힘과 속력변화 (우주선 조종 게임) - 관성, 중력

힘을 받은 물체는 모양이 변하거나 운동상태(속력이나 운동방향)가 변한다.

움직이는 우주선에 가해지는 알짜힘이 0이면 등속직선운동을 하게 된다. 
즉 외부에서 힘을 받지 않으면 운동상태가 변하지 않는다. 이것을 관성이라 한다.

학생들에게 수업하다 보면 이 관계를 잘 이해하지 못하는 경향이 있다.
특히 운동하는 물체는 운동방향으로 힘을 받고 있다는 오개념을 가지기도 한다.

그래서 힘과 속력변화를 체험할 수 있는 게임을 만들었다.

아래 링크에 접속해서 재미있게 게임처럼 놀면서 관성과 힘과 운동상태와의 관계를 이해하게 하면 된다.

https://sciencej1.cafe24.com/html5/inertia/kjs_inertia.html

<프로그램 사용법>

1. 조이스틱을 이용해서 우주선을 움직이게 하면 된다. 우주선에 힘을 가하면 속력이나 방향이 변한다.
  - 컴퓨터에서는 키보드 방향키로도 움직일 수 있다. (가능하면 조이스틱을 사용하게 하자)

2. 초기화 버튼을 누르면 우주선을 한가운데 정지시키고 처음부터 다시 시작할 수 있다.
  - 움직이는 우주선을 멈추기 힘들 때 사용한다.

3. 중력 여부에 체크 하면 중력이 작용해서 아래로 떨어지게 된다. 여러 행성을 선택해서 중력 크기를 바꿔 볼 수 있다.
  - 눈에 보이지 않지만, 중력도 우주선에 작용하는 힘이다. 따라서 우주선의 운동상태를 변화시킨다.

4. 경로표시를 누르면 우주선이 지나간 흔적이 남는다.
  - 우주선이 어떤 경로로 이동하고 있는지 알 수 있다

5. 게임하기를 누르면 게임을 할 수 있다. 요건 아래쪽에서 다시 설명

<수업시간 활용법>

1. 우주선을 우측으로 이동시켜 보자. - 우측으로 잠깐 동안 힘을 가하면 된다. 
  - 잠깐 힘을 가해 주면 등속직선운동을 하게 된다.

2. 우측으로 날아가는 우주선에 같은 방향, 반대방향, 수직방향으로 힘을 가해보자.
 - 같은 방향으로 힘을 가하면 속력이 빨라지고, 반대방향으로 힘을 가하면 속력이 느려진다.
 - 수직 방향으로 힘을 가하면 운동방향과 속력이 함께 변한다.
  (원운동의 경우 운동방향과 계속해서 수직으로 힘이 작용하지만, 이 프로그램에서는 운동방향과 계속 수직으로 힘을 줄 수 없으므로 방향 뿐만 아니라 속력변화도 생긴다.)

3. 이동하는 우주선을 가운데 정지시켜 보자.
 - 실제로 해보면 정말 어렵다. 학생들은 정지시키려고 우주선을 조종하면서, 우주공간에서 우주선을 제자리에 정지시키는 것이 얼마나 힘든지 체험하게 된다. 약간의 힘만 받아도 우주선은 힘을 받은 방향으로 운동하기 때문에 해서 정지시키는 건 정말 어렵다.

이런 과정을 체험하면서 학생들은 힘과 속력변화의 관계를 깨닫게 되고, 관성에 대해서도 깨닫게 된다.

4. 중력을 작동시키면, 아무 힘을 가하지 않아도 아래쪽으로 속력이 빨라지는 걸 볼 수 있다. 누가 힘을 주고 있는 건지 생각해 보게 한다.
  - 중력 크기가 달라진다면 속력변화는?
  - 중력이 있는 곳에서 위로 운동하고 있는 물체의 속력변화는?

<게임방법>

이론에 익숙해지면 게임하기를 눌러 경쟁을 시켜보자.
게임은 우주선을 조절해서 목표지점에 4초 동안 머물게 해야 한다. 이런 과정을 3번 반복하면 게임에서 성공하게 된다. 누가 더 짧은 시간에 성공시킬 수 있는지 경쟁시켜 보자.

난이도를 조절할 수 있다. 어려움을 선택할수록 목표 크기가 작아져서 성공하기 어렵다. 

중력을 작동시키면 게임이 훨씬 더 어려워진다.
성공하면 시간이 나온다. 시간이 짧을수록 더 잘했다고 볼 수 있다.

 

 

예전에 만든 컴퓨터에서 하는 게임은 아래 링크 참고

https://sciencelove.com/927

힘에따른 속력변화 프로그램 (우주선 조절 게임)