16. 톡톡 튀는 분자!

한소영(삼산고), 김미경(인천중), 임익섭(숭덕여중)

이 실험은

모든 물질을 이루고 있는 원자나 분자들의 실제 크기는 얼마나 될까? 보이지 않는

아주 작은 입자들의 세계인 원자나 분자를 1억 배로 확대시켜보면 탁구공만 해서 알

기 쉬운 크기가 된다. 우리 주변에는 분자를 설명하는 모형이 많이 있다. 이 시간에

는 우리에게 친숙하고 톡톡 튀는 탁구공과 자석을 이용해 분자를 표현해보자.

필요한 것

탁구공(황색 7개, 백색 8개), 자석(φ5×3T) 20개, 순간접착제, 연필, 달걀판, 각도기,

실험 1. 보다 간단히

이렇게 합시다

활동1 점찍기 틀 만들기

가. A형 분자모형 틀 (선형, 평면 삼각형)

1. 두꺼운 종이에 직선을 긋고, 120°가 되도록 두 개의 선을 그린다.

2. 반지름이 20mm(탁구공의 지름 40mm)인 원을 그리고, 원형커터칼로 원을 잘라낸다.

나. B형 분자모형 틀 (정사면체형, 삼각뿔형, 굽은형)

1. 두꺼운 종이에 중심이 되는 점을 찍고, 중심점을 기준으로 간격이 120°가 되도록

세 개의 선을 그린다.

2. 중심점을 기준으로 반지름이 18.84mm(지름 약37.7mm)의 원을 그리고, 원형커터

칼로 원을 잘라낸다.

활동2 A형 분자모형 세트 만들기

1. A형 분자모형 틀 위에 주황색 탁구공을 올린 후 180°(점A, B)가 되도록 2개의

점을 찍는다.(2개)

2. 다른 주황색 탁구공에 같은 방법으로 120°(점A, C, D)가 되도록 3개의 점을 찍는다.(1개)

3. 3개의 탁구공의 한 점에 순간접착제를 쌀알크기만큼 떨어뜨리고 달걀판에 순서대로

똑바로 세워둔다.(※ 순간접착제의 양을 적절히 해야 단단히 붙일 수 있다. 또한

순간접착제가 마를 때까지 탁구공끼리 맞닿지 않도록 주의한다.)

4. 순간접착제를 먼저 떨어뜨린 순으로 탁구공에 자석의 A면을 붙이고 살짝 눌러준다.

7. 3개의 탁구공의 다른 한 점에 순간접착제를 쌀알크기만큼 떨어뜨리고, 달걀판에

순서대로 똑바로 세워둔다.

8. 순간접착제를 먼저 떨어뜨린 순으로 탁구공에 자석의 B면을 붙이고 살짝 눌러준다.

9. 평면 삼각형 탁구공의 나머지 한 점에 위와 같은 방법으로 자석의 A면을 붙인다.

활동3 B형 분자모형 세트 만들기

1. B형 분자모형 틀 위에 주황색 탁구공을 올려놓고 세 개의 점을 찍는다.

2. 세 개의 점 중 하나(상표의 별 부분)를 위로 보내고 나머지 두 개의 점을 틀에

맞춘 후 네 번째 점을 찍는다.(주황색 탁구공 3개)

3. 3개의 주황색 탁구공의 두 점에는 자석의 A면을 붙이고, 다른 두 점에는 자석의

B면을 붙인다.

4. 4개의 백색 탁구공에는 자석의 A면을, 또 다른 4개의 백색 탁구공에는 자석의 B

면을 붙인다.

5. 정리하면 다음과 같다.

탁구공 자석수(자석면) 수량 합

백색1개(A면) 4

81개(B면) 4

황색

2개(A, B면) 2

63개(A면 2개, B면 1개) 1

4개(A면 2개, B면 2개) 3

생각해 봅시다

1. 분자모형 세트로 표현할 수 있는 분자

1) 수소, 산소, 염소 등 홑원소 물질

2) 이원자 분자

3) 3원자 분자(직선형 굽은형)

4) 4원자 분자(삼각형, 삼각뿔)

5) 정사면체 및 탄화수소

2. 이 모형의 장단점은 무엇인가?

3. 어디에 활용하면 좋을까?

