광속불변에 대한 예비교사교육: 더시터르의 쌍성계 논증을 중심으로
Teaching the Constancy of the Speed of Light for Pre-service Teachers: Focusing on de Sitter’s Binary Star Argument
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초록
광속불변의 원리는 특수 상대성이론의 기본 전제로서 일상의 경험과 매우 다르기 때문에 학생들이 특수 상대성이론을 학습할 때 가장 이해하기 어려워하는 내용 지식 중 하나이다. 본 논문에서는 광속불변에 관한 설득력 있는 천문학적 증거 중 하나인 더시터르의 쌍성계 논증이 무엇인지 소개하고, 이 논증을 활용하는 세 가지 접근 방식을 예비 물리교사 교육 차원에서 제안하였다. 첫 번째 방식은 정성적인 접근으로 일체의 수식 없이 쌍성계 논증의 기본 아이디어를 소개하는 방식이다. 두 번째 방식은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 접근으로 학생들이 '지오지브라'를 활용하여 지구에서 쌍성계를 관측했을 때 나올 법한 결과를 시각적으로 확인하는 방식이다. 세 번째 방식은 실제 천문학 관측 자료를 활용하여 이미 익숙한 케플러의 법칙과 광속불변을 개념적으로 연결시키는 방식이다. 예비 물리교사 교육에서는 이 논문에서 제안하는 세 가지 접근 방식을 상호 보완적으로 활용할 수 있을 것이다.
Abstract
The principle of “the constancy of the speed of light” is a basic postulate of the special theory of relativity. And it is one of the most difficult content knowledge for students to understand because it is very different from everyday experience. In this paper, we introduce de Sitter’s binary star argument, one of the persuasive astronomical evidences for the constancy of the speed of light. And we propose three teaching approaches from the perspective of pre-service physics teacher education. The first approach is a qualitative approach that introduces the core idea of the de Sitter’s argument without any mathematical details. The second approach is to use a computer simulation (GeoGebra) that allows students to visualize the results that would be expected when observing binary star systems from Earth. The third approach uses actual astronomical observation data to conceptually connect Kepler's laws which are already familiar with and the constancy of the speed of light. The three approaches proposed in this paper can be used in a complementary manner in the pre-serive physics teacher education.