반 학생들에게 달의 모양이 왜 변하는지 물어보면, 거의 언제나 지구가 달 앞을 가로막아 그림자를 드리우기 때문이라는 답을 듣게 됩니다. 이는 어른들에게도 흔히 나타나는 가장 일반적인 과학적 오해 중 하나입니다. 그럴듯하게 들리지만 사실이 아니며, 그림만으로는 놀라울 만큼 바로잡기 어렵습니다.
이 수업에서는 학생들이 직접 그림자 설명을 검증하고 올바른 설명으로 바꿀 수 있는 도구를 제공합니다.
한 문장으로 설명하는 진짜 이유
태양은 언제나 달의 정확히 절반을 비춥니다. 달이 지구 주위를 공전하면서 우리는 그 밝은 절반을 서로 다른 크기로 보게 됩니다.
달을 가리는 것은 아무것도 없습니다. 삭일 때는 밝은 절반이 우리 반대쪽을 향합니다. 보름달일 때는 그 절반이 온전히 우리 쪽을 향합니다. 그 사이의 모든 모습은 밝은 절반과 어두운 절반을 비스듬한 각도에서 본 것입니다.
위에서 바라보기
핵심은 두 가지 모습을 동시에 보여 주는 것입니다. 북극 훨씬 위에서 내려다본 지구 주위를 도는 달의 모습과, 지상에서 본 달의 모습입니다. 달의 위상 실험에서는 이 두 모습을 나란히 보여 줍니다. 달을 궤도에서 드래그해 움직이거나 한 달 전체를 재생할 수 있습니다.
학생들에게 그림 속 지구 위에 서서 각 위치의 달을 차례로 바라보게 하세요. 태양과 가장 가까운 위치에서는 어두운 면만 보입니다. 궤도를 4분의 1바퀴 돈 위치에서는 밝은 면과 어두운 면이 절반씩 보입니다. 태양 반대편에서는 밝게 비친 면 전체가 보입니다.
지구에서 본 모습
그림자 가설을 검증하는 세 가지 방법
학생들에게 그림자라는 생각이 틀렸다고 말만 하지 마세요. 근거를 제시하고 학생들이 스스로 그 생각을 반박하게 하세요.
1. 그림자는 어느 쪽을 가리키나요?
지구의 그림자는 항상 태양의 정반대 방향을 향합니다. 위에서 보면 지구의 그림자가 달에 닿을 수 있는 때는 달이 반대편에 있는 보름달일 때뿐입니다. 하지만 초승달은 달이 태양과 같은 쪽에 있을 때 나타나며, 그곳에는 지구의 그림자가 절대로 닿을 수 없습니다.
2. 모양이 맞지 않습니다
지구의 그림자는 둥글고 달보다 훨씬 크므로, 그림자가 달을 가리면 밝게 빛나는 부분에는 언제나 움푹 들어간 곳이 생깁니다. 하지만 볼록한 달의 밝은 부분은 양쪽으로 바깥쪽을 향해 불룩합니다. 어떤 둥근 그림자도 그런 모양을 만들 수 없지만, 한쪽에서 빛을 받는 공을 비스듬한 각도에서 보면 매달 그 모양을 볼 수 있습니다.
3. 그림자가 보일 때도 있습니다
달이 실제로 지구의 그림자 속을 통과할 때 이를 월식이라고 합니다. 월식은 보름달일 때만 일어나며, 2주가 아니라 몇 시간 동안 지속되고, 달이 탁한 붉은색으로 보이는 경우도 많습니다. 이것이 지구 그림자의 모습이며, 초승달과는 전혀 다릅니다.
월식은 왜 매달 일어나지 않을까요? 달의 궤도는 약 5도 기울어져 있어서 달은 대개 그림자 바로 위나 아래를 지나갑니다. 이 실험실에서는 달의 위상을 쉽게 관찰할 수 있도록 궤도를 평평하게 설정합니다. 따라서 학생들이 기본적인 그림을 이해한 뒤에 물어보기 좋은 질문입니다.
각 위상은 언제 볼 수 있나요?
학생들은 낮에도 달을 볼 수 있다는 사실에 종종 놀랍니다. 실험실에서 시간대를 표시하면 같은 그림을 바탕으로 시간표를 이해할 수 있습니다. 달은 매일 약 50분씩 늦게 하늘에서 가장 높은 위치에 도달합니다.
| 위상 | 삭 이후 경과 일수 | 대략 뜨는 시각 | 대략 하늘에서 가장 높이 뜨는 시각 | 대략 지는 시각 |
|---|---|---|---|---|
| 삭 | 0.0 | 06:00 | 12:00 | 18:00 |
| 초승달 | 3.7 | 09:00 | 15:00 | 21:00 |
| 상현달 | 7.4 | 12:00 | 18:00 | 00:00 |
| 차오르는 볼록달 | 11.1 | 15:00 | 21:00 | 03:00 |
| 보름달 | 14.8 | 18:00 | 00:00 | 06:00 |
| 이지러지는 볼록달 | 18.5 | 21:00 | 03:00 | 09:00 |
| 하현달 | 22.1 | 00:00 | 06:00 | 12:00 |
| 그믐달 | 25.8 | 03:00 | 09:00 | 15:00 |
실험실에서와 마찬가지로 위도와 궤도의 기울기는 고려하지 않은 대략적인 현지 시각입니다.
상현달는 12:00쯤 떠오르며, 해가 지기 전부터 오후 하늘 높이 떠 있습니다. 보름달은 해가 지는 때와 거의 같은 18:00쯤 떠오르기 때문에 밤새 하늘에 떠 있습니다. 좋은 숙제 활동으로, 초승달이 뜬 지 며칠 뒤 방과 후에 달을 찾아보고 보이는 모습을 스케치해 보세요.
북반구와 남반구
호주, 뉴질랜드, 남아프리카공화국 또는 남아메리카에서 가르친다면 달이 뒤집힌 모습으로 보입니다. 차오르는 달은 오른쪽이 아니라 왼쪽이 밝게 빛납니다. 실험실에는 반구를 전환하는 기능이 있어, 지구 어디에서나 달의 위상은 같고 우리가 서 있는 위치와 바라보는 방식만 달라진다는 것을 학생들이 확인할 수 있습니다.
수업 진행 순서
- 달의 위상이 어떻게 생기는지 학생들에게 그림으로 그려 보라고 하세요. 그림은 보관해 두세요. 학습 전 모습을 보여 주는 자료입니다.
- 위에서 본 모습과 지구에서 본 모습을 함께 보여 주세요. 한 달 동안의 변화를 천천히 재생하고, 이름이 붙은 각 위상에서 멈추세요.
- 지구를 향한 반구를 표시하는 마커를 켜고, 각 위상을 공개하기 전에 학생들에게 먼저 예측하게 하세요.
- 위의 세 가지 그림자 실험을 학급 토론으로 진행하세요.
- 학생들에게 설명을 다시 그리게 한 뒤, 첫 번째 그림과 비교하게 하세요.
이해도를 확인하는 질문
- 오늘 밤 달이 상현달이라면, 약 2주 후에는 어떤 위상일까요?
- 초승달을 한밤중에 볼 수 없는 이유는 무엇인가요?
- 지구 반대편에 있는 사람이 오늘 밤 달을 보면 다른 위상으로 보일까요?
- 삭일 때 달의 뒷면은 어둠 속에 있나요?