실험 2. 보다 간단히

필요한 것들

탁구공(지름40mm), 나무틀(109.5° 간격으로 위치가 표시되어 있음)

원형 접착식 벨크로(지름 15mm)- 보들이(파란색), 까칠이(빨간색)

※ 벨크로 테이프에서 부드러운 면을 가진 쪽을 ‘보들이’, 거친 면이 있는 쪽을

‘까칠이’라고 정한다.

1. 다이아몬드 결정 모형 만들기

① [그림 19]와 같이 탁구공의 상표가 있는 부분을 위로 하게 하여 나무틀 위에 올

려 놓는다. (109.5° 간격으로 위치가 표시되어 있는 나무틀을 사용한다.)

[그림 19] [그림 20]

② [그림 20]과 같이 상표 위치의 한가운데인 ⓐ 부분에 한 점을 찍고, 나무틀의

109.5°를 나타내는 3개의 선과 탁구공이 만나는 ⓑ, ⓒ, ⓓ 점에 각각 점을 찍는

다. (ⓐ~ⓓ점은 탁구공에 내접하는 정사면체의 4개의 꼭지점에 해당된다.)

③ [그림 21]과 같이 탁구공 표면의 4개의 점 중에서 임의로 2개의 점은 보들이로

붙이고 나머지 2개의 점은 까칠이로 붙인다.

[그림 21]

④ 탁구공 2개를 서로 연결하기 위해, [그림 23]과 같이 각 탁구공을 편의상 탁구공

-1, 탁구공-2라고 하자. 연결부위를 중심으로 하였을 때, 탁구공-1의 임의의 벨

크로 A는 탁구공-2의 임의의 벨크로 B와 C가 이루는 선분을 수직으로 나눌 수

있도록 탁구공을 연결한다.

[그림 22] [그림 23]

⑤ 위의 ④와 같은 방법으로 탁구공 1개 주위에 4개의 탁구공을 붙인다.

[그림 24] [그림 25]

[그림 26] [그림 27]

[그림 30] [그림 30]

⑥ [그림 27]을 옆에서 보면 [그림 28], [그림 29]와 같다. [그림 29]에서처럼 중심 탁

구공 주변의 탁구공 3개는 벨크로를 붙인 위치가 같은 면(방향)을 바라보게 된다.

[그림 28] [그림 29]

⑦ 탁구공 4개를 연결하여 [그림 30]과 같이 만든다.

⑧ 탁구공 6개로 연결하여 6각형을 만들고 그 위에 [그림 30]을 연결한 다음 그림

30이 결합하는 탁구공 3개에 탁구공 1개씩을 결합하여 완성한다.

[그림 32]

⑨ [그림 32]는 총 14개의 탁구공으로 만들어진 것이며, [그림 30]을 같은 방법으로

연결해가면 더 큰 구조를 얻을 수 있다.

17. 과학수사 PBL 프로그램안인영

경기도중등과학과교육연구회

(석호중학교, preciousiy@hotmail.com)

1. 창의적 문제 해결

<우리나라 과학교육의 변천>

교육과정명칭 제7차 교육과정2007 개정교육과정

2009 개정교육과정

교육목적 STS 소양, 의사 결정력 STS 소양, 의사결정력, 창의성

과학과

교육과정

목표

자연 현상과 사물에 대하여

흥미와 호기심을 가지고, 과학

의 지식 체계를 이해하며, 탐

구 방법을 습득하여 올바른

자연관을 가진다.

자연 현상과 사물에 대하여 흥미

와 호기심을 가지고 탐구하여 과

학의 기본 개념을 이해하고, 과

학적 사고력과 창의적 문제 해결

력을 길러 일상생활의 문제를 창

의적이고 과학적으로 해결하는

데 필요한 과학적 소양을 기른

다.’

우리나라 과학교육의 변천을 보면 알 수 있듯이, 앞으로의 과학과 교육과정은 기존

의 제 7차 과학과 교육과정에 비해 창의성 신장을 위한 과학교육을 강조하고 있다.

