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작품번호

446

제29회 전국학생과학발명품경진대회

무선마우스를 이용한

운동기록장치

출품분야 학생작품 출품부문 학습용품

2007. 6 . 16 .

시․도 학 교(소 속)

학 년(직 위)

성 명

전라남도 전남과학고 1학년 강의룡

지도교사 전남과학고 교사 김경숙

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<목차>

1. 제작 동기 및 목적 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 2가. 제작의 동기

나. 제작의 목적

2. 작품 제작 전 선행조사 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 2 가. 현재 시중에 나와 있는 시간기록계의 종류

3. 이론적 배경 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 4가. 시간기록계란?

나. 마우스란?

다. 무선 마우스의 작동 원리는?

4. 제작 과정 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5 가. 아이디어 구상

나. 선생님과의 상의

다. 기존에 출품되었던 작품 조사

라. 1차 작품 제작과정

마. 2차 작품 제작과정

5. 제작된 작품의 설명 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 17가. 개요

나. 에어트랙(Air Track)

다. 운동 분석 프로그램

라. 활용방법

마. 실험 내용

6. 제작 후 실험 결과 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 24가. 중력가속도 측정

나. 진자의 주기 측정

7. 제작 결론 및 향후 전망 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 26가. 제작 결론

나. 제작 후 느낀점 및 향후 예측되는 활용 효과

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1. 제작 동기 및 목적

가. 제작의 동기

- 종이 타이머 시간기록계를 이용하여 중력 가속도를 측정하는 실험을 하였는

데, 측정값이 이론값과 큰 차이가 있어서 그 이유를 조사해 본 결과, 기록

타이머 시간기록계는 60Hz 상용 전원의 진동을 그대로 이용한 “전자석 바이

브레이터”라 볼 수 있으며, 진동 핀 사이를 기록지가 통과할 때 일정한 주

기(60Hz)로 타점을 찍는 방식인 것을 알 수 있었다. 이에 오차를 최소화시키

는 방안은 없을까? 생각하게 되었고, 이 작품을 제작하게 되었다.

- 기록 방식 자체가 접촉식이다보니 운동 자체에 마찰을 줄 수밖에 없겠구나!

하는 생각이 들었고, 사실 측정 오차도 문제지만 동작 시 실험 테이블마다

나오는 바이브레이터 소음은 마치 시장 한가운데를 지나는 느낌이었다. 실험

오차 면에서도, 집중해야 될 실험실 환경을 생각해보더라도 개선해야겠다는

생각이 가지게 되었다.

- 처음에는 레이저 감광원리를 이용해 제작을 하고자 하였으나, 기술적인 문제

로 인하여 2차 작품을 생각하게 되었고, 그 대안으로 ‘무선마우스’를 생각

하게 되었다.

나. 제작의 목적

1) 실험 예측값과 거의 차이가 없는 결과를 내는 정확성

- 실험을 하기 전 계산으로 유도된 예측값과 오차가 많이 없어야 한다.

2) 소리가 크게 나지 않아 실험에 방해를 주지 않는 편리성

- 시끄러운 소음을 최소화하여 쾌적한 실험이 될 수 있도록 해야 한다.

3) 가격이 싸서 일반 학교에서도 이용할 수 있는 실용성

- 작품이 제작되었을 때에 일반 학교에서 학생들이 쉽게 이용할 수 있어야

한다.

2. 작품 제작 전 선행조사

가. 현재 시중에 나와 있는 시간기록계의 종류

타점식 시간기록계 전기전도식 시간기록계

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- 학교에서 실험 하였던 종이테이프 기록 방식이 가장 일반적인 모델이었고, 여

러 사람들이 공통적으로 문제점을 알고 있어서 그랬는지 몇 가지 다른 종류의

제품들이 판매되고 있는 것을 알 수 있었다.

1) 타점식 시간기록계

- 장점 : 가격이 싸다(1 ～ 2만원대)

작동이 편리하다.

- 단점 : 실험값이 이론값과 많이 다르다.

소음이 크고 시끄럽다.

종이테이프 사용에 의해 마찰이 있어 오차의 요인이 된다.

2) 전기전도식 시간기록계

- 장점 : 소음이 크지 않다.

타점식 기록계보다 비교적 정확하다.

- 단점 : 특수테이프를 써야 한다.

가격이 비싼 편이다. (10만원～12만원)

전기스파크 방식이어서 누전의 위험도 있다.

- 접촉 방식에서 오는 문제점을 극복하기 위하여 종이

테이프 기록 방식은 동일하지만 타점 방식이 아닌

고전압 스파크 방식의 제품이 있는 것을 확인할 수

있었다. 기능도 주파수를 몇 단계로 나누어 조정하

는 기능이 있었다.

- 이 방식은 타점식 방식보다 소음이 적고, 주파수 설정이 가능하다는 장점이 있

는 반면, 고전압이 내부적으로 발생하는 관계로 동작 시 주의를 필요로 하는

점과 열 감응지를 사용해야 되는 점은 기존의 종이테이프 방식과 동일하다.

3) 적외선 감광식 시간기록계

- 장점 : 소음이 거의 없다.

전도식 시간기록계보다 더 정확한 값을 보인다.

- 단점 : 유선방식이며, 가격이 매우 비싸다. (70만원 가량)

특수 테이프를 써야 하고, 기록지를 잘못 빼다가는 쉽게 찢어진다.

기록지가 민감해서 쉽게 사용하기 어렵다.

- 고전압 타점 방식처럼 고압을 사용하지 않고 열적외선에 쉽게 감광되는 종

이를 이용한 적외선 감응 방식의 타이머이다..

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- 그러나 가격 면에서 앞의 2가지 방식과 비교할 때 상당히 고가여서 보급이

잘 되지 않은 것으로 생각하고 있다.

3. 이론적 배경

가. 시간기록계란?

1) 정의

- 기록타이머라고도 한다. 전자석의 원리를 이용한 것으로 쇠붙이가 짧은 시간

간격으로 일정하게 진동하며 기록타이머의 먹지 밑을 통과하는 종이테이프에

일정하게 점을 찍는 장치이다. 종이에 찍힌 점과 점 사이의 거리가 일정하므

로 이 점의 수에다 간격당 시간을 곱하면 운동한 시간을 측정할 수 있다. 이

때, 점 사이의 거리로 속력의 변화를 측정할 수 있다.

