Earticle

최근 투명망토를 현실화할 수 있는 광학 기술과 이론들이 등장함에 따라 빛의 굴절 이론과 관련한 광학 분 야의 응용과 융합이 새롭게 주목 받기 시작하였다. 이에 빛의 굴절 이론에 관심을 가지고 굴절률에 따른 빛의 궤 적과 신기루 현상에 관한 연구를 시작하게 되었다. 본 연구에서는 공기의 밀도는 온도에 가장 크게 영향을 받으며 빛의 굴절률과 공기의 온도는 서로 반비례하고, 빛은 공기의 온도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 휘어진다는 것을 실 험으로 증명하였다. 그 실험 결과로 공기층의 온도 변화에 따른 빛의 궤적의 이론값과 실제 측정값을 비교 분석하 였으며 급격한 공기층의 온도 변화로 발생하는 신기루 현상을 실험실에서 직접 구현하였다.

As the optical technology and theory that enable the realization of invisibility cloak emerge recently, the application and fusion of optical areas related to the theory of light refraction have been receiving renewed attentions. These developments have motivated our study of the theory of light refraction related to the curved trajectory of light and mirage phenomenon due to the variation of refractive index of air. In this study, it was proved by experiments that the air density was most affected by the air temperature, that the refractive index was inversely proportional to air temperature and lastly that the light trajectory curved from low to high temperature region. Measured parameters for the trajectory of light have been analyzed and compared with the theoretical predictions due to the variation of air temperature. In addition, the mirage in the laboratory has been demonstrated under controlled conditions with the drastic variation of air temperature.

기하광학에서의 광선작도는 빛의 진행과정을 시각적으로 형상화할 수 있다는 측면에서 중요성을 가진다. 굴절 개념의 경우, 직진이나 반사에 비해 난이도가 높은 탓에 학생들 뿐만 아니라 교사들의 경우에도 이해도가 낮다. 올바른 개념이해를 위하여 광선을 그려보는 활동과 이를 실제 상황에 적용해보는 활동이 필요하다. 이에 따라 이 연구에서는 교사들의 시각적 형상화를 돕기 위해 광선작도 활동이 포함된 빛의 굴절에 대한 동료 교수법 교사연수 프로그램을 개발 및 적용하고 개념변화 정도를 측정하였다. 예비교사 29명과 초등교사 21명에게 각각 적용하고 사전, 사후 검사 점수를 분석하였다. 사전검사의 분석 결과, 빛의 굴절을 초중등 교육과정에서 학습하였음에도 불구하고, 수업 전에는 대부분의 연구 참여자가 굴절되는 빛의 경로를 잘 이해하지 못하고 있었다. 동료 교수법 교사연수 프로그램을 적용한 후에 시행된 사후 검사 결과, 광선작도 연습이 시각적 형상화를 도와 학습한 내용을 다른 맥락에 적용할 수 있도록 해준 것을 알 수 있었다. 따라서 빛의 굴절을 이해할 수 있는 교사연수 프로그램으로서 빛의 경로를 시각적으로 형상화 하여 이해하고 개념검사문항을 통해 이를 적용해볼 수 있는 프로그램을 제안한다.

Ray drawing in geometrical optics is an effective method for visible imagery of light. In this study, we developed peer instruction materials for in-service teachers' training concepts on the refraction of light including drawing rays. And then we applied these programs to 29 pre-service teachers and 21 in-service primary teachers and evaluated the degree of conceptual change in correct points from the pretest and the post one. As a result of pretesting, in spite of experiences for learning this topic in elementary and secondary education courses, most participants in the study did not well understand the path of refracted light before instructions. However, the result of post testing after the application of peer instruction materials shows that they have practiced ray drawing, which is helping visible imagery. Accordingly, in learning geometrical optics, we suggest that peer instruction with ray drawing activity for teachers' training program would be effective. We also suggest that similar approaches would be applied to other context.

