STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 현미경과 망원경의 원리 탐구 충북대학교 과학영재교육원 2020년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 충북대학교 과학영재교육원 프로그램 현미경과 망원경의 원리 탐구 이름 주요 과목 물리학2 관련 과목 STEM 요소 개요 파동과 물질의 성질 관련 단원 S, T, E 지역 보조 주 개발자 주요 수업 관련 단원 개발자 인간의 눈을 모방한 카메라의 렌즈는 매우 다양하여 시야각, 밝기 조절, 초점 조절 등이 가능하고 인간의 눈이 볼 수 없는 멀리 놓여 있는 물체 이거나 가까이 있는 매우 작은 물체도 관찰할 수 있다. 그러므로 렌즈의 도움이 필요하고 대표적인 것이 망원경과 현미경이며 적어도 각각 2개 이상의 렌즈를 필요로 한다. 관측은 인간의 눈을 사용하거나 CCD등을 사용하기도 한다. 먼저 일상생활에서 흔히 접하는 돋보기의 원리를 이해하고 돋보기의 초 점거리와 물체의 위치를 이용하여 관찰 가능한 최대 허상의 조건과 배 율을 다룬다. 그리고 두 개의 렌즈로 구성된 간단한 망원경과 현미경의 원리를 이해하 고 실제 휴대용 망원경과 현미경을 제작한다. 제작된 망원경과 현미경으 로 관찰한 물체의 최대 배율을 이론 결과와 비교한다. 1차시 볼록렌즈에 의한 실상과 허상을 알아보자 2차시 망원경과 현미경의 기초 원리를 이해한다 3차시 망원경을 트랙위에 구성한다 4차시 현미경을 트랙위에 구성한다 5차시 간이 망원경과 현미경을 직접 제작해보자 차시별 주요내용 (키워드 위주) (물리) 현미경과 망원경의 원리탐구 (6) 교수-학습 과정의 전개 1) 개념도입 1차시 [개념 도입] 조사해 보기 ◆ 초점거리는 렌즈의 곡면정도와 렌즈의 굴절률에 따라 달라지고, 앞면과 뒷면에서 두 번 굴절되지만 얇은 렌즈로 간주하면 그림처럼 단순화하여 다룰 수 있다. 빛은 여러 가지 파장으로 구성되어 있어 렌즈를 통과하면 분산되어 서로 다른 초점거리를 갖는다. 그러나 가시광선 범위 (파장: 400 nm부터 700 nm)에서는 미세한 차이이므로 무시한다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chromatic_aberration_(comparison).jpg 볼록렌즈의 초점거리는 태양 빛이나 멀리 떨어진 전등의 빛을 모아서 쉽게 측정할 수 있 으나 오목렌즈는 빛이 굴절되어 퍼져 나가므로 직접 측정하기는 어렵다. 갈릴레이 망원경 에서는 오목렌즈를 사용하고 거대한 천체 망원경에서는 볼록렌즈 대신 오목거울을 사용 하지만 일반적으로는 볼록렌즈를 주로 사용한다. ◆ 볼록렌즈의 초점거리를 측정하는 방법에 대해 생각해보자. 초점거리 측정은 평행광을 렌즈에 쪼여 빛이 한 곳으로 가장 작은 크기로 모이는 위치까지의 거리를 측정하면 된다. 수업지도의 Tip Ÿ 태양을 이용하여 볼록렌즈 초점거리를 측정한다 Ÿ 천장의 조명등을 이용하여 초점거리를 측정한다 Ÿ 물체와 볼록렌즈와 스크린을 사용하고 렌즈의 공식을 이용하여 초점거리를 계산한다. - 27 - (물리) 현미경과 망원경의 원리탐구 2) 탐구 및 개념 확장 2차시 [탐구 및 개념 확장] 망원경과 현미경의 기본 원리 [1] 망원경의 원리 Ÿ 두 개의 렌즈로 구성된 망원경의 원리를 탐구한다. Ÿ 망원경 배율을 높이기 위해 2개의 렌즈의 초점거리를 선택하게 한다 Ÿ 망원경의 대물렌즈의 직경이 큰 이유를 이해한다. 