중등과학교과에서 동영상을 활용한 물체의 운동 분석 연구

국문 초록 (Abstract)

8학년 과학 교과서 “여러 가지 운동” 단원의 내용 중에서 동영상 활용이 효과적인 실험을 선정하고 물체의 운동을 분석하였다. 실험 촬영할 때는 초당 프레임률을 달리하면서 분석에 적합한 조건을 탐색하였다

자유낙하운동, 단진자의 운동, 원운동, 물방울의 낙하시간 측정, 빗면을 굴러 내려오는 물체의 운동, 땅으로 떨어지는 물체의 운동과 공기저항, 물풍선이 터질 때의 모양변화를 촬영하여 코덱의 변환과정을 거쳐 동영상 운동 분석 프로그램에 사용하였다. 동영상을 활용하여 물체의 운동을 분석해 본 결과 기록타이머, 초시계, 다중섬광장치, 포토게이트 등을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 다양하게 응용이 가능하였다.

초당 420프레임 내지 초당 1000 프레임으로 고속동영상을 촬영가능한 디지털 카메라를 사용할 경우 짧은 시간에 이루어지는 물체의 운동관찰을 용이케 했으며, 탐구력과 창의성을 증진시키는 새로운 실험 방법으로 개발될 가능성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This research chose effective experiments using video and analysed physical motion in eight grade science textbook "variant physical motion".
This record experiments in variant frame per second(FPS). And this explored many possible experiment condition.
This analysed variant experiments using video: Free falling motion, Circle motion, Calculation dropping time in a mass falling water, Dropping motion and air friction, Observation changing shape in bombing water balloon. This found out effective motion analysed method using video. Using video analysis is a alternative method : recording timer, multi lighting device, photogate, etc.
Using recordable fast moving object digital camera(420fps or 1000fps), this record very short time motion and analysed motion. Using video analysis offered a new experiment method in promoting creativity.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 국문초록 ⅲ
• 표 목차 ⅳ
• 그림 목차 ⅴ
• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구의 제한점 2
• 3. 용어의 정의 2
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 중학교 과학 교과에서의 물체의 운동 개념 4
• 1)중학교 교과에서의 물체의 운동 내용 4
• 2)“여러 가지 운동” 단원에 대한 내용 분석 5
• 2. 동영상을 활용한 운동 분석 6
• 1)동영상을 활용한 운동 분석의 장점 6
• 2)동영상을 활용한 운동 분석의 단점 7
• 3)동영상을 활용하기 위한 프로그램의 종류 7
• 3. 디지털 카메라의 촬영원리 8
• 4. 동영상을 촬영하기 위한 하드웨어와 소프트웨어 9
• 5. 동영상 분석 프로그램을 사용하는 방법 10
• 1)동영상 분석 프로그램의 기초 작업 10
• 2)동영상 분석 프로그램의 적용 예시 11
• Ⅲ. 연구 방법 및 결과 15
• 1. 동영상으로 촬영한 실험 주제 15
• 2. 동영상을 활용한 실험 방법의 실제 18
• 1)골프공 단진자를 이용한 주기와 중력가속도의 측정 실험 18