나. 마우스란?

- 컴퓨터의 마우스는 컴퓨터 초창기에는 중요성이 인식되지 않은 입력 매체였

다가 그래픽 화면으로 컴퓨터의 사양이 변화되면서 가장 중요한 입력 매체

중의 하나로 자리 잡고 있다.

- 그 마우스의 변화도 초기의 볼 마우스에서 광 마우스로 그리고 현재는 무선

광 마우스로 그리고 3차원마우스로 발전했고, 그 과정에서 다양한 변종을 생

산하고 있으며, 작업 상 트랙볼 마우스를 사용하거나 펜 마우스를 사용하기

도 한다.

다. 무선 마우스의 작동 원리는?

* 신호전송

마우스 ---------------------------------------------> 본체

1) 마우스

- 본체의 움직임을 감지하는 센서 장착

- 송출부 장착

- 전원부(신호를 전송해야 하기 때문에 독립적인 전원부 필요

2) 본체

- 수신부 장착

- 전원부 필요 없음(PC 전원을 이용하므로)

3) 신호

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가) 적외선 신호

- 지향성(송, 수신이 마주보고 있어야한다) ex) 리모콘

- 송, 수신 사이에 장애물이 있으면 오류

나) 라디오 신호(FR 방식)

- 지향성 극복

- 전지소모율 높음, 통신거리 짧다.

다) Visual C++, LabView : 마우스 메시지 훅킹 (상, 하, 좌, 우 이동거리 획득)

라) 시작점이 정해졌을 때 위치 찾아가기

- 맵 정보를 통해 상, 하, 좌, 우 이동거리를 추정해서 목표지점을 찾아간다.

4. 제작 과정

일정

과정 내 용 기 간

★ 발명품 구상 및 제작계획 수립 ▷ 제작 동기의 발견 및 계획 짜기 3.15 ~ 3.16

★ 기존 제품 분석 ▷ 기존 시간기록계의 구조, 원리 분석 3.17

★ 기초 작품 제작 ▷ 1차 작품 제작을 위한 기초 작품 제작 4.01 ~ 5.08

★ 광주대학교 보드사진부 견학 ▷ 효과적인 발명품 제작을 위한 현장학습 5.09

★ 인화지, 현상액 구매장소 탐색 ▷ 기록지의 제작을 위한 재료 구입장소 탐색 5.10 ~ 5.13

★ 1차 작품 제작 ▷ 구매한 재료로 1차 작품 제작 5.14 ~ 5.15

★ 1차 작품 실험 ▷ 작품 제작후 실험을 해 봄 5.15 ~ 5.16

★ 도대회 출품 ▷ 기초작품과 1차작품 제작설명으로 출품 5.17

★ 2차 작품 구상 및 제작 ▷ 1차와 원리는 유사하나 다른 방법으로 작품을 제작하였다. 5.23 ~ 6.20

★ 도대회 시상 ▷ 금상 수상으로 전국대회 출품 확정. 5.30

★ 초당대학교 컴퓨터공학부 탐방 ▷ 랩뷰를 활용하기 위한 프로그램 사용법 학습 6.02 ~ 6.10

★ 2차 작품 실험 ▷ 만들어진 2차 작품으로 실험을 해 봄 6.11 ~ 6.30

가. 아이디어 구상

1) 1차 작품

- 종이테이프와 타점기록바늘간의 마찰이 있어서 직접 기록하는 방식보다는 레

이저를 활용하여 종이테이프와의 마찰을 줄이고 소음을 줄이는 방법을 생각

하였다. 레이저에 감광하는 종이는 제작의뢰 하거나 인화지를 종이테이프로

대신하여 사용하면 오차를 최소화하여 시간기록계를 만들고자 하였다.

2) 2차 작품

- 사진을 인화하는 방식인 감광방식으로 하고자 하였으나, 장치 자체가 암실

및 현상 단계가 가지는 한계점을 생각해 보면 도리어 기존의 시끄럽고, 마찰

저항이 큰 간단한 종이테이프 기록 장치보다도 장점이 없다는 생각이 들게

되었다. 결국 종이테이프의 사용은 마찰의 큰 요인이므로 종이테이프를 사용

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하지 않는 시간기록계가 필요하다고 판단하였다.

- 같이 전국 학생과학발명품경진대회에 나가는 선배님이 무선마우스로 작업하

는 것을 보고, ‘무선마우스를 이용하자!’는 생각이 들어서 제작하게 되었

다.

나. 선생님과의 상의

- 시간기록계를 개선하는 방법은 학교 지도 선생님과 상담하여 이 아이디어에

대해 기술적인 조언을 얻고 출품하게 되었으며 2차작품의 아이디어를 실용화

시키는데 도움을 주셨다.

다. 기존에 출품되었던 작품 조사

1) 대회 수상작

가) 제 50회 전국과학전람회

- 주제 : 가속도 방향과 크기 측정을 위한 MBL 장치 개발

- 제작자 : 전남과학고등학교 3학년 최 유 현

- 핵심 내용 : ▶ 고정밀 가속도센서

▶ 가속도 방향 표시기능

▶ 데이터저장기능

▶ 데이터 표시 기능

▶ 무선, 휴대성 강화

- 장점 : 실험값이 이론예측값과 거의 일치한다.

가속도의 방향도 표시할 수 있다. 데이터를 자체 저장할 수 있다.

무선이며, 휴대가 가능하다.

- 단점 : 작품의 제작 방법이 복잡하며 가속도만 분석 가능하다.

나) 제 23회 전국학생과학발명품경진대회

- 주제 : 마우스를 이용한 가속도 측정 장치

- 제작자 : 경기과학고등학교 3학년 조 득 행

- 핵심 내용 : ▶ 기존의 마우스 사용으로 경제성 절감

▶ 마우스를 수레 형식으로 만들어서 사용

▶ 보조기구로 빗면 장치도 만들었음

- 장점 : 기존의 마우스를 이용해 가격을 절감시켰다. 마찰을 최소화시켜 이

론값과 비슷한 결과값을 얻을 수 있었다.

