본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

운동 방정식을 활용한전향력 회전 원판 실험에 대한 정량적 분석

An Quantitative Analysis of Motion of a Bead in a Rotating Disc with the Equation of the Coriolis Force

0

조회

0

다운로드

0

인용

0

참고문헌

키워드

초록

전향력은 대기와 해양의 자연현상을 이해하기 위한 필수 개념이다. 과학과 교육과정에서는 전향력을 주요 내용 요소로 지정하고 대기 및 해양의 순환을 학습하기 위한 선행 개념으로 다루고 있다. 다만 전향력 크기가 일상적으로 경험할 수 없을 정도로 작기 때문에, 많은 학생들이 해당 개념을 이해하는 데 어려움을 겪고 있다. 이에 따라 전향력의 효과를 가시적으로 관찰할 수 있는 다양한 실습법이 개발되어 일선 교육 현장에 투입되고 있다. 이러한 활동들은 주로 회전 원판상 물체의 운동을 관찰하는 방식으로 진행되지만, 실험 장치와 실습 수행 기법에 내재한 한계들은 오히려 학생들의 올바른 개념 형성에 걸림돌로 작용할 가능성이 크다. 이러한 문제들의 대부분은 물체의 이동 경로를 전적으로 전향력에 의한 영향으로 해석하는 과정에서 발생한다. 본 연구에서는 객체 추적 프로그램을 통해 회전하는 원판 위에서 움직이는 물체의 운동을 기록하고, 운동 방정식으로부터 도출된 해석해를 활용하여 물체에 작용하는 전향력과 원심력을 분리하여 분석하였다. 그 결과, 객체 추적 프로그램으로 획득된 위치 및 속도 자료가 물체에 작용하는 전향력과 원심력의 정량적 분석에 사용될 수 있음을 확인하였다. 또한 해석해의 유도 과정 및 결과 분석에서 토의된 오차 유발 요인들은 현장의 실습 여건에 따라 임의로 결정되는 구슬의 초기 위치와 속도에 다양하게 적용될 수 있어, 실습 결과에 대한 정량적 해석의 폭이 크게 향상될 것으로 기대된다.

Abstract

The Coriolis force is a fundamental concept for understanding natural phenomena in the atmosphere and ocean. Therefore, it is introduced as a key element in the high school science education curriculum and considered a prerequisite concept for understanding atmospheric and oceanic circulation. However, many students encounter difficulty in grasping this concept due to the relatively small magnitude of the Coriolis force in common experiences. To address these difficulties, various practical methods for perceiving the effects of the Coriolis force have been developed and implemented in classrooms and educational settings. These activities mainly involve observing the motion of objects on a rotating disc, but limitations inherent in experimental apparatus and instructional techniques may hinder students' proper conceptual understanding. These limitations primarily arise when the trajectories of objects are interpreted as being solely influenced by the Coriolis force. In this study, the positions of a moving bead on a rotating disc are recorded using an automated object tracking algorithm. We then used an analytical solution, derived from the equations of motion, to separately assess the effects of the Coriolis and centrifugal forces on the bead. Our finding confirm that by utilizing the recorded positions and estimated velocities from the algorithm, we can successfully identify the two forces acting on the bead. Furthermore, the study presents a detailed derivation process of for the analytical solution and explores the underlying factors contributing to experimental errors. These insights can be applied to various initial positions and velocities of the beads on the disc which are arbitrarily determined on actual classroom and educational settings. The use of this method is expected to significantly expand the scope of quantitative analysis of experimental results.

참고문헌 (26)

  1. 경재복, "고등학교 지구과학Ⅱ" (2007), 중앙교육진흥연구소
  2. 교육부, "2015 개정 과학과 교육과정", ~ (2015)
  3. 교육부, "2022 개정 과학과 교육과정", ~ (2022)
  4. 김은주, "전향력에 의한 현상을 효과적으로 교육시킬 수 있는 실험 장치의 개발", 한국지구과학회지, 30(6), pp.787~798 (2009), 한국지구과학회
  5. 김은주, "예비 지구과학 교사의 전향력 개념에 대한 정신모형 변화 분석", 한국과학교육학회지, 36(3), pp.423~434 (2016), 한국과학교육학회[DOI]
  6. 김희수, "고등학교 지구과학Ⅱ" (2007), 천재 교육
  7. 박종원, "이론과 실행의 관계를 고려한 과학교사의 내용 지식과 교수 내용 지식 개념에 대한 논의", 교원교육, 37(3), pp.187~209 (2021), 교육연구원
  8. 오필석, "고등학교 지구과학Ⅱ" (2018), 천재 교육
  9. 이기영, "고등학교 지구과학Ⅱ" (2018), 비상 교육
  10. 이문원, "고등학교 지구과학Ⅱ" (2004), 금성출판사
  11. 이진우, "고등학교 지구과학Ⅱ" (2018), 미래엔
  12. 이태욱, "고등학교 지구과학Ⅱ" (2015), 교학사
  13. 위지은, "전향력이 태풍 발생 및 이동에 미치는 영향을 이해할 수 있는 실험 방법 개발", 한국지구과학회지, 33(6), pp.544~553 (2012), 한국지구과학회[DOI]
  14. 장승환, "전향력 발생 원리를 고등학생들에게 설명하기 위한 새로운 방법", 한국지구과학회지, 32(1), pp.73~83 (2011), 한국지구과학회
  15. 정진우, "제 7차 교육과정의 고등학교 지구과학 Ⅱ 교과서에서 해양단원 내용의 분석", 석사, 지구과학교육, pp.2009
  16. 지동표, "공업수학" (1998), 영지문화사
  17. 허창회, "고등학교 지구과학 Ⅱ" (2004), 지학사
  18. Bauer W, "University Physics with Modern Physics", pp.299~301 (2014), McGraw-Hill
  19. "Tracker Video Analysis and Modeling Tool (Version 6.1.2)" (2023)[URL]
  20. Cross R, "Rolling motion of a ball on a turntable", Physics Education, 56(6), pp.065003~ (2021)
  21. Haddout S, "Motion of a point mass in a rotating disc : a quantitative analysis of the Coriolis and centrifugal force", Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 46(2), pp.83~96 (2016)
  22. Knauss J, "Introduction to Physical Oceanography", pp.96~97 (2016), Waveland Press
  23. Kundu P, "Fluid Mechanics", pp.619~ (2008), Elsevier
  24. Lewowski T, "Measurement of the effect of Coriolis and centrifugal forces on the trajectory of a body in a rotating frame", European Journal Physics, 20(2), pp.109~116 (1999)
  25. Persson A, "How do we understand the Coriolis force?", Bulletin of the American Meteorological Society, 79(7), pp.1373~1386 (1998)
  26. Ross DA, "Introduction to Oceanography", pp.207~209 (1995), Harper Collins College Publishers

관련 논문AI추천

이 간행물의 다른 논문 (9건)