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조회 : 11516 | 2005-01-12

1. 실험 목적
태양이와 별이는 모처럼 휴일을 맞아 국립과학관에 갔다.
우와! 이토록 근사한 유물이 많을 줄이야. 앗! 그런데 이건 뭐지? 오목한 솥처럼 생긴 무언가를 발견한 태양이와 별이는 호기심에 조심스럽게 그 앞으로 다가갔다. 음, 여기 써있는 것을 보니 앙부일구? 해시계라는데 이것으로 어떻게 시간을 안다는 건지???




둘은 알 듯 말 듯 이상한 해시계를 들여다보다 내일학교에서 과학 선생님께 여쭤보기로 하였다.
“선생님 앙부일구가 뭐예요?”
“어? 앙부일구? 응, 앙부일구는 ‘하늘을 쳐다보는 솥 모양의 해시계'라는 뜻으로, 쉽게 말해서 오목해시계야. 세종 시대에 서울 혜정교와 종묘 남쪽 거리에 돌로 대를 쌓아 이것을 설치하고 백성들이 오며 가며 볼 수 있도록 했어. 우리 나라 최초의 공중 해시계지.“
“해시계는 어떻게 시간을 알 수 있는 건데요?”
“음, 예를 들어 막대기를 수직으로 세우고 해 그림자 길이가 어떻게 생기는지 보자구. 가장 짧은 그림자가 생길 때가 언제야?“
“그야 해가 가장 높이 뜰 때지요.”
“그래 그 때를 정오라고 하는 거지.”
“어때? 원리는 간단하지? 실제로 해시계는 인류의 역사가 시작된 이후 가장 먼저 사용된 시계란다.”
“태양이와 별이가 이렇게 해시계에 관심이 많았는지 몰랐는걸. 좋아 그렇다면 다음 재료를 가지고 해시계를 직접 만들어서 날짜와 시간을 정확히 맞춰보자.”



2. 실험준비물
해시계 평면도, 가위, 풀 또는 테이프, 나침반



3. 실험방법
① 해시계 평면도를 뜯어낸다
② 날짜와 시간이 있는 평면도를 반 원통형이 되게 구부리고 반원형의 받침을 양쪽에 붙인다. 중심 부분을 정확하게 맞추어야 하므로 가운데 중심선부터 맞추어 붙인 후 양쪽으로 붙여 나간다
③ 받침대 평면도를 접어서 해시계 받침을 만든다
④ 받침대와 지면의 기울기는 얼마일까요?
⑤ 이 받침대의 각도는 서울 지방의 위도와 맞추어져 있으므로 서울 지방이 아닌 경우는 위도를 찾아서 각도를 다르게 조절해야한다
⑥ 받침에 해시계를 붙이고 해시계의 그림자 침을 가운데에 고정을 시킨다
⑦ 그림자침의 십자선 중앙부분에 구멍이 뚫려 있나 확인한다
⑧ 해가 떠있는 야외나 창가로 가서 나침반을 놓고 북쪽을 찾는다.
완성된 해시계를 반드시 수평면인 곳에 놓아야한다. 그림자침의 점의 위치는 수평면이 아닌 곳에서는 원래 위치보다 길어질 수도 있고 짧아질 수도 있으므로 수평면인 곳에서 해야 한다
⑨ 그림자침의 방향이 북쪽을 향하게 놓고 그림자침이 만든 점의 위치를 읽는다
⑩ 시간은 어떻게 읽을까요?
세로선을 따라 읽는다. 그림자침의 그림자가 가리키는 세로선을 읽어주면 시간이 된다
⑪ 날짜는 어떻게 읽을까요?
해시계 평면도에서 살펴보면 날짜는 가로선을 따라 읽으면 된다





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4. 실험 속 과학원리
- 받침대와 지면의 기울기는 얼마일까요?
받침의 기울기(φ)가 우리가 사는 지방의 위도(서울 37.5°)가 되어야 한다.