- 단점 : 마우스를 이용한 형태가 부자연스럽고, 빗면과 마우스에 달린 바퀴

의 마찰이 있어서 정확한 값이 나오지 못한다.

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다) 제 28회 전국학생과학발명품경진대회

- 주제 : 중력가속도 측정 장치

- 제작자 : 서일고등학교 2학년 김 용 현

- 핵심 내용 : ▶ 진공 상태의 측정장치

▶ 발광부와 수광부를 이용한 원리

- 장점 : 발광부와 수광부 사이에 물체가 지나갈 때

의 시간으로 중력가속도를 측정하였다. 진

공상태로 만들었기 때문에 오차가 거의 없을 것이다.

- 단점 : 크기가 거의 사람 크기에 이르기 때문에 너무 크다. 실제 실험실에

서 쓰기에는 실용성이 떨어진다.

라. 1차 작품 제작과정

1) 학교의 시간기록계 분석

- 바늘이 60Hz의 교류전류에 맞추어 1초에 60번을 찍게 설계되었으며, 원리가 간

단하나 기록지와 바늘간 마찰이 심해 정확한 중력가속도 값을 얻지 못했다.

- 바늘이 기록지를 찍는 소리가 매우 시끄러워서 실험하는데 방해가 되었다.

학교의 시간기록계

2) 감광물질 탐색

가) 할로겐화은 이용

- 실험 결과 : 감광반응을 뚜렷히 보이지 않음.

- 원인 : 암실조성이 제대로 되지 않았다.

할로겐화은의 파장은 400nm대여서 레이저에 감광하지 않았다.

할로겐화은은 불안정하여 혼자서는 뚜렷한 반응을 보이지 않는다.

(젤라틴이라는 안정화 물질 필요)

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실험에 사용한 할로겐화은 레이저를 쪼였으나 반응하지 않음 할로겐화은을 입히는 모습

나) EOSIN Y 이용

- 실험 결과 : 감광반응을 뚜렷히 보이지 않음.

- 원인 : 암실조성이 제대로 되지 않았다.

EOSIN Y의 파장은 650nm대로 알고 있었으나, 실제 재조사 해 본 결

과 532nm 부근이었음.

EOSIN Y 또한 불안정하여 혼자서는 뚜렷한 반응을 보이지 않는다.

(젤라틴이라는 안정화 물질 필요) → 젤라틴을 구하지 못했음.

Eosin Y EOSIN Y를 입히는 모습 암실에서 반응시켜본 EOSIN Y

다) pinacyanol 이용

- 실험 결과 : 감광반응을 뚜렷히 보이지 않음.

- 원인 : 암실조성이 제대로 되지 않았다.

pinacyanol의 파장은 650nm대이나 반응하지 않았다.

(불순물이 섞여 있는 것으로 의심)

pinacyanol 또한 불안정하여 혼자서는 뚜렷한 반응을 보이지 않는다.

(젤라틴이라는 안정화 물질 필요) → 젤라틴을 구하지 못했음.

3) 기초 작품 제작

- 대략적인 형태를 잡아보기 위해 아크릴로 기초 작품을 제작하기로 하였고,

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이를 기반으로 하여, 5월 중순에 1차 작품을 만들게 되었음.

기초 작품을 제작하는 모습 완성된 기초작품 기초작품에 사용했던 약품들

4) 1차 작품에 쓰기 위한 레이저 테스트

- 시간기록계에 쓰는 레이저를 테스트하기 위하여 임의로 구멍을 뚫어 직접 왔

다 갔다 하면서 쪼였으나, 정확히 찍히는데 주변 차단막이 없어서 약간 번짐

현상이 일어났음. 1차 작품을 만들기 전이어서, 시험용으로 인화지를 사용하

려고 기초 작품을 암실화 시켰음.

실험한 암실의 내부 모습 기초 실험대 설치 준비 타점이 찍혀진 인화지 모습

암실화시킨 기초작품의 내부 모습 트랙에 설치한 기초작품 직접 실험을 하는 모습

5) 광주대학교 보드사진부 견학

- 1차 작품을 만들기 위해 인화지를 더욱 효율적으로 이용해보고, 감광원리

를 체험해 보기 위해 광주대학교 보드사진부 견학을 하였다.

- 조언을 얻고 1차작품 제작을 하였다.

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암실의 내부 모습 직접 사진을 인화해보는 모습 사진 현상후 수세하는 모습

6) 1차 작품 제작

- 암실을 기반으로 하여 1차 작품을 제작하였다.

- 작품이 제작되었으나, 인화지의 반응성이 문제가 되었고, 그 중 조그마한 빛

에도 감광하는 특성이 더욱 문제가 되었다.

1차 작품의 외부 모습 감광부의 모습 현상부의 모습

현상액 보관통 기록지(인화지) 케이스의 모습 1차 작품의 내부 모습

★ 1차 작품에 대한 간략한 설명

- 인화지의 감광원리를 이용하였다.

- 레이저를 160

초 동안 쏘아 인화지에 점이 찍히는 원리를 이용하고자 하였

다.

- 작품은 암실을 기반으로 하며, 크게 감광부와 현상부로 나뉘어 있다.

- 현상부는 스프레이가 장착이 되어있어 현상액을 뿌려준다.

- 제작 후, 작동은 되었으나 인화지가 약간의 빛에도 반응해 버려서 작품의

안정성에 문제가 있었으며 가장 큰 문제는 인화지테이프의 감겨진 부분에

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(그림) 포토게이트 타이머와 관련 부속

서 풀릴 때의 마찰과 트랙에서의 마찰로 인하여 오차가 기존의 것과 거의

같았다. 결국 오차의 주 원인이 종이테이프(인화지 테이프)임을 알고 무선

으로 운동을 분석할 수 있는 작품을 생각하기로 하였다.

마. 2차 작품 제작과정

1). 아이디어 구상

- 학교 실험실에서 많이 사용되는 종이테이프 기록타이머의 문제점을 해결하고

자 시작하여 비접촉 방식, 비 고전압 방식이면서도 적은 비용으로 개선해보

려 했으나, 감광원리를 이용한 방식 또한 장점이 없다는 생각이 들었다.