지식 기반 사회에서 창의성을 추구하는 것은 과학 교과만이 아니라 모든 교과에서

추구해야할 과제라고 할 수 있다. 이러한 측면에서 차기 과학과 교육과정에서 창의

성을 강조하는 것은 당연하다고 할 수 있다. 교육과정의 성격, 목표, 내용, 교수․학습 방법, 평가 등의 각 부분에서 그 중요성이 강조되고 있는 창의성 신장을 위한

교육은 실제 학습 지도에서도 핵심이 되어야 할 것이다.

2. 과학수사 PBL(Problem-based learning) 프로그램

PBL(Problem-based learning)은 문제 중심 학습 또는 문제 기반 학습으로 학생

들이 문제 상황을 통해 문제해결 능력과 더불어 문제해결과 관련된 지식을 습득할

수 있도록 하는 교수방법이다.

창의성 신장과 과학적 탐구능력 신장이 앞으로의 과학교육에서 궁극적인 학습 목

표로 중요시되는 변화에 따라 새로운 목적에 부합되는 새로운 수업 체제가 요구되

는데, 이를 충족시키는 데에 가장 적합한 학습형태가 바로 문제중심학습(PBL)이다.

문제를 해결하는 과정에서 기본적인 지식이나 기능을 보다 확실하게 이해할 수 있

을 뿐만 아니라, 지식의 단순 암기나 반복 연습에서 벗어나 비판적 사고나 의사결

정, 창의적 사고 등과 같은 높은 수준의 정신 기능을 키울 수 있기 때문이다.

또한 문제 제시 단계에서 과학적인 요소를 가지고 있으면서도 TV 프로그램에서

인기를 얻고 있는 CSI(과학수사대)의 요소를 이용하여 학생들의 호기심과 흥미를

증진 시키게 될 것이다. 과학수사를 이용한 학습은 실생활에서 일어날 수 있는 상

황을 제시하여 창의력과 문제해결력을 증진시키며, 과학자의 역할을 학생들이 직접

수행하면서 문제의 연관성과 의미를 해석하여 결과물을 얻어내는 과정을 체험할 수

있다.

3. PBL 적용 수업 예시

<생물1> CSI 과학수사대. 용의자를 찾아라! 사건발생 (CSI 영상 재생)

여러분이 과학수사 요원이 되어서 팀원 내의 용의자를 찾아봅시다.

<7차-중2, 개정-중3> 점 한개의 차이도 크로마토그래피면 찾아낼 수 있어! CSI. 용의자를 찾아라! 탐구활동지

팀팀장:

팀원: 2학년 반 번 이름

실험과정

기록

나의 실

험결과

anti-A anti-B anti-D

1. 나의 혈액형 판정결과를 그려보세요.

2. 나의 혈액형은?

수사결과

1. 팀원의 혈액형을 기록하시오.

2. 용의자로 추정되는 사람은?

문서 감정 요청수신자 수신자 참조(경유) 제목 문서 감정 요청

1. 당신은 법의학자이며 현재 국립과학수사연구소에서 일하고 있습니다. 당신의

부서인 문서영상과에서는 필적, 인쇄물, 위조지폐, 불명 문자의 판독, 날인, 선·후

작성여부 및 잉크 색재 분석 등 범죄와 관련된 문서에 관한 감정 업무를

수행합니다.

2. 최근에 A씨 집에서 범죄 사건이 발생하였습니다. 피의자 A씨는 현재 사건의 충

격으로 사건에 대한 기억을 상실했습니다. 여러 정황으로 보아 가장 유력한 용의자

는 인터넷선을 연결하는 일을 하는 B씨입니다. B씨는 A씨 집 근처에서 인터넷선을

정비하는 작업을 하고 있었을 뿐 사건과는 관련이 없다고 주장합니다. 또한 B씨는

자신의 알리바이로 그의 작업 일지를 제출하였습니다. 그의 작업일지의 날짜는

2008년 10월 18일로 되어있습니다. B씨가 일하는 ET통신의 관계자에 따르면 토

요일에 기술자가 일하는 경우는 매우 드문 일이라고 합니다. 인터넷선 연결 작업이

아니라면 B씨는 A씨 집 근처에 가야 할 이유가 없습니다.

3. ET통신에서는 작업 기술자에게 작업 일지를 작성하기 위한 볼펜을 제공해왔습

니다. 10일 이후 회사 내부 사정으로 볼펜의 공급이 중단되었으며 기술자들은 자신

의 펜을 사용해왔습니다.

