대한 책을 자주 읽었다. 특히 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 통해 천체를 관측하고 이를 통해 기존의 과학에 대한 새로운 도전을 했던 역사는 나에게 큰 영향을 주었다. 그러던 중 나에게도 도전의 기회가 왔다.
학교에서 김해 천문대를 탐방했다. 다른 여러 과학관은 가봤어도 ‘천문대’에는 직접 가보지 못했다. 최근에 칼 세이건의 ‘코스모스’란 책을 읽고 별과 행성, 그리고 우리가 살고 있는 우주에 대해 많은 관심이 생긴 터라 흔쾌히 참여했다. 천문대 안을 둘러본 후 밖으로 나와 여러 망원경으로 토성과 고리, 그리고 북극성 등을 관측했다. 도대체 얼마나 큰 배율의 망원경을 사용하기에 저 멀리 몇십광년 아니 몇 백광년이나 떨어져 있는 토성과 별들을 관측할 수 있는 것인지 신기했다. 그리고 그런 큰 배율의 망원경을 만들어내는 원리는 무엇인지 궁금했다. 내가 직접 망원경을 만들 수 있을지 궁금해서 이번 탐구를 시작했다.
(…중략…)
Ⅱ. 탐구과정
1. 문제인식
- 망원경의 성능과 구조는 어떻게 다를까?
- 갈릴레이식 망원경과 케플러식 망원경은 어떤 차이점이 있을까?
- 망원경의 배율은 무엇에 관계할까?
2. 가설설정
① 갈릴레이식 망원경이 색수차가 더 심할 것이다.
② 대물렌즈의 초점거리가 클수록 배율은 커질 것이다.
3. 가설검증
① 실험세트 구성
- 실험세트
녹차통, 원통(여러가지 크기,모양),셀로판테이프, 목공용 풀, 순간접착제, 렌즈(구경 10cm, 5cm)
② 렌즈의 초점거리 측정
③ 실제 망원경 제작
실제 망원경 제작을 통해 차이점을 확인해봤다. 렌즈를 달리해 망원경을 제작했으며, 사용한 렌즈의 구경은 다 같으며 초점거리만 다르다.(구경 100mm만 제외)
(…중략…)
4. 실험과정
① 접안렌즈와 대물렌즈로 사용할 렌즈들의 초점거리를 측정한다.
② 빛의 출입을 막기 위해 검은 종이를 잘라 원통형 안쪽에 붙인다.
③ 같은 방법으로 세 개의 원통을 감싼 다음 세 개를 크기순으로 조립한다(단, 크기가 맞지 않을 경우 여분의 박스로 틈을 메운다).
④ 가까이 있는 물체를 보고 상이 또렷이 보이는 지점을 찾아 거리를 조절한다. 그리고 색수차를 본다. 그리고 접안렌즈를 오목렌즈와 볼록렌즈로 교체해 사용해본다.
(…중략…)
Ⅲ. 정리 및 결론 도출
① 갈릴레이식에 비해 케플러식 망원경에서 더 큰 색수차가 나타났다.
- 케플러식 망원경에서 더 큰 색수차를 보이는 것은 볼록렌즈를 2개 사용한 케플러식 망원경이 볼록렌즈의 굴절과정에서 더 큰 각 차이가 나기 때문으로 생각된다.
② 배율에 관계하는 망원경의 물리적 양은 대물렌즈와 접안렌즈의 초점거리다.
- 배율은 구경에 영향을 받지 않는다.
- 구경과 상관없이 렌즈의 두께가 두껍고, 볼록할수록 렌즈의 초점거리가 짧다는 것을 알게 됐다.
- 배율이 큰 망원경을 만들려면, 렌즈의 구경이 큰 것 보다 렌즈의 초점거리가 긴 것을 사용해야 한다.
③ 더 알아낸 것들
- 케플러식 망원경은 도립상으로 보여 조절하기가 굉장히 힘들었다.
- 갈릴레이식 망원경은 정립상으로 보였지만, 배율이 낮았다(접안렌즈 구경 3.5cm).
(…중략…)
Ⅳ. 참고 문헌
보고서를 쓰기 전과 후 자신에 대한 반성
보고서를 쓰기 전에는 단순히 천체망원경을 직접 만들고 그 망원경으로 천체를 관측해보고 싶었다. 또한 큰 배율의 망원경을 만들어보고 싶었다. 망원경을 만들며 생각보다 여기저기 손이 가는 데가 많았고, 시간도 꽤 많이 걸렸다. 게다가 정확하게 만들려 노력했음에도 색수차 현상이 많이 나니 망원경을 만든다는 게 얼마나 정밀하고 세세한 작업기술을 필요로 하는지를 알게 됐다. 또한 처음 생각한 큰 배율의 망원경은 크기가 큰 렌즈를 사용하는 것보다 초점거리가 긴 렌즈를 사용해야 된다는 사실과 초점거리를 길게 하려면 렌즈가 볼록하지 않고 평편해야 한다는 사실을 알게 됐다. 우리 주변에 쓰이는 유리창은 초점거리가 매우 길고, 빛이 평행하게 들어오도록 만들어졌다는 사실도 새삼 깨달았다.
Ⅶ. 실제 관측
2010년 2월 21일 관측한 내용
1. 직접 천체 관측 준비
- 망원경 조립하며 관찰 준비
2. 관찰내용
학교에 있던 천체관측망원경으로 저녁 6시30분쯤 ‘목성’과 목성의 위성인 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토를 관측했다. 살짝 어두워진 밤하늘에 아주 밝은 한 개의 점이 보여서 그쪽으로 맞춰 관측했는데, 매우 밝은 점 하나와 대각선 모양으로 일렬로 늘어서 있는 네 개의 더 작은 점이 보였다. 하지만 아직 덜 어두워져서 그런지 위성 네 개 중 두 개는 확연히 보였고, 나머지 두 개는 약간 희미하게 보였다.
3. 소감
해질녘까지 기다린 건 2시간 가까이였는데 관측은 30분만에 끝나버렸다. 과학은 쉬운 것이 아니라는 사실을 깨달았고, 마침내 관측의 순간 직접 목성을 보는 희열은 더욱 짜릿했다. 해가 진 직후약간 푸르스름한 하늘에서 목성만이 하얀점으로 관측된다는 게 매우 신기했다. 목성이 얼마나 밝은지 확실히 실감했다. 또 목성의 위성이 대각선으로 늘어서 있는 모습이 신기했다. 토성의 띠, 목성의 위성들과 같이 모든 행성들에겐 각자의 신비로움이 감춰져 있는 듯했다. 천체관측을 할 수 있는 기회가 다시 오면 그땐 다른 행성들도 한번씩 관측해보고 싶다.
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