최근 투명망토를 현실화할 수 있는 광학 기술과 이론들이 등장함에 따라 빛의 굴절 이론과 관련한 광학 분야의 응용과 융합이 새롭게 주목 받기 시작하였다. 이에 빛의 굴절 이론에 관심을 가지고 굴절률에 따른 빛의 궤적과 신기루 현상에 관한 연구를 시작하게 되었다. 본 연구에서는 공기의 밀도는 온도에 가장 크게 영향을 받으며빛의 굴절률과 공기의 온도는 서로 반비례하고, 빛은 공기의 온도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 휘어진다는 것을 실험으로 증명하였다. 그 실험 결과로 공기층의 온도 변화에 따른 빛의 궤적의 이론값과 실제 측정값을 비교 분석하였으며 급격한 공기층의 온도 변화로 발생하는 신기루 현상을 실험실에서 직접 구현하였다.

As the optical technology and theory that enable the realization of invisibility cloak emerge recently, the application and fusion of optical areas related to the theory of light refraction have been receiving renewed attentions. These developments have motivated our study of the theory of light refraction related to the curved trajectory of light and mirage phenomenon due to the variation of refractive index of air. In this study, it was proved by experiments that the air density was most affected by the air temperature, that the refractive index was inversely proportional to air temperature and lastly that the light trajectory curved from low to high temperature region. Measured parameters for the trajectory of light have been analyzed and compared with the theoretical predictions due to the variation of air temperature. In addition, the mirage in the laboratory has been demonstrated under controlled conditions with the drastic variation of air temperature.

정밀 수준측량은 지각의 상하변동을 조사하거나 지진예지를 위하여 중요한 수단의 하나이다. 본 연구는 대기층에서 발생하는 빛의 굴절이 경사지 수준측량에서 어떠한 영향을 미치는가를 고찰하는데 목적이 있다 본 연구에서는 Kukkamaki의 이론과 기상관측 자료를 토대로 Kukkamaki의 보정량이 경사지 전후시 수준측량오차에 어떠한 영향을 미치는가를 실제 실험을 통하여 시도하여 보았다. 실제적으로 경사 1고정측점(2/100∼4/100)에서 전후시 반복관측과 경사지 연속 관측 루트를 통하여 빛의 굴절의 영향과 그 특성을 고찰하였다 특히, 경사지 수준측량(2/100-4/100)에서 빛의 굴절오차를 최소화 하기위여는 시준거리를 25-30 m로 하는 것이 이상적이다. 또한, 경사지연속관측 결과 Kukkamaki의 계산값과 실측값이 거의 일치하고 있음을 알 수 있었다.

The precise leveling is one of the important means of investigating fluctuation of earth's crust and foreknowing earthquake. This paper aims to study refraction errors developed in the inclined leveling route. Based on Kukkamaki's theory and data of weather, the author devised an experiment to test how Kukkimaki's corrections improved the discrepancy between fore and back sight leveling in actual slope. Additionally, through the repeated observation between fore and back sight leveling at one fixed station in the slope(2/100-4/100) and the experimental tests of continuous inclined leveling route, the author studied the effects and charcteristics of refraction. Especially, in inclined leveling(2/100-4/100), the distance of line of sight is ideally to be 25-30 m to minimize refraction errors. From the results of experimental tests of continuous inclined leveling route, the values of calculation by Kukkimaki's corrections were found to be nearly in accord with the values of observation.

본 논문은 새로운 교육환경에 부응하는 학습자 중심의 시뮬레이션 코스웨어를 설계 구현하였다. 그 소재는 고등학교 물리과목의 빛의 반사와 굴절로 한다. 이 논문에서는 코스웨어의 유형과 학생 중심 학습 신념이나 대체 개념을 교수-학습에 고려한 구성주의 학습 개념을 정의하고 이론적 배경을 소개한다. 컴퓨터 시뮬레이션의 교수-이론 구조 절차를 살펴보았으며. 빛의 반사와 굴절에 대한 기본적인 개념을 다루고, 구면거을의 상과 렌즈의 상을 간단한 원리와 관계식 모형으로 설명한다. 구성주의 학습이론에 근간한 컴퓨터시뮬레이션 코스웨어 설계절차를 제시하고 구현함으로써 빛의 반사와 굴절시 물체의 거리와 초점거리의 변화에 따라 상의 종류 상의 형태상의 거리가 변화함을 보여주고 있다.

The purpose of this study is to design and materialize the simulated courseware which is based on new educational environments and student-based education. The scope of this study is reflection and refraction of in the physics of high school. This paper introduce the theoretical background of courseware and investigate the structure and process of the teaching-theory by visualized computer simulation. We applied the basic concept about the reflection and refraction of light and explained the simulated images of spherical mirror and lens with the principles expressions and relative image forms. The last we simulated the various kinds of the images, shapes and distance of the images by changing the distance of object and focus which are made by computer simulation.

