<수업설명팁> 역학적 에너지를 개수로 쉽게 설명하기

공식을 들이밀면 우선 겁부터 먹는 학생들이 있다. 막연히 어려울 것 같다는 생각 때문이다.

역학적 에너지 보존법칙을 가르칠때도 마찬가지다 운동에너지와 위치에너지 공식을 적어 놓고 설명을 하면 

운동에너지와 위치에너지 공식도 잘 이해하지 못 한 학생들에게는 수업을 듣지 말라는 것과 같다.

 

그래서 오늘 수업시간에 역학적에너지 보존법칙을 설명할때 에너지를 개수로 바꿔서 설명해 보았다.

운동에너지와 위치에너지를 몰라도 쉽게 접근이 가능하고 나중에 개념이 이해되고 나면 운동에너지와 위치에너지의 공식과 연관시켜 주었다.

 

 

<설명방법> 롤러코스터 그림을 제시하고

 

공기저항이나 마찰을 무시할 때 역학적에너지는 항상 보존된다.

즉 운동에너지와 위치에너지는 서로 전환될 수 있다는 것이다.

 

10m높이에 출발 준비를 하고 있는 롤러코스터의 위치에너지를 10개라고 해보자. 

높이가 1m 올라갈때 마다 위치에너지는 1개씩 늘어난다고 가정하자

운동에너지는 움직이지 않고 있으니(속력이 0) 0 이다.  그럼 역학적 에너지는 운동에너지와 위치에너지의 합이니까

몇개가 될까?

그렇지 위치에너지 10개 운동에너지 0개 따라서 역학적 에너지는 10개가 된다.

 

역학적 에너지 10개는 어느 위치에 있더라도 변하지 않는다.

 

8m 지점을 지나고 있는 열차의 역학적 에너지는 몇개일까? 당연히 10개가 된다. 

 

그럼 위치에너지는? 8m 를 지나고 있으니까 위치에너지는 8개가 되겠지.

그럼 운동에너지는? 속력을 확인 할 수 없지만 역학적 에너지 보존법칙에 의해 총 10개가 되야 하므로 운동에너지는 2개가 될 것이다.

 

즉 줄어든 위치에너지 갯수가 증가한 운동에너지 개수가 된다.

가장 아래지점을 지날때는 위치에너지는 0개가 된다. 그럼 운동에너지는 10개가 된다. 왜냐하면 역학적에너지는 항상 10개가 되어야 하기 때문이다.

 

어느 높이를 지날때 운동에너지와 위치에너지의 비가 4:1이 될까?

위치에너지가 2개 운동에너지가 8개일때 일 것이다. 즉 2m 높이를 지날때 이다.

 

이런식으로 갯수를 가지고 설명하면 공부에 관심 없는 학생도 어려운 문제도 쉽게 대답하는 걸 볼 수 있다.

 

조금 더 생각할 수 있는 어려운 문제를 출제해 보자

 

진자의 운동에서 진자가 중심에 왔을때 가장 빠를까? 아니면 중심에 도달하기 직전에 가장 빠를까? 아니면 중심을 지나 조금 이동했을때가 가장 빠를까? 진자가 처음 멈춰 있는 높이는 10m 위치에너지는 10개라고 가정하자

 

학생들 사이에 논란이 일어난다. 도달하기 직전이 내려오고 있으니까 제일 빠를 거라고, 또는 중심을 지나자 마자가 제일 빠를 거라고, 역학적에너지를 가지고 다시 설명해 준다.

 

10개의 역학적에너지 중 어느 위치에서 위치에너지가 가장 적고 운동에너지가 가장 많을지를...

그럼 학생들은 가장 아랫부분에서 가장 빠르다는 걸 쉽게 이해하게 된다. 가장 아랫부분에서는 위치에너지는 0개  운동에너지는 10개가 되므로

 

그래도 이해 못하는 학생들은 먹을 걸로 예를 들어 주면 좋다.

 

10m면 사탕 10개 9m면 사탕 9개 까지 가질 수 있다. 남은 사탕은 옆에 앉은 운동친구에게 주어야 한다. 뭐 이런 식으로...   

 

과학은 개념을 이해하고 나면 쉽다. 그런데 무턱대고 어려운 공식과 함께 접근을 하면 어렵게 느껴질 수 있다. 내가 수업시간에 가장 많이 하는 말 중에 하나가 '선생님 설명만 잘 들으면 초등학생도 이해할 수 있어!' 라는 말이다. ^^

 

역학적에너지 공식은 모르더라도 이 정도면 초등학생도 이해시킬 수 있지 않을까?

 

 

참고로 롤러코스터 동영상은 아래 링크 참고

https://sciencelove.com/1293

역학적에너지 보존(세계 최대의 롤러코스터)