- 생각을 다시 원점에서부터 검토하여 새로운 각도로 방향을 찾고자 하였다.

- 물리 실험실에서 본 포토게이트 타이머는 어찌 보면 종이테이프 기록 장치와

비슷한 역할을 하는 장치라는 생각이 들었다.

- 포토게이트 타이머는 광센서에서 물체의 유무를 검지하고 전자 회로적으로

그 신호를 처리하여 동작 시간을 측정하는 방식으로, 종이테이프 방식처럼

소모되는 부품이 없는 장점이 있었다. 그리고, 여러 개의 데이터를 처리할

수 있는 함수 기능까지 내장된 제품이 있어 장점이 많아 보였다.

- 그러나 종이테이프 방식은 종이에 찍힌 점의 위치 변화 등으로 바로 그 결과

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를 확인할 수 있는 것에 비하여 포토게이트 타이머는 한 화면에 표시된 시간

만으로 금방 운동의 결과를 이해하기가 쉽지 않았다.

- 또, 종이테이프 방식은 여러 개의 데이터 포인트가 있어 매순간 물체의 운동

상황이 파악되는 반면, 1～2 군데 설치된 센서만으로 측정하는 포토게이트

타이머는 이런 면에서는 기능이 떨어진다! 라고 생각되었다.

- 그래서 포토게이트 타이머처럼 전자방식이면서도 여러 개의 데이터를 계속해

서 알 수 있거나 그래프로 보여줄 수 있는 작품을 만든다면, 그것은 두 장치

의 장점만을 모아 놓은 것이라는 생각을 가지게 되었다.

- 작품을 이 방향으로 설정하는 것이 좋을 듯 하다고 생각하였지만, 더 자료를

조사하면서 이와 비슷한 기능을 하는 장치가 있음을 알게 되었다.

- 도르래와 포토게이트 센서를 결합한 형태의 아래 제품은 종이테이프처럼 실

이 장치와 연결되어 있고, 물체가 움직이면서 이 실을 움직이면 도르래가 따

라 움직이고, 도르래의 바퀴살이 광신호를 ON/OFF시켜 그 간격을 데이터로

활용하는 방식의 제품이었다.

(그림) 스마트 풀리 타이머 센서

- 이 장치는 국산제품이 아닌 관계로 가격은 상당히 고가이며, 포토게이트 타

이머와 같은 인터페이스 장치 등 여러 가지를 동시에 구비해야 실험이 되기

때문에 일선 학교에서 원활히 활용되기에는 아직 문제가 있는듯하다.

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- 그래도 운동을 기록하고 분석하는 장치들을 총괄해서 생각해보면, 원시적인

종이테이프 기록 장치에서 비 접촉식 종이테이프 기록 장치로 그리고 비소모

성 전자 방식으로 발전하여 광센서 타입의 포토게이트로 그리고 스마트 풀리

형 타이머 센서로 진화 발전한 것처럼 느껴졌다.

- 전국 학생과학발명품경진대회에 같이 나가는 학교 선배님이 컴퓨터 무선 마

우스를 사용하는 것을 보았다. 그 때, 갑자기 저 마우스를 이용하면, 종이테

이프 기록 장치처럼 컴퓨터에 직접 물체의 움직임을 나타낼 수 있지 않을까?

하는 생각이 스쳐갔다.

2). 2차 작품에 대한 생각 및 해결해야 할 문제점 분석

- 만약 무선 마우스를 비탈면에 설치하거나 혹은 자유낙하 시켜서 실험을 한다

면, 그리고 기존의 마우스처럼 컴퓨터 화면에 마우스의 궤적을 표시할 수 있

다면, 이 마우스의 운동을 분석하면 마치 기록타이머나 포토게이트 타이머를

이용하여 위치와 시간을 기록하는 방식으로 컴퓨터 화면의 마우스의 궤적을

조사하는 것만으로도 운동 분석 장비로 활용할 수 있을 것이다.

- 우리에게 너무도 친숙한 마우스를 운동 수레처럼 낙하 물체처럼 사용하여,

운동의 기록한다면 여러 가지 면에서 장점이 많을 것이다.

※ 장치를 만들어 보기 전에 예상되는 문제점, 어려운 점 혹은 해결해야 될 점

으로 보이는 것으로는

1) 마우스가 현재의 위치와 변화된 위치를 인식하는 방법에 대한 이해

2) 손 움직임으로 표시된 마우스의 이동 거리와 화면에 표시되는 마우스의

위치의 관계

3) 마우스의 좌표 데이터를 다른 프로그램에서 이용하는 방법에 대한 기술

4) 마우스를 설치할 수레나 비탈면 혹은 자유낙하대의 구조와 문제점

5) 기본적으로 사용하던 마우스와의 충돌

등의 난제가 먼저 떠올랐다.

3). 2차 작품에 활용할 원리 탐색

가) 무선통신의 원리

(1) IRDA (Infrared Data Association)

- IrDA는 적외선 통신 링크에 사용되는 하드웨어와 소프트웨어에 대한 국제표

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준을 만들기 위해 산업계가 후원하는 조직으로서 1993년에 결성되었다. 무선

전송의 특별한 형태인 적외선 통신에서는, 테라 헤르쯔 또는 트릴리온 헤르

쯔에서 측정되는 적외선 주파수 스펙트럼 내의 모아진 광선이, 정보로 변조

되어 송신기로부터 비교적 짧은 거리 내에 있는 수신기로 보내어진다. 적외

선 방사는 리모콘으로 TV를 제어하는데 사용되는 것과 같은 기술이다.

- 적외선 데이터 통신은 노트북 컴퓨터와 PDA, 디지털 카메라, 휴대폰, 무선호

출기 등의 대중화에 따라, 이제 무선데이터 통신 내에서 중요한 역할을 해오

고 있다. 기존에 사용되고 있는 것들 또는 새로운 가능성이 있는 것들에는

다음과 같은 것들이 있다.

◦ 노트북컴퓨터에서 프린터로 문서를 보낸다.

◦ 포켓용 PC를 이용하여 명함을 교환한다.

◦ 데스크탑 컴퓨터와 노트북 컴퓨터 사이에 스케줄이나 전화번호부를 같게

맞춘다.