이 연구의 목적은 7학년 과학 교과서의 빛 단원에 사용된 화살표의 유형을 분석하고, 화살표의 의미에 대한 중학생들의 개념을 알아보는 데 있다. 중학교 과학교과서 9종의 빛 단원에 사용된 화살표의 유형을 분류하고, 이를 바탕으로 검사도구를 개발하였다. 7학년 학생의 과학 성적에 따라 상, 중, 하 각 2명씩을 대상으로 하여 화살표의 개념을 어떻게 인식하고 있는지 면담법으로 조사하였다. 중학교 과학교과서의 빛 단원에 사용된 화살표의 유형은 물체에서 나온 빛이 눈에 도달하는 과정에 따라 4가지로 나눌 수 있었다. 화살표의 점선과 실선에 대한 개념 이해는 과학 성적에 따라 서로 다르게 나타나는 경향을 보였다. 빛이 평면 거울면에 반사하거나 공기와 물의 경계면에서 굴절하여 우리 눈에 들어오는 빛의 경로를 표현할 때, 물체에서 나온 화살표의 실선과 물체가 위치하고 있다고 인식하는 화살표의 점선의 의미를 명확히 제시하여 가르치는 것이 필요하다.

This study aims to analyze the types of arrows used on the inscriptions in the light unit of 7th grade science textbooks, and to investigate middle students' conceptions on the meaning of the arrows. The types of arrows in 9 science textbooks were analyzed. Based on this analysis, the instrument was developed to access how 7th graders perceive the meaning of arrows. In addition, we interviewed 7th graders, 2 students in high level, 2 in the middle, and 2 in low level by their achievement level, to investigate their perceptions on the meaning of the arrows. We analyzed 4 types of arrow by the process in which the reflected light from the object come into one's eyes. Students tend to perceive the meaning of the solid line and the dotted line of arrows differently according to their achievement level. When the light pathway is represented in which the reflected or refracted light enter into our eyes, it is necessary to describe and teach clearly both the meaning of solid line as the light from the object and the meaning of dotted line as the perception of the existence of the object.

본 연구에서는 원형 캡 레이저포인터를 활용하여 렌즈에 의해 굴절된 빛의 이동경로를 가시적으로 쉽게 확인할 수 있는 실험을 개발하고, 개선된 실험을 수업에 적용하여 학생들이 렌즈에 의한 굴절 현상을 더 쉽게 이해하였는지를 확인하고자 하였다. 이를 위하여 서울 소재 초등학교 6학년 학생 82명을 실험반과 비교반으로 나누어, 실험반에는 본 연구에서 개발한 개선된 실험을, 비교반에는 교과서에 제시된 실험을 적용하고 사후검사를 실시하였다. 연구 수행 결과 실험반과 비교반 모두 개념 이해도가 사전에 비해 사후에 유의미하게 향상되었지만, 원형 캡 레이저포인터를 활용한 개선된 실험을 적용한 실험반의 사후 개념 이해도가 비교반의 사후 개념 이해도보다 통계적으로 유의미하게 높았다. 학생들에게 실시한 설문을 분석해본 결과, 빛의 이동경로를 가시적으로 확인할 수 있었기 때문에 실험반의 사후 개념 이해도가 더 높은 것으로 분석되었다. 그러므로 빛의 이동경로를 시각적으로 확인할 수 있는 원형 캡 레이저포인터를 활용한 실험이 교과서에 제시된 실험보다 학생들의 개념 이해도 향상에 효과적인 것으로 제안한다.

This study improves the experiment about light refracted by a lens using a laser pointer with an attached head converter and applying it to science lessons. The purpose of this study is to improve students’ level of understanding about the concept of light by observing the light refracted by a lens. For the verification of the revised experiment, 82 sixth-graders from four classes were chosen and divided into two groups: the experimental group and the comparative group. The results revealed that both group’s comprehension improved, and the experimental group’s understanding was significantly higher than the comparative group’s. While analyzing the survey that students responded to, the reason why the experimental group had higher levels of understanding is that they could see the light refracted by the lens. As students can see the light in the revised experiment, using the laser pointer with the attached head converter, this helps them to understand the concept of light refracted by a lens.