역학적 에너지와 운동량에 대한 대학생들의 개념 = College students' conceptions on mechanical energy and momentum

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 역학적 에너지와 운동량에 대한 대학생들의 개념을 조사하여 역학적 에너지와 운동량과 관련된 과학 교수학습에 시사점을 얻는데 있다.
대학생들의 역학적 에너지와 운동량에 대한 개념 조사 도구는 총 25문항의 선다형으로 구성되었으며 연구대상은 일반물리에서 역학적 에너지와 운동량에 대한 학습을 마친 대학생 79명이다. 조사 도구의 내용은 역학적 에너지 보존, 일, 운동량과 충격량, 운동량 보존에 관한 것으로 연구결과를 요약하여 정리하면 다음과 같다.
대학생들은 역학적 에너지 개념에 대해 비교적 잘 이해하고 있었으나 다음과 같은 오개념을 갖고 있었다. 같은 속력으로 물체를 던졌을 때 일정한 높이에서는 속력이 같은데도 물체를 던진 방향에 따라 속력이 다르다고 생각했다. 또한 낙하하는 물체의 운동 에너지는 시간의 제곱에 비례하는데 시간에 비례한다는 생각을 갖고 있었다. 중력이 물체에 한 일은 물체의 이동 경로와 관련이 없지만 이동 경로에 영향을 받는다고 생각하고 있었고 원 운동하는 물체에 작용한 힘이 한 일은 0이지만 그렇지 않다고 생각했다. 그리고 물체에 힘이 작용해 같은 양의 일을 할 때 운동 에너지는 물체의 질량과 속력 모두와 연관되는데 질량에만 좌우된다고 생각하고 있었다. 따라서 역학적 에너지에 대해 지도 할 때 연직 상방 운동과 포물선 운동 등 다양한 상황에서 역학적 에너지 보존을 제시하고, 학생들이 역학적 에너지와 같이 두 물리량 이상이 포함된 개념을 학습할 때 각 물리량과 물리 개념과의 관계를 독립적이 아닌 통합적인 관계로 인식 할 수 있도록 지도할 필요가 있을 것이다.
대학생들은 운동량에 대해서도 비교적 잘 이해하고 있었으나 다음과 같은 오개념을 갖고 있었다. 물체가 탄성 충돌할 때 계 전체에서 운동량이 보존되는데 물체 각각의 운동량이 보존된다고 생각했다. 또한 수평방향으로 움직이는 물체에 수직방향으로 움직이던 다른 물체가 덧붙어 함께 수평방향으로 움직일 때 합쳐진 물체의 수평방향 속력은 처음 수평방향으로 움직이던 물체의 속력보다 느려지는데 속력에 변화가 없다고 생각하고 있었다. 역학적 에너지와 운동량 개념이 모두 포함된 문항에 대한 오개념으로는 진자의 비탄성 충돌 전 높이로 후의 높이를 알기 위해서는 역학적 에너지 보존과 운동량 보존 원리 모두가 필요한데 역학적 에너지 보존 원리만으로 충분하다고 생각했다. 따라서 운동량에 대해 지도할 때 각각의 물체의 운동량이 보존되는 것이 아니라 계 전체에서 보존된다는 것을 강조하고, 역학적 에너지와 마찬가지로 질량과 속력의 두 물리량으로 구성된 운동량이 이 두 물리량과 통합적인 관계인 것을 인식 할 수 있도록 지도할 필요가 있을 것이다. 마지막으로 두 개념 이상이 포함된 문제를 통해 물리 개념 지도를 한다면 다양한 상황에서 보존 법칙을 적용할 수 있을 것이고 보다 확실한 개념 정착이 이루어 질 수 있을 것이다.
이상의 연구 결과를 활용하여 역학적 에너지와 운동량에 대한 교수학습 설계를 한다면 학생들의 개념학습에 도움이 될 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study was to investigate college students' conceptions on mechanical energy and momentum and suggest implications for teaching-learning of related concepts.
The questionnaire of 25 items was chosen, modified and completed for this study. The survey was administered to 79 college students. Students were supposed to choose the right answer.
The Students have misconceptions on mechanical energy as follows: ‘The objects have different speed according to the launching direction on the same height’, ‘The kinetic energy of the falling increases by equal amount in equal time’, ‘The work done on the object by gravitational force is related to the path’, ‘The work done on the objects which are in a circular motion by the force is not zero’, ‘The kinetic energy is only influenced by mass when the same work is done on objects by force’.
The misconceptions about momentum are as follows: ‘When the objects collide elastically, kinetic energy and momentum of every object rather than the entire system are conserved’, ‘In non-elasticity collision, the speed of the objects is independent of increasing mass’.
The misconceptions about question involved both mechanical energy and momentum are as follows: ‘A mechanical energy conservation law is enough to determine the height of a pendulum after the collision using the height of a pendulum before the collision’.
Therefore, we have to emphasize that the physical quantities are conserved in the entire system and it is necessary that the instruction of mechanical energy or momentum is applied to the various situations, for example, a motion moves upward vertically, parabolic motion. Also we need to help the students recognize the conceptions containing two or three quantities as synthetic rather than independent. Then the students can apply conservation laws to the various situations and they will have the scientific conceptions.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 = 1
• 2. 연구 문제 = 3
• 3. 용어의 정의 = 3
• 4. 연구의 제한점 = 4
• Ⅱ. 이론적 배경 = 5
• 1. 과학 개념 학습에 대한 이론적 고찰 = 5
• 2. 역학적 에너지와 운동량에 관한 과학사적 관점 = 10
• 3. 역학적 에너지와 운동량에 관한 선행 연구 = 13
• Ⅲ. 연구 방법 및 절차 = 19
• 1. 연구 대상 = 19
• 2. 연구 절차 = 19
• 3. 검사 도구 = 22
• Ⅳ. 연구 결과 및 논의 = 26
• 1. 역학적 에너지와 운동량에 대한 정답률 및 분석 = 27
• 2. 역학적 에너지에 대한 대학생들의 개념 = 29
• 3. 운동량에 대한 대학생들의 개념 = 47
• Ⅴ. 요약, 결론 및 제언 = 64
• 1. 요약 = 64
• 2. 결론 및 제언 = 66
• 참고문헌 = 68
• ABSTRACT = 70
• 부록 = 72