• (1)MBL의 포토게이트를 이용한 주기 측정 19
• (2)MBL의 운동센서를 이용한 주기 측정 19
• (3동영상 분석을 통한 주기 측정 20
• (4)동영상의 프레임별 분석 21
• 2)골프공의 자유낙하에 의한 가속도 측정 24
• (1)MBL의 포토게이트를 사용한 가속도 측정 24
• (2)15fps 동영상을 이용한 평균속력 측정 25
• (3)30fps 동영상을 이용한 평균속력 측정 25
• (4)60fps 동영상을 이용한 가속도 측정 26
• (5)210fps 동영상을 이용한 가속도 측정 26
• (6)40fps 7M픽셀 사진을 이용한 가속도 측정 27
• 3)빗면을 굴러 내려오는 공의 가속도 측정 실험 30
• (1)30fps 동영상을 이용한 가속도 측정 30
• (2)60fps 동영상을 이용한 가속도 측정 32
• 4)“땅으로 떨어지는 물체의 운동과 공기 저항” 실험 33
• 5)색팽이를 이용한 등속 원운동 실험 35
• 6)고속동영상을 통한 물체의 운동 분석 36
• (1)젤리의 충돌 순간 36
• (2)물방울의 모양변화와 평균속력 구하기 37
• (3)팝콘이 튀겨지는 시간 계산하기 37
• (4)양궁 화살이 날아가는 모양과 화살 진동주기의 측정 38
• (5)물풍선이 터질 때의 모양 변화 38
• 3. 실험 결과 48
• Ⅳ. 결론 및 제언 49
• 참고문헌 50
• 표 목 차
• <표Ⅱ-1> 7차 교육과정 중 과학과 교수 과정의 내용 체계 4
• <표Ⅱ-2> 여러 가지 운동 단원의 학습 지도 계획 6
• <표Ⅲ-1> 연구 절차 15
• <표Ⅲ-2> 8학년 과학 “여러 가지 운동” 단원 중 동영상으로 촬영한 실험 주제 15
• <표Ⅲ-3> 8학년 과학 “여러 가지 운동” 전체 실험 목록 및 실험준비물#1 16
• <표Ⅲ-4> 8학년 과학 “여러 가지 운동” 전체 실험 목록 및 실험준비물#2 17
• <표Ⅲ-5> MBL 센서와 동영상 분석을 통한 중력가속도값의 비교표 21
• <표Ⅲ-6> 동영상 분석 적용 결과와 제한점 48
• 그 림 목 차
• 그림 Ⅱ-1. CCD의 색상필터의 배치 모식도 8
• 그림 Ⅱ-2. 적색, 녹색, 청색필터의 모식도 8
• 그림 Ⅱ-3. R, G, B 필터에 의해 걸러진 영상이 합쳐지는 그림 9
• 그림 Ⅱ-4. 동영상 변환 프로그램의 변환 과정 11
• 그림 Ⅱ-5 . VideoPoint를 실행하여 동영상을 불러온 화면 11
• 그림 Ⅱ-6. VideoPoint의 Movie Step Size 설정하기 12
• 그림 Ⅱ-7. Scale Movie 설정하기 12
• 그림 Ⅱ-8. 테니스공을 Point S1으로 설정하여 포인팅 함 13
• 그림 Ⅱ-9. Origin을 지면으로 설정함 13
• 그림 Ⅱ-10. 공의 위치를 포인팅 13
• 그림 Ⅱ-11. Model Equation 설정하기 14
• 그림 Ⅲ-1. www.sciencecube.com 의 포토게이트 19
• 그림 Ⅲ-2. 포토게이트의 스트로보 타이밍을 설정한 화면 19
• 그림 Ⅲ-3. MBL의 운동센서를 삼각대에 설치하여 실험하는 장면 20
• 그림 Ⅲ-4. VideoPoint를 이용한 320×240 60fps 동영상 분석 장면 21
• 그림 Ⅲ-5. 별의 일주운동을 찍은 사진 22
• 그림 Ⅲ-6. 포토게이트 3개 설치한 낙하실험장치 25
• 그림 Ⅲ-7. 60fps 동영상을 분석하는 장면 26
• 그림 Ⅲ-8. 초당 40프레임 연속사진으로 촬영한 사진 28
• 그림 Ⅲ-9. 40fps 연속사진을 이용한 운동 분석 29
• 그림 Ⅲ-9. 40fps로 촬영된 연속사진을 동영상으로 제작하여 분석한 화면 29
• 그림 Ⅲ-10. VideoPointPhysics를 이용한 동영상 분석 사진 31
• 그림 Ⅲ-11.기준점과 기준선을 빗면에 설정 31
• 그림 Ⅲ-12. Data Model을 이용한 그래프 피팅 31
• 그림 Ⅲ-13. 빗면의 운동을 60fps로 촬영한 동영상을 VPF로 분석한 장면 32
• 그림 Ⅲ-14. 물방울의 첫 번째 위치 37
• 그림 Ⅲ-15. 물방울의 마지막 위치 37
• 그림 Ⅲ-16. 15가지의 크기와 모양이 다른 물풍선 41
• 그림 Ⅲ-17. 풍선에 물을 넣기 전의 모양 44
• 그림 Ⅲ-18. 물의 양을 다르게 한 물풍선 4개 44