4. 당신은 B씨가 문서의 날짜를 위조했다는 것을 밝혀내야 합니다. 당신에게는

ET통신에서 작업 기술자에게 제공했던 볼펜1과 B씨의 작업일지, B씨가 가지고 다

니던 펜이 주어졌습니다. 이 사건을 해결하고 난 후 당신은 문서 감정 결과에 대해

10~15분 정도의 브리핑을 하여야 합니다.

국립과학수사연구소 000 연구원

수신자

별첨자료

안산시 경찰서장

1. 문서 감정 관련 실험 방법 ․ 내용 ․ 결과분석방법

주임 출판 과장 출판부장 학회장

시

행국립과학수사연구소

접

수석호중학교

우 000-000 안산 석호중학교

“따르르릉~”

2010년 11월 6일 아침, 어젯밤 늦게까지 중학교 3학년인 조카의 달 관찰하기 숙제

를 함께 도와주고 늦잠을 자고 있던 명탐정 코난에게 안산시 경찰서장님으로부터

한통의 전화가 걸려왔습니다.

“날세. 어젯밤, 그러니까 2010년 11월 5일, 석호아파트에서 절도사건이

발생했어. 사건은 밤 11시경 발생했는데 우리가 신고를 받고 현장에 출

동했을 때는 밤 12시였네. 밤새도록 주변 사람들을 조사한 결과 우리는

천명, 덕만, 미실, 유신 네 사람을 용의자로 지목했지. 그런데 이 사람

들이 모두 자기가 범인이 아니라고 주장을 한단 말일세. 자네, 이 사람

들 중에서 누가 이 사건의 범인인지 찾아낼 수 있겠나? 자네의 도움이

필요하네.”

안산시 경찰서장님의 다급한 전화를 받은 명탐정 코난은 서장님이 보내온 범인들의

진술서를 보고 큰 고민에 잠겼습니다. 하지만 갑자기 어젯밤 조카의 책상위에 놓여

있던 달의 위상이 그려진 달력이 생각난 코난은 빙그레 회심의 미소를 지었습니다.

다음은 용의자로 지목된 천명, 덕만, 미실, 유신 씨의 진술서입니다.

<중3> 완전범죄? 달부터 공부해!명탐정 코난이 지목한 이 사건의 범인은 누구일까요?

어젯밤 10시 50분쯤 집을 나서서 친구와 함께 달을 구경하려고 뒷산에 갔어요.

달이 잘 보이진 않았지만 상현달을 구경하고 집에 돌아오니 11시 30분이었던

걸로 기억해요. 문도 꼭 잠궈 두고 나갔었는데...ㅠ - 집주인 천명씨

어젯밤 방에서 시험공부를 하는데 아랫집에서 이상한 소리가 나는거예요. 그때

가 11시 15분 이였어요. 너무 시끄러워서 밖을 내다보았는데 달이 뜨지 않았는

지 너무 어두워서 아무것도 보이지 않았어요. 11시 35분쯤 되니까 조용해지길

래 다시 공부하기 시작했죠. - 윗집주민 덕만씨

어젯밤 집으로 돌아가는 길이었어요. 그때가 11시 10분쯤이었는데 집 가까이 왔

을 때 어떤 사람이 갑자기 골목에서 달려 나오더라고요. 가로등이 없어서 그

골목은 어둡지만 달빛으로 그 사람 얼굴을 볼 수 있었어요. 윗집 D씨 같았는

데... 어제 무슨 달이었냐구요? 상현달이었어요. 확실해요. - 옆동사는 미실씨

전 어제 10시까지 밖에서 놀다가 들어와서 너무 피곤해서 곤히 자다가 경찰이

문을 두드리는 소리에 깼어요. 경찰이 왔을 때가 밤 12시 30분경이었어요. 그

때 제 방 창문으로 밖을 봤는데 달이 떴었는지는 기억이 잘 안나요. 어제 본

달의 모양이요? 상현달? 하현달? 아무튼 반달모양이었어요. - 옆집주민 유신씨

4. 개선점

① '문제’의 문제

: PBL에 적합한 ‘문제’가 다양하게 만들어져 있지 않고, 교사가 직접 문제를 만

들기 위해서는 많은 시간과 노력이 소요된다.