◦ 노트북컴퓨터에서 공중전화를 이용하여 멀리 있는 팩시밀리에 팩스를

보낸다.

◦ 디지털 카메라에서 컴퓨터에 이미지를 광선으로 보낸다.

- 적외선 통신에서는 쌍방의 장치에 모두 송수신기가 있어야한다. 특별한 마이

크로칩이 이 기능을 위해 제공된다. 그 외에도, 통신을 동기화시켜주는 특별

한 소프트웨어가 하나 또는 모든 장치들에 필요하다. 마이크로소프트 윈도우

95 운영체계에서 IR에 관한 특별한 지원이 그 예이다. IrDA-1.1 표준에서,

전송될 수 있는 가장 긴 데이터의 길이는 2,048 바이트이며, 최대 전송속도

는 4 Mbps이다.

- IR은 어느 정도 먼 거리의 상호연결에도 사용될 수 있으며, 근거리통신망 내

의 상호연결 가능성도 있다. 최장 유효거리는 약 1.5 마일 정도이며, 계획되

는 최고의 대역폭은 16 Mbps이다. IR은 가시광선을 전송하는 것이므로 안개

와 같은 대기조건에 민감하다.

(2) RF (radio frequency) ; 무선 주파수

- 무선 주파수라는 용어는, 안테나에 들어오는 입력이 전류일 때 무선 방송이

나 통신에 적합한 전자기장이 생성되는 특성을 갖는 교류를 가리킨다. 이러

한 주파수들은 무선 통신에 할당된 가장 낮은 주파수 (사람이 들을 수 있는

범위 내에 속함)인 9 kHz로부터 수천 GHz 까지 걸쳐 있음으로써 전자기 방사

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스펙트럼의 중요한 부분을 커버한다.

- 무선 주파수 전류가 안테나에 공급되었을 때, 공간을 통해 전파되는 전자기

장을 발생시킨다. 이 자계는 때로 무선주파수자계라고도 불리며, 기술적인

뉘앙스가 좀 덜 섞인 용어로는 "무선파"라고도 부른다. 어떠한 무선주파수

자계라도 파장은 주파수와 반비례 관계를 갖는다. 만약 주파수를 f 라하고

파장을 s 라 하면, s = 300/f 가 된다. 무선 주파수 신호는 전자기 파장에

상응하는 만큼 반비례한다. 9 kHz에서 자유공간 파장은 약 33 km이다. 제일

높은 무선 주파수에서의 전자기 파장은 약 1 mm 정도이다. 무선 주파수 스펙

트럼을 넘어 주파수가 증가함에 따라, 전자기 에너지는 적외선, 가시광선,

자외선(UV), X 선, 그리고 감마선 등의 형태를 갖는다.

- 무선 장비의 대부분의 형태는 무선 주파수 자계를 사용한다. 코드 없는 전화

기나 휴대전화, 라디오 및 TV 방송국, 위성통신 시스템, 그리고 쌍방향 무전

기 등은 모두 무선 주파수 스펙트럼 내에서 작동한다. 일부 무선 장비는 전

자기 파장이 무선 주파수 자계보다 짧은 적외선, 또는 가시광 주파수에서 동

작한다. 그 예로는 대부분의 TV용 리모콘, 일부 무선 키보드나 무선 마우스

그리고 무선 헤드폰 등이 이에 포함된다.

- 무선 주파수 스펙트럼은 몇 가지 대역으로 나뉘어진다. 가장 낮은 주파수 대

역을 제외하고는, 각 영역은 크기(10의 멱) 순서에 따른 주파수 상승을 의미

한다. 아래의 표에 무선 주파수 스펙트럼 내의 여덟 개 대역을 서술하였는

데, 주파수와 대역폭의 범위를 보여주고 있다. SHF와 EHT 대역은 종종 극초

단파 스펙트럼이라고 불려진다.

(3) Bluetooth ; 블루투스

- 블루투스는 이동전화, 컴퓨터, PDA 등이 근거리 무선접속을 사용하고 있는

가정이나 회사의 전화나 컴퓨터들과 어떻게 서로 쉽게 연결될 수 있을까를

기술하고 있는 컴퓨터 및 통신 산업계의 규격이다. 블루투스는 덴마크 전설

에 나오는 왕의 이름이다. 인텔, IBM, 노키아, 에릭슨 등 5개의 업체가 공동

개발했다. 이 기술을 이용하면, 셀룰러폰, 무선호출기 및 PDA 사용자들은 세

가지가 하나에 들어 있는 전화기를 살 수 있을 것이며, 이 전화기는 가정과

사무실의 휴대용 전화기로서 두 가지 일을 할 수 있다. 또한, 데스크탑이나

노트북 컴퓨터 내에 있는 정보와 신속하게 동기화 할 수 있으며, 팩스를 보

내거나 받을 수 있고, 프린트 출력을 할 수도 있다. 그리고 일반적으로 모든

휴대용 및 고정식 컴퓨터 장치들과 완전한 공동작용이 가능하다. 이 기술을

이용하려면 각 장치마다 저가의 트랜시버 칩이 장착되어야 한다. 블루투스

- 16 -

기술이 적용된 제품들은 2000년대 초부터 대거 출시되거 있다.

[작동원리]

- 각 장치는 이전에는 사용되지 않아, 전세계적으로 가용 주파수 대역인 2.45

GHz에서 송수신할 수 있는 마이크로칩 트랜시버를 장착한다 (일부 국가에서

다소 다른 주파수 대역이 있을 수 있다). 데이터 외에도 음성채널을 최대 3

개까지 사용할 수 있다. 각 장치는 IEEE 802 표준으로부터 나온 고유한 48

비트 주소를 가지고 있다. 접속은 점대점이나 멀티포인트가 가능하다. 통신

이 가능한 최대 범위는 10m 이다. 데이터는 전송은 1 Mbps의 속도에서 이루

어진다 (2세대 기술에서는 최고 2 Mbps까지). 주파수 홉 설계는 장치들이 엄

청난 량의 전자기 장애가 있는 지역에서도 통신할 수 있게 해준다. 내장 암

호화 및 검증 기능이 제공된다.