수업지도의 Tip Ÿ 망원경으로 어떻게 멀리있는 물체의 확대된 허상을 볼 수 있는지 알아보자 Ÿ 망원경에서는 볼록렌즈 대신 오목거울을 사용하지만 일반적으로는 볼록렌즈만 사용한다. Ÿ 망원경은 큰 물체를 확대하여 볼 수 있도록 하는데, 맨눈으로 볼 때 흐릿하여 잘 안보 이는 부분까지 확대하여 자세히 볼 수 있도록 한다. 망원경을 사용하여 눈으로 물체를 관찰하는 방법과 원리를 생각해보자. Ÿ 그림과 같이 가장 간단한 망원경은 굴절을 이용한 망원경으로 2개의 렌즈를 사용한 다. 첫 번째 렌즈는 대물렌즈라 하고 돋보기와 같은 역할을 하지만 멀리있는 물체를 두 번째 렌즈(접안렌즈)의 초점거리 부근에 실상을 맺히게하는 역할을 한다. 접안렌즈는 렌즈의 초점근처에 실상이 놓이도록 렌즈 사이의 거리를 조절하면 가장 확대 된 허상을 볼 수 있다. 물론 뒤집힌 실상을 확대하므로 역시 뒤집힌 허상을 만든다. 허상 이므로 눈이나 다른 렌즈가 있어야만 관찰 가능하다. 망원경의 배율은 물체가 만든 각과 눈으로 관측한 각의 비이다. 즉 대물렌즈의 물체의 각 과 접안렌즈의 허상의 각의 비를 의미한다. - 31 - (물리) 현미경과 망원경의 원리탐구 3) 과학기술 적용 3차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 [1] 실험대에서 2개의 렌즈배열로 망원경 제작과 물체 관찰 Ÿ 망원경 모델을 위해 트랙 위에 2개의 렌즈를 배열하고 칠판에 있는 물체의 확대된 상 을 관찰하게 한다. Ÿ 망원경의 두 번째 렌즈를 이동하면서 최대로 확대된 상을 관찰한다. Ÿ 칠판에 눈금을 그려놓고 물체의 배율을 관측을 통해 알아본다 Ÿ 여분의 렌즈가 있다면 렌즈를 교체하여 실험하고 배율을 최대로 하는 조건을 알아본다 수업지도의 Tip 다른 도구 없이 망원경 배율을 정확히 측정하기는 어렵지만 시각의 비로 대략 알 수 있 다. 이를 위해서는 눈금이 새겨진 자를 멀리 세로로 세워 놓고 망원경으로 보이는 눈금과 실제 육안으로 보이는 눈금을 절반씩 동시에 관찰하여 결정한다. 망원경이 2개로 분리되어 2개의 렌즈의 초점거리를 알 수 있다면 앞의 공식을 배율을 알 수 있다. 그림에서 배율은 약 2.5 이다. - 34 - 이용하여 (물리) 현미경과 망원경의 원리탐구 4차시 [과학기술 적용] 개념 이해 및 과학기술의 연관성 탐색 [2] 실험대에서 2개의 렌즈배열로 현미경 제작과 물체 관찰 현미경 모델을 위해 트랙 위에 2개의 렌즈를 배열하고 대물렌즈 앞의 작은 글씨가 확 Ÿ 대된 상을 관찰하게 한다. 첫 번째 렌즈와 물체 사이의 거리를 정하고 두 번째 렌즈를 이동하면서 최대로 확대 Ÿ 된 상을 관찰하게한다. 