② PBL에 대한 학생들의 부담감과 불안감

: 학생들은 새로운 학습 방법에서 다루는 내용들이 많고, 다른 수업방법보다 더

많은 시간을 투자해야 하며 기존의 수동적인 자세에서 능동적으로 학습을 주도

해야 하는 역할 변화에 대해 부담감을 느끼게 되고,성적에 대한 불안감을 가지

게 된다.

③ 교육과정에 의한 제한점

: 학교에서는 정해져 있는 시간표 때문에 수업 시간에 제한을 받게 된다.

④ PBL에 대한 평가기준 미비

5. 참고문헌

• [제 7차 교육과정] 과학과 교육과정 해설서

• [2007 개정 교육과정] 과학과 교육과정 해설서

• [2009 개정 교육과정] 과학과 교육과정 해설서

18. 무한돌이, 무한팽이 Ⅱ울산과학교육연구회

선암초등학교 교사 정 혁

1) 프로그램의 개요

구리선에 전류가 흐르면 구리선 주위에 자기장이 생기는데, 이 때 그 주위에

놓인 자석은 구리선으로부터 힘을 받는다. 실험에서 자석이 전류가 흐르는

구리선으로부터 힘을 받는 것을 이용하여 자석이 돌아가도록 하며 자기장

속에서 전류가 받는 힘인 ‘전자기력’을 이용하여 자석 팽이를 돌아가게 한다.

즉, 자석에 의한 자기장과 전류에 의한 자기장의 영향으로 자석 팽이를 돌아

게가 하는 힘이 생기는 데, 이 힘이 ‘전자기력’이다.

2) 과학적 배경 및 연계되는 교과내용

< 중등 3-Ⅱ 일과 에너지 >

< 중등 3-Ⅵ 전류의 작용 >

3) 준비물

리드 스위치, 실패, 애나멜선, LED, 건전지, 건전지 끼우개, 고무캡, 커넥터

(전선포함), 뚜껑있는 컵, 자석, 이쑤시개, 수축튜브, 사포

4) 실험방법

A-1 [ 발전기(전동기) 만들기 : 실패에 애나멜선 감기 ]

A-2 [ 발전기(전동기) 만들기 : 다이오드에 커넥터와 전선 연결하기 ]

A-3 [ 발전기(전동기) 만들기 : 다이오드 / 스위치 / 실패 연결하기 ]

A-4 [ 발전기(전동기) 만들기 ]

B-1 [ 팽이 만들기 ]

C-1 [ 완성된 무한 팽이 ]

5) 원리설명

♣ 자석은 왜 철을 끌어당길까?

- 자석을 이루고 있는 작은 알갱이들은 서로 같은 방향으로 정렬되어 있기

때문에 자석이 가까워지면 끌어당겨서 붙습니다.

- 철은 자석에 가까워지면(자석의 자기장 내에 들어오면) 철 안의 알갱이들

이 자석 알갱이들과 같이 같은 방향으로 정렬하여 자석의 성질을 가지게

됩니다. 따라서 철로 된 물질에 자석을 가까이 가져가면 철이 자석에 붙

게 됩니다.

- 자석에 붙지 않는 물질은 자석을 가까이 가져가도 철처럼 자석에 의해 움

직이는 알갱이들을 가지고 있지 않으므로 자석의 성질을 가지지 않아 자

석에 붙지 않습니다.

♣ 전류에 의한 자기장

자기장은 자석에 의해서만 생기는 것이 아니라, 전류가 흐르는 도선 주위에

도 생긴다. 이러한 사실은 1820년 덴마크의 물리학자 외르스테드에 의하여

발견됨으로써, 자기 현상과 전기 현상이 독립적인 현상이 아니라 서로 밀접

한 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 그리고 도선에 전류가 흐를 때 뿐만 아니

라 방전과 같이 전기 현상이 일어날 때도 자기 현상이 생기고, 이 자기장에

의해서 나침반의 바늘이 움직이거나 철가루가 자기장의 방향에 따라 일정한

모양으로 배열되게 된다.

♣ 리드 스위치(LEED S/W)란?