- 무선 마우스가 컴퓨터에 신호를 보내 작동하는 원리를 이용하였음.

- 마우스 커서가 검은 패드같이 마우스 LED의 빛을 차단시키는 곳에서는 움직

이고, 유리같이 마우스 LED의 빛을 통과시키는 곳에서는 움직이지 않는 원리

를 이용.

- “랩뷰”라는 프로그램을 사용하여 그래픽을 화면에 띄워 마우스가 컴퓨터상

에 움직이는 것을 좌표로 잡아 이를 점으로 나타내는 방식으로 시간을 측정

할 수 있음.

- 이는 무접촉 방식이며 남들이 하지 않은 것으로 현재 GM자동차나 NASA 등에

서 “랩뷰” 프로그램을 활용하고 있다고 함.

3) 2차 작품의 기존 출품작과 다른 점과 2차 작품만의 특징

제 50회 전국과학전람회 23회 전국발명품경진대회 28회 전국발명품경진대회

주제

가속도 방향과

크기 측정을 위한

MBL 장치 개발

마우스를 이용한

가속도 측정 장치

중력가속도

측정 장치

유사점- 데이터 저장기능

- 무선, 휴대성 강화

- 같은 마우스를 응용

- 빗면과 같은 보조장치

- 중력가속도 측정 시

이용가능하다.

- 발광부, 수광부 원리 이용

다른점

(우리 작품)

- 우리 주변 마우스 응용

- 쉽게 제작 가능

- 센서가 필요없음

- 마우스는 수레형으로

제작하지 않았다.1)

- 에어트랙으로 빗면을

대체하였다.

- 주기운동 분석 가능

- 크기가 작다.

- 진공상태 만들 필요

없음.

1) 물체에 얹어서 하는 방식으로 어떤 물체의 운동을 분석, 기록한다.

- 17 -

가) 2차 작품의 특성

- 무선 마우스를 기반으로 함.

- 기록지가 필요하지 않아서 실험을 더 편리하게 할 수 있음.

- MBL장치와 유사하나, 유선이 아닌 무선이어서 편리하다.

- 우리가 쉽게 사용하는 마우스를 사용한다.

- 보조실험장치인 빗면은, 에어트랙형식으로 만들어서 마찰을 최대한 줄였음.

5. 제작된 작품의 설명

가. 개요

- 무선 마우스는 유선 마우스에 비하여 선에 의한 마찰이 없는 상태이므로 비

탈면이나 1차원 레일도 무(無)마찰 상태로 실험 할 수 있는 기구를 생각해

보았다.

- 학교에서 본 에어트랙은 4각형 파이프에 일정한 간격으로 구멍을 뚫고 바람

을 불어 넣어 그 위로 물체가 떠서 움직일 수 있도록 만든 실험 장치로, 이

것을 무선 마우스 수레를 결합하면 완벽하게 이론적인 상태와 동일한 조건을

만들 수 있을 것이다.

(그림) 무 마찰 실험용 에어트랙의 모습

나. 에어트랙(Air Track)

- 에어트랙은 4각형 파이프에 일정한 간격으로 작은 구멍을 뚫어 바람이 빠져

나올 수 있는 구조로 되어 있다. 파이프의 한 쪽 면을 막고 다른 쪽으로 바

람을 불어 넣으면, 파이프 상의 작은 구멍으로 바람이 뿜어져 나오고 그 위

에 물체를 놓게 되면 살짝 떠있는 형상이 된다.

- 이것을 에어트랙 이라하며, 운동을 학습하는 실험 도구로 많이 사용되고 있

으며, 에어트랙 위에 올려놓는 물체를 글라이더라고 한다.

- 글라이더 위에 직접 무선 마우스를 올려놓기가 어려운 형태라 2개의 에어트

랙을 이용하여 무 마찰 실험대를 만들어 보기로 하였다.

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(그림) 2개의 에어 트랙을 연결하여 만든 무 마찰 실험대의 모습

- 에어 트랙에 바람을 공급하는 장치인 송풍기는 진공 청소기용 모터를

이용하여 바람의 속도를 조정할 수 있는 회로를 부착하여 제작하였다.

(그림) 송풍기의 모습과 풍량 조절 장치

- 종이 테이프 기록 장치는 1차원 운동을 기록하는 장치이지만 사실, 마우스는

2차원 면에서 움직이도록 되어 있는 점을 생각하면, 굳이 1차원 운동에 국한

하여 생각할 필요가 없다는 생각이 들었다.

- 그래서 마우스를 이용해 2차원 운동인 진자의 주기운동을 나타낼 수 있는 방

법을 생각해 보았다. 1차원 운동기록을 무 마찰인 에어트랙으로 가능하게 하

였다면, 2차원 운동기록은 에어테이블을 이용함으로써 가능할 것이라 생각된다.

- 19 -

(그림) 에어 테이블을 이용한 마우스 진자의 모습

- 에어트랙을 만드는 과정으로 1차원 운동기록을 할 수 있었다면, 에어테이블

은 2차원 운동기록 보조기구로 일정한 면적에 작은 구멍을 일정한 간격으로

뚫어 아래에서 바람이 뿜어져 나오게 만들고, 에어테이블을 일정한 각도로

기울인 다음 무선 마우스에 실을 매달아 에어테이블 위에서 진동을 시키면,

중력 가속도가 기울기 각도만큼 작아진 상태의 주기로 진동하게 될 것이다.

다. 운동 분석 프로그램

- 이 실험 장치는 마우스의 기본적인 기능을 운동 분석 장치로 활용하는 것이

니 만큼 마우스의 위치 좌표를 읽어 들이고, 그래프로 표시하는 프로그램 과

정이 제일 힘들고 중요한 부분이 된다.

※ 랩뷰(LabView)

- LabView는 여러 종류의 상업용 C나 BASIC development system, National

Instruments LapWindows 등과 같은 응용 프로그램이다. 그러나 LabView는

그러한 다른 응용 program 등과 한 가지 중요한 면에서 다른 점이 있다.

다른 프로그래밍 시스템에서는 코드라인을 형성하기 위해 문자기본 언어를

사용하지만 LabView는 블록 다이아그램 형태에서 program을 작성하기 위해

Graphical Programming 언어인 'G' 를 사용한다.