여분의 렌즈가 있다면 렌즈를 교체하여 실험하고 배율을 최대로 하는 조건을 알아본다 Ÿ 수업지도의 (1) Tip 제공된 여러개의 렌즈 중에서 직경이 가장 작은 렌즈와 두 번째 작은 렌즈를 1개씩 선택하고 각각의 렌즈의 초점거리를 측정한다. fo = ( 5 cm), fe = ( 10 cm) (2) 그림과 같이 초점거리가 가장 작은 것을 대물렌즈로 하여 지지대로 설치한다 (3) 접안렌즈는 초점거리가 5 cm 이하의 렌즈를 사용하여 설치한다 (4) 목표물로 작은 글씨가 프린트 된 종이를 설치하고 글씨를 손전등으로 비춘다 - 36 - (물리) 현미경과 망원경의 원리탐구 4) 공학적 적용 5차시 [공학적 산출물] 설계하기/공학적 결과 구현하기 [1] 망원경 제작 (1) 골판지나 4절지 크기의 두꺼운 종이를 아래 그림과 같이 A, B, D 로 잘라낸다. 그림의 수치는 사용할 렌즈의 초점거리와 직경에 따라 달라진다. 여기서는 초점거리 25 cm, 직경 7.5 cm인 대물렌즈와 초점거리 10 cm, 직경 5 cm 인 접안렌즈 경우이다. 수업지도의 Tip 너무 얇은 종이는 렌즈를 둘러싼 경통을 만들 수 없고 너무 두꺼운 종이는 말리지 않으 므로 적당한 두께가 필요하다. (2) A는 대물렌즈 경통, B는 대안렌즈 경통, D는 경통으로 A와 경통 B 사이 공간 메꾸는 데 사용한다. 오른쪽 그림은 A의 골의 방향에 수직으로 대물 렌즈를 세우고 경통을 만드 는 과정이다. (3) 대물렌즈를 안정적으로 세우기 위해 끝에서 약간 안쪽으로 세우고 렌즈가 닿는 곳에 양면 테이프를 사용한다. (4) 대안렌즈 역시 B를 이용하여 마찬가지 방법으로 제작하고 2 개의 경통 직경이 다르 므로 끼우개 역할하도록 D를 말아서 경통 B 둘레에 양면테이프로 붙인다. 수업지도의 Tip 대물렌즈를 선택할 때 배율을 높이려면 초점거리가 긴 것을 사용하게 된다. 그러나 초점거리가 길면 경통의 길이도 커지므로 망원경의 크기를 고려해야 한다. 대물렌 즈의 직경도 빛을 많이 받아들이기 위해 큰 것이 좋으나 너무 크면 접안렌즈의 경통과 결합할 때 제작하기 어려운 점이 발생한다. - 38 - 

STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 우리 주변에는 어떤 천연 항생물질이 있을까? 아주대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 아주대학교 과학영재교육원 프로그램 우리 주변에는 어떤 천연 항생물질이 있을까 이름 주요 과목 과학탐구실 험 관련 단원 관련 과목 생물 관련 단원 STEM 요소 S, T, M 지역 II. 생활 속의 과학 탐구, 05. 우리 주변에는 어떤 천연 항생 물질이 있 을까? 개발자 주요 수업 항생제의 기본 개념을 이해하고 천연물질의 항생작용을 확인하는 과정을 개요 체험하며 이를 통해 연구윤리, 결과 분석법, 과학적 사고력을 배양한다. 1차시 : 항생제의 기본 개념, 세균의 특징과 배양법, 항생제 내성 기작에 대한 기본 개념을 익힌다. 2차시: 현미경 사용법을 익히고 실제 세균과 기타 진핵생물을 자세히 관찰 차시별 주요내용 (키워드 위주) 하고 비교하는 능력을 기른다. 3차시: 세균을 배양하기 위한 한천고체 배지 제조의 원리를 이해하고, 안전 사항을 준수하여 직접 제조해본다. 4차시: 천연물질의 항생 작용을 검증법인 페이퍼 디스크법을 이해하고 실 행한다. 5차시: 실험결과를 해석하고 분석하며, 생물정보학의 개념을 이해하고 온라 인 프로그램과 염기서열을 이용한 세균동정법을 직접 체험한다.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    