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Scientific Modeling

Scientists use simple representations of complex processes to develop ideas.

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과학과 모형

도로 지도

위와 같은 도로지도를 본적이 있는가? 아마 본적이 없을지라도 집이나 다른 물체를 스케치 하거나 장난감 자동차와 인형을 가지고 놀아본 적은 있을 것이다.  이들 활동의 공통점은 무엇인가? 여기에는 모형이 포함되어 있다. 

모형이란 무엇인가?

모형(model) 은 물체, 시스템 또는 과정을 간추려 표현한 것이다.  예를 들어, 도로지도는 땅에 있는 실제의 도로체계를 간략히 나타낸 것이다. 모형은 과학에서 매우 유용하게 쓰인다. 모형은 너무 작거나, 크거나, 복잡하거나, 직접 관찰하기에는 너무 먼 것을 조사할 수 있는 방법을 제공해준다. 유용한 모형은 실제의 사물을 비슷하게 나타내되 실제 것보다 단순하고 이해하기가 쉬워야 한다. 

Q: 직접 관찰하기가 어려워 자연과학에서 모형을 사용하고 있는 예는 무엇인가?

A: 매우 작은 원자, 아주 멀리 떨어져 있는 별, 전국에 전기를 공급해주는 전선망 등이 그 예이다. 

Q: 이러한 모형을 만드는 방법은 무엇이 있나?

A: 모형의 유형에는 2차원 도형, 3차원 구조, 수학식, 컴퓨터 시뮬레이션 등이 있다. 아래에는 자연과학의 2차원 도형모형의 예가 설명되어 있다. 기타의 모형에 대해서는 다음 사이트에서 그 예를 찾아볼 수 있다.:

자연과학의 단순한 모형들

아래 그림은 물 분자의 단순한 2차원 모형이다. 물 분자는 물의 성질을 유지하는 가장 작은 입자이다. 이 모형은 물 분자가 하나의 산소(oxygen) 원자와 두개의 수소(hydrogen) 원자로 구성되어 있음을 보여준다. 

proton: 양성자, neutron: 중성자, electron : 전자

Q: 이 모형에서 물 분자에 대해 무엇을 더 알 수 있나?

A: 이 모형은 각 원자의 구성 입자 - 양성자, 중성자, 전자 -의 수를 보여준다. 이는 또한 물 분자의 두 수소 원자가 자신의 전자를 산소와 공유하고 있음을 보여 준다.

Q: 이 물 분자의 모형이 유용한 모형의 기준을 만족시킨다고 생각하는가? 즉 이 모형은 실제 물 분자의 중요한 면을 잘 나타내면서도 실제 물 분자 보다 이해하기가 더 쉬운가?

A: 이 모형은 물 분자의 기본적 구조와 분자의 원자들이 어떻게 전자를 공유하고 있는지를 보여준다.  물 분자의 이러한 특징이 물의 중요한 성질들을 설명해준다. 이 모형은 단순하고 실제 물 분자보다 이해하기가 쉽다. 실제 분자에서는 이 모형에서와 같이 전자가 깔끔한 원형 보다는 구름 형태로 중심의 원자핵 주위를 회전하고 있다. 또한 실제 물 분자는 양성자, 중성자, 전자보다 더 작은 입자들을 포함하고 있다. 그러나 여러가지 목적을 위해 실제 물 분자의 더 복잡한 특성을 표시할 필요는 없다. 

아래 그림은 물리학의 단순한 모형의 다른 예를 보여준다. 이 도형은 전기회로모형이다. 이 도형은 회로의 중요 부분을 단순한 기호로 표시 해준다. + 와 – 기호를 포함한 수평선들은 배터리(battery)를 표시한다. R 1 , R 2 , 및 R 3 는 배터리가 공급 해주는 전기를 사용하는 장치들로 이들은 3개의 전구일 수 있다.

Q: 이 전기회로 도형에서 배터리와 전기 장치를 연결해주는 검은 선은 무엇을 나타내는가?

A: 검은 선은 전선을 나타낸다. 이 전선은 전류를 배터리에서 전기장차로 운반해주고 다시 배터리로 되돌아 갈 수 있게 해준다. 

Q: 이 회로 도형이 실제 전기회로보다 어떻게 단순하고 이해하기가 쉬운가?

A: 이 회로 도형은 전류가 통과하는 부분만을 표시했고 이들을 단순한 기호로 표시했다. 

 

요약

  • 모형은 물체, 시스템, 과정을 실제의 것들 보다 단순하고 이해하기 쉽게 나타낸 것이다. 
  • 자연과학에서의 단순한 모형의 예로는 분자와 회로의 2차원 모형이 있다.

용어

  • 모형(model) : 물체, 시스템, 과정을 단순하게 표현한 것.

실습

다음 사이트에서 지시에 따라 원자의 모형을 만들어라.

http://education.jlab.org/qa/atom_model.html

복습

  1. 모형이란 무엇인가?
  2. 모형이 과학에 왜 유용한가?
  3. 좋은 모형의 특성을 제시하라.
  4. 자연과학의 단순한 모형을 설명하라.

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