- 20 -

- 즉, 엔지니어들의 프로그래밍에 소비하는 시간을 최소화하기 위한 효율적

인 대안으로 나온 G언어를 기반으로 하는 산업용 프로그램을 말한다.

(그림) 랩뷰 프로그램의 모습과 그래픽 언어

※ 마우스 데이터 처리 프로그램

(그림) 마우스의 위치를 읽어 내는 프로그램의 모습

- 21 -

라. 활용방법

- 무선 마우스를 운동 분석 장치로 활용하는 방법에 대하여 1차원 운동 분석

장치로 사용하는 방법과 2차원 운동 분석 장치로 사용하는 방법으로 사용하

는 경우로 볼 수 있다.

- 1차원 운동의 경우 1차원 트랙위에 설치하고 이 트랙에 바람을 불어넣어 무

마찰 상태를 만들어 이론적인 상태와 같게 만든다.

- 2차원 운동의 경우 무선 마우스를 마치 진자의 추처럼 활용할 수 있는데, 1

차원의 무 마찰 실험대가 에어트랙이라 한다면, 2차원 무 마찰 실험대는 에

어테이블이라고 한다.

- 에어테이블을 적당한 각도로 기울인 다음 무선 마우스를 실로 매달아 진동시

키면 마치 진자의 운동처럼 진동하는 모습을 컴퓨터 화면 상에서 볼 수 있으

며, 주기 측정은 물론 진폭의 변화와 테이블의 기울기에 따라 진폭과 주기의

변화를 측정할 수 있다.

→ 빗면의 각도를 θ라 하면, 진자의 주기 T 는 T=2πl

gsinθ에서 구할

수 있다.

마. 실험 내용

1) 일정한 가속도가 작용하는 일차원 운동 분석

- 에어 트랙 위에서 마우스 수레에 도르래를 통하여 추를 연결하여 추의 낙하

운동으로 마우스 수레에 일정한 가속도 하에서의 운동을 측정할 수 있다.

(그림) 일정 가속도 하에서 움직이는 마우스 수레의 설명

- 22 -

낙하 추의 질량을 변화시키면 가속도의 크기를 달리하여 측정할 수 있다.

(그림) 등가속도 운동에서의 마우스 수레의 운동

- 화면의 녹색 마크 부분이 마우스 수레의 궤적이며, 프로그램 상에서 시간-위

치 좌표를 엑셀 데이터로 변화하여 엑셀 차트로 작성하여 나타내면 다음과

같다.

등가속 직선운동

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

TIME

PO

SIT

ION

(그림) 등가속 직선 운동의 그래프 표현

- 23 -

2) 비탈면에서의 일차원 운동 분석

- 추나 도르래를 사용하지 않고, 에어 트랙에 일정한 기울기를 만들어 비탈면

에서의 마우스 수레의 움직임을 측정하여 각도에 따른 비탈면 운동을 측정할

수 있다.

(그림) 비탈면에서의 마우스 수레의 운동 실험

3) 2차원 평면에서의 진자 운동 (가변 G-pendulum)

(그림) 가변 G-진자의 설명

- 마우스에 실을 연결하여 진자처럼 에어 테이블 위에서 진동하게 하고 컴퓨터

에서 진자의 움직이는 모습을 그래프로 그대로 나타내게 된다.

- 에어 테이블의 기울기 각도를 조정하여 진자의 주기 변화를 측정한다.

- 24 -

(그림) 마우스 진자의 진동 모습

6. 제작 후 실험 결과

가. 중력가속도 측정

- 중력가속도는 타점식 시간기록계(타점식), 전기전도식 시간기록계(전도식),

MBL 장치(PASCO Interface), 최종 작품 순서대로 측정하였다.

(단위 : cm)

종류

시간(s)타점식 전기전도식 PASCO 최종 작품

0.1 1.30 1.85 0.60 0.40

0.2 1.90 2.05 1.90 1.80

0.3 2.40 3.00 3.10 2.70

0.4 2.90 3.45 4.00 3.80

0.5 3.50 3.75 4.90 4.70

0.6 3.90 4.02 5.90 5.50

0.7 4.40 4.88 6.70 6.20

0.8 5.00 5.35 7.90 6.90

0.9 5.50 5.95 9.30 7.80

1.0 5.70 6.30 10.00 8.90

1.1 6.30 6.90 11.00 10.00

1.2 6.75 7.40 11.90 11.40

1.3 7.25 7.80 12.90 12.00

1.4 7.75 8.60 13.80 13.20

1.5 7.80 9.20 14.90 14.35

평균 중력가속도 4.61 m/s 2 5.09 m/s 2 9.53 m/s 2 9.57 m/s 2

이론값 9.80 m/s 2

오차율 52.96% 48.03% 2.77% 2.35%

- 25 -

- 경사 30도의 빗면에서 ma=mgsinθ(θ=30〫) 공식을 사용하였다.

1) 실험 결과(위에 표 제시)

- 타점기록계와 전기전도식 기록계의 오차율은 이론값과 48% ～ 53% 차이가 났

다. 이 결과에서 이러한 기구들은 실제 실험에 사용할 시, 오차가 너무 커서

정확한 실험 결과를 얻을 수 없을 것이라는 결론을 얻었다.

- MBL 방식의 PASCO와 최종 작품의 성능 차이는 거의 없었고, 오차율도 2%대로

별 차이가 없었다.

중력가속도 측정 실험 모습 자료를 분석하는 모습 1 자료를 분석하는 모습 2

나. 진자의 주기 측정

- 진자의 주기는 경사 30도인 빗면에서 MBL 장치(PASCO Interface), 최종 작품

순서대로 측정하였다.

종류

횟수타점식 전기전도식 PASCO 최종 작품

1회 - - 2.740 2.814

2회 - - 2.763 2.799

3회 - - 2.824 2.984

4회 - - 2.901 2.988

5회 - - 2.842 2.713

6회 - - 2.783 2.745

7회 - - 2.782 2.675

8회 - - 2.759 2.333

9회 - - 2.760 2.883

10회 - - 2.730 2.920

평균 주기 - - 2.7884 2.7854

이론값 2.810

오차율 - - 0.769% 0.875%

- 진자의 길이는 98cm로 하여 실시하였다.