일명 마그네트 스위치(Magnet S/W)라고도 부르는 스위치이며, 자계(자석

혹은 전자석)에 의해서 접편(로듐(RH)또는 류테늄(RU)등으로 도금)이 붙고 /

떨어지는 스위치이다.

즉 리드 스위치 가까이 자석을 가져가면 Lead의 자성체 접점이 서로 다른

극(N/S)으로 자화되면서 끌어당겨 붙게 되는 스위치이며 자장(자석)을 멀리

하면 접편 탄성에 의해 원래대로 복귀되어 접점이 떨어진다.

♣ 플레밍의 왼손 법칙

전류가 흐르고 있는 도선에 대해 자기장이 미치는 힘의

작용 방향을 정하는 법칙이다. 전류가 흐르는 도선 하나

하나의 부분이 자기장에 의해서 받는 힘은 왼손의 중지를

전류가 흐르는 방향으로, 검지를 자기력선의 방향으로 향

하게 하여, 이것들에 대해 수직으로 편 엄지가 가리키는

방향으로 작용한다. 단, 전류와 자기장의 방향이 평행일

때는 이와 같은 힘은 작용하지 않는다.

6) 생활 속의 전자기력

♣ 전동기

전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 역

학적에너지로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 모터(motor)를 말한다. 전원의

종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류되며, 교류전동기는 다시 3상교

류용과 단상교류용으로 구분된다. 오늘날에는 3상교류용 전동기를 주로 사용

하고 있다.

♣ 오로라

태양에서 방출된 대전입자(플라스마)의 일부가 지구 자기장에 이끌려 대기로

진입하면서 공기분자와 반응하여 빛을 내는 현상. 북반구와 남반구의 고위도

지방에서 흔히 볼 수 있다.

♣ 자기력을 이용하는 생물들

박테리아는 몸속에 자철광이 있어 N극 방향으로 움직인다. 또한 비둘기는

뇌 안에 작은 나침반이 들어있어 방향을 구분할 수 있다. 그 외 원숭이, 돌

고래, 연어, 참치, 상어, 조개 등이 몸 속에 나침반과 같은 조직을 포함하고

있는 것으로 밝혀졌다.

19. 비즈로 만드는 모형 박테리오파지 T4한영수

부천과학교사실험연구회

1. 개발의 배경

2009년 세계를 떠들썩하게 했던 신종플루처럼 신종바이러스나 세균에 의한 질병이

많아지고 있는데 마침 2009년 교내 겨울방학 탐구교실에서 박테리오파지의 모형을

만들게 되었고 2010년 생물 다양성의 해를 맞아 과학축전을 통해 사람들에게 알리

면 좋겠다는 생각으로 비즈공방, 도매상 등을 다니면서 적당한 비즈를 구해 전자현

미경사진과 유사한 박테리오파지의 모형을 만들게 되었다. (2010년 24회 사이언스데

이에서 처음 발표)

<모형의 변천>

<전자현미경으로 본 박테리오파지 T4와 비즈 모형>

2. 박테리오파지란?

1915년 영국의 세균학자 F.W.트워트가 포도상구균 집락이 어떤 것에 의해 녹는 현

상을 우연히 발견하였고 1917년에는 프랑스의 세균학자 F.H.데렐이 이질 환자 변의

여과액 중에 적리균을 녹이는 작용을 가진 것이 있다는 것을 독립적으로 발견하여

이를 박테리오파지라고 명명하였다. 박테리오파지는 박테리아를 숙주세포로 하는

바이러스의 통칭으로 가장 큰 것이 약 200nm 정도 길이세균여과기를 통과 할 만큼

작으며 전자현미경이 개발되고서야 그 모양을 직접 볼 수 있었다고 한다.

숙주세포의 종류와 파지는 특이적이며 대장균 ·살모넬라균 ·콜레라균 ·결핵균 ·고

초균 ·디프테리아균 · 적리균 ·포도상구균 ·방선균 등 많은 세균에 각각 특유한 파

지가 알려져 있다.

대장균을 숙주로 하는 phage들

주변에 숙주세포가 없어질 때까지 증식한다. 특정세균만 공격하므로 항생제 대체

제로 사용할 수 있도록 연구가 진행되고 있다고 한다.