- 시간은 어떻게 읽을까요?
그림자침의 그림자가 가리키는 세로선을 읽어주면 시간이 된다. 아침에 해는 동쪽에 있으므로 해시계의 그림자침의 그림자는 서쪽으로 생긴다. 해시계의 그림자 침을 북쪽으로 해놓으면 그림자는 서쪽인 왼쪽 편부터 생기기 시작된다.

- 날짜는 어떻게 읽을까요?
해시계에서 날짜는 가로선을 따라 읽으면 된다. 해시계가 만드는 그림자의 길이는 일년 중 어느 때 가장 길까?
지구는 23.5°기울어져 공전하므로 일년동안 해의 고도는 달라진다. 그림에서 보듯이 해의 고도가 가장 높을 때는 하지이며 가장 낮을 때는 동지이다. 따라서 동지 때 그림자의 길이가 가장 길어진다. 이 해시계의 가로선을 살펴보면 중앙은 3월22일(춘분)과 9월22일(추분)에 맞추어져 있으며 그림자 길이가 길어지는 위로 올라갈수록 동지쪽이며 그림자 길이가 짧아지는 아래쪽으로 갈수록 하지이다.

- 왜 그림자 침을 북쪽으로 맞추어야 할까요?
지구의 자전으로 우리는 매일 해의 일주운동을 보는 셈이다. 따라서 일주권의 중심인 지구 자전축이 있는 북쪽으로 맞추어야 한다. 이때 우리가 사는 곳의 위도가 북극성의 고도와 같으므로 그림자 침과 수평면사이의 각이 우리가 사는 곳의 위도와 같다.




- 나침반이 가리키는 방향으로 북쪽을 정하면 정확할까요?
지구의 자전축이 가리키는 북쪽은 진북이라고 한다. 그런데 나침반이 가리키는 북쪽은 자북이라고 하여 진북과 자북은 일치하지 않는다. 이때 진북과 자북의 차이를 편각이라고 하며 서울의 경우 편각은 6.5°W(진북에 대해서 자침이 가리키는 북쪽이 6.5°서쪽을 가리킨다.)이다. 따라서 진북을 찾으려면 나침반이 가리키는 자북에서 6.5°E을 찾아야 정확한 북쪽이 된다.

보너스 실험-손목시계로 방향 찾기
우리나라에서 해는 동에서 떠서 남쪽 하늘을 거쳐 서로 진다. 따라서 새벽에는 해가 있는 방향이 동쪽이고 한낮에는 남쪽, 해가 질 때는 서쪽이다.
시계를 평평한 곳에 놓고 짧은 바늘을 해가 비치는 쪽으로 맞춘다. 그런 다음 시계의 중앙으로부터 짧은 바늘과 12라는 숫자사이의 중간 지점을 통과하는 선을 그린다. 이 선이 가리키는 쪽이 어느 쪽일까? 선은 남쪽을 가리키고 그 반대쪽이 북쪽이다.
12시전에는 짧은 바늘과 12사이에 시계 반대 방향으로 생기는 각을 이등분하고 12이후에는 이후에는 시계방향으로 생기는 각을 이등분하면 된다. 그러면 12시에는 어느 쪽이 남쪽일까? 정오에 해가 남쪽에 있으니까 짧은 바늘을 해가 있는 쪽으로 향하면 바로 그 쪽이 남쪽이다.
왜 그럴까요?
지금 아침 9시라면 해는 어느 쪽에 있을까요? 보통 6시 정도에 해가 동쪽에서 떠서 12시면 남중하므로 9시면 동쪽과 남쪽의 중간에 있을 것입니다. 그렇다면 시계를 들어 9시를 가리키는 짧은 바늘을 해가 있는 쪽으로 놓으면 12시의 긴 바늘과 9시의 짧은 바늘은 90도를 이루므로 그림에서와 같이 가운데가 남쪽을 가리키게 되지요.



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