- 26 -

- 진자 주기의 공식 T=2πlg에서 진자의 주기는 실의 길이에 따라 달라지기

때문에, 진자의 길이를 일정하게 하면 주기는 일정하게 나올 것이다.

- 빗면의 각이 θ일때, 진자 주기의 공식은 T=2πl

gsinθ의 꼴로 된다.

- 이론상으로 주기는 일정하나, 기록하는 장치에 따라 값이 다를 수 있기 때문

에, 그 다른 정도를 측정하였다.

- 주기는 각 횟수마다 10회 측정값의 평균값으로 기록하였다.

1) 실험 결과(위에 표 제시)

- 이론값은 공식에 의해 2.810이 나왔는데, MBL 방식의 PASCO와 최종 작품의

결과값도 이와 별 차이가 없었다.

- PASCO의 오차율은 0.769%, 최종 작품의 성능은 0.875%로 오차율의 차이가 거

의 없었다.

빗면에서의 무선마우스 1 빗면에서의 무선마우스 2 빗면에서의 무선마우스 3

7. 제작 결론과 느낀점, 향후 활용 효과

가. 제작 결론

- 오차가 이론값과 거의 차이가 나지 않아 무선마우스를 이용한 운동기록장치

가 거의 정확한 값을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.

- 실험에서 약간 발생한 오차 원인은, 공기의 저항도 영향을 끼쳤을 것으로 생

각되며, 만약 진공에서 실험을 한다면 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으

로 생각된다.

- 이 작품은 21세기 현대화된 과학실험실에 맞는 무선운동 기록 분석장치로 노

트북 또는 컴퓨터를 이용하여 거리에 관계없이 실험실의 어떤 장소에서도 실

험이 가능하여 기존의 유선 MBL 제품보다 효율적이다.

- 소음이 거의 없고, 조용하여 실험할 때 방해를 많이 주지 않았을 뿐 아니라,

실험에 집중할 수 있었다.

- 가격이 저렴하고 실용적이어서 많은 활용이 될 것으로 생각된다.

- 27 -

- 기존 여러 대회에 출품되었던 다른 작품들과 달리, 1차원 운동뿐 아니라 2차

원 운동도 분석, 기록할 수 있으며 진자의 ‘주기’운동도 분석, 기록할 수

있다는 장점이 있다.

나. 제작 후 느낀점 및 향후 예측되는 활용 효과

1) 느낀 점 및 제작품의 설명 정리

- 물체의 위치와 운동은 과학의 가장 기본적인 항목에 해당한다. 그래서 힘의

단원에서 힘의 정의를 한 후에 바로 운동에 관한 내용으로 들어가고, 그 내

용에는 위치, 속도, 시간 등의 기본 단위를 중심으로 개념을 익히게 된다.

- 종이테이프 기록타이머는 가격적인 면에서 일선 학교에 많이 보급되어 지금

껏 활용되고 있지만, 컴퓨터와 같은 고급 학습보조 도구가 이미 일선 학교에

충분히 보급된 현실을 감안한다면, 그리고 과학 수업에 있어서 실험기구의

중요성을 감안해 볼 때 더 나은 실험 도구를 능동적으로 보급하는 것도 우리

나라 과학인재를 키우는 방법 중 하나가 될 수 있을 것이다.

- 실질적으로 작품의 제작 과정에 참여하면서, 그냥 대충알고 넘어갔던 과학적

개념에 대하여 실질적으로 의미를 이해할 수 있는 좋은 계기가 되었으며, 인

터넷을 통하여 조사된 자료와 학교에서 직접 본 장비들을 통하여 과학적 사

실에 더 많은 흥미와 관심이 생긴 것도 사실이다.

- 종이테이프 기록장치는 측정 시 종이와 타점 핀의 마찰로 정밀도가 떨어진

다. 또한 소음은 실험의 집중도를 떨어트려 수업에 상당한 장애 요인이 되고

있다.

- 이 점을 개선한 스파크 타점 방식은 소음과 오차 면에서 바이브레이터 방식

보다 확연히 진일보한 제품으로 생각된다. 그러나 여전히 특정의 종이를 사

용해야 되는 점과, 스파크가 발생할 때, 주기와 타점 위치에 다소간의 차이

가 발생하는 점, 그리고 내부적으로 고전압이 발생한다는 점이 한계이다.

- 레이저와 열 감응지를 이용하여 운동을 기록하려 했던 생각은 열 감응지의

성능면과 실시간으로 실험이 이루어지기 어렵다는 제약 사항으로 인하여 문

제가 있다고 생각한다.

- 포토게이트 타이머 방식의 전자적인 기록계는 확실히 종이 매체 장치보다 깔

금하고 유지 관리면에서 경제적이다. 다만 센서 위치에서만 값을 읽어 들이

기 때문에 운동 전 과정에 대한 이미지를 전달하는데 종이 매체 방식보다 못

하다고 생각된다.

- 28 -

- 스마트 풀리 방식의 기록 매체는 특정한 고가의 인터페이스 장비를 기본으로

해야 되는 점을 배제한다면, 지금까지의 제품 중에서 가장 진보한 실험 장비

로 생각된다.

- 그리고 컴퓨터의 마우스, 특히 무선 마우스는 불필요한 선에 의한 마찰이 없

고, 또 마우스가 이동할 레일에 공기를 불어넣어 완벽하게 무 마찰 운동 장

치와 같이 활용한다면 이상적인 실험 조건을 만족시키게 된다.

2) 향후 예측되는 활용 효과

- 이미 일선 학교에서는 앞에서도 말했듯이 고급 실험기구인 컴퓨터가 보급되

어있기 때문에, 무선마우스를 이용한 운동기록장치가 널리 쓰일 수 있을 것

으로 예측된다.

- 제작 가격이 저렴하고, 성능이 우수하기 때문에 이미 학교에 보급되어있는

타점식 시간기록계를 대체할 수 있을 것이다.

- 복잡한 인터페이스를 사용하지 않았기 때문에 조작 방법이 쉬워 학생들이 학

습하는데 매우 좋은 효과를 기대할 수 있을 것이다.