박테리오파지는 용균성과 용원성 생활사를 가지고 증식을 하는데 파지 T4는 용균

성 생활사를 가지며 같은 대장균을 숙주로 하는 람다파지는 용원성 생활사를 가진

다. 그러나 환경에 따라 용원성으로 바뀌기도 한다.

3. 모형 제작

1) 준비물

비즈 ( 오재미, 큐브시드, 왕시드, 막대시드 - 대, 소, SB시드), 와이어, 긴고리 핸

드폰줄, 비즈용 공구(평집게, 링집게, 니퍼), 비즈접시

2) 제작과정

① 비즈용철사를 13cm 길이로 세 개를 잘라 반을 접어 핸드폰 고리의 링에 끼운다.

② 6개의 철사줄을 가장 굵은 비즈의 구멍에 넣는다.

③ 여기에 사각 비즈 1개를 넣는다.

④ 큰 둥근알 비즈를 5개를 넣는다.

⑤ 길이가 짧은 철사에 작은 알을 넣고 반을 접어 육각비즈를 끼운다.

⑥ ⑤를 ④까지 만들어진 것의 아래쪽에서 넣는다.

⑦ 철사 6개를 한 가닥씩 펴고 짧은 막대, 작은 알, 긴 막대 순으로 넣고 공구를

이용하여 링을 만들어 끼워 넣는다.

⑧ 다리를 구부려 완성한다.

(주의사항 : 주머니나 가방에 넣고 다니면 철사가닥이 구부러지거나 끊어질 수 있음)

4. 과학적 배경 및 교육과정과 연계

박테리오파지는 DNA가 유전물질임을 알아내는 실험적 증거가 되었던 허쉬와 체

이스의 실험으로 유명한 생물이다. 세균을 이용하여 자기증식을 하는 바이러스로

주로 DNA의 발현연구에 많이 이용되었는데 세균 질환에 대한 치료제로서 연구되

기도 하였고 식중독 세균을 없애기 위해 식품에 분사되어 사용되기도 하였다. 최근

항생제 내성이 생긴 세균에 대한 치료제로 주목을 받고 있다고 한다.

개정교육과정의 중학교 1학년 과학에서 생물의 다양성 단원이 있고 고등학교 생물

Ⅱ에서는 유전자의 본질 단원에서 허쉬와 체이스의 박테리오파지 증식 실험을 통해

DNA가 유전물질임을 알아냈다는 내용을 학습하고 있다.

20. 아름다운 분자, DNA!

정계숭(영화여정보고), 박현우(인천해사고)

이화춘(연성중), 박상대(숭덕여고)

탁구공 DNA

탁구공으로 DNA를 나타내면 어떨까? DNA를 탁구공으로 나타낼 수 있을까? 그렇게 만들

경우 어떤 모양으로 나타날까? DNA는 수많은 염기쌍으로 연결된 두 개의 당-인산 사슬이

오른쪽 방향으로 동시에 꼬여 나사처럼 돌아가는 형태로 존재하기에 이중나선이라 부른다.

탁구공으로 DNA의 구조적인 특징을 모두 나타내는 모형을 만들어 보자.

I. DNA의 특징

A. DNA의 특징

DNA는 수많은 염기(base)쌍으로 연결된 두 개의 당(sugar)-인산(phosphate) 사슬

이 오른쪽 방향으로 동시에 꼬여 나사처럼 돌아가는 형태로 존재하기에 이중나선이

라 부른다.

이중나선을 보면 ‘인산-당-염기’가 규칙적으로 반복되고 있다. 인산-당-염기로 이

루어진 기본 단위( )를 뉴클레오티드(nucleotide)라 부른다. DNA를 이루는 뉴

클레오티드 사슬에서 당-인산 사슬은 나선의 바깥쪽에 있고 염기는 나선의 중심을

향해 있다. 두 개의 당-인산 사슬은 특이하게 쌍을 이루는 염기 사이에 형성된 수

소결합에 의해 결합되어있다. 샤가프의 법칙에 따라 아데닌(A)은 두 개의 수소결합

에 의해 티민(T)과 쌍을 이루고 구아닌(G)은 세 개의 수소결합에 의해 시토신(C)과

쌍을 이룬다. 아데닌과 구아닌은 퓨린계 염기이며 티민과 시토신은 피리미딘계 염

기이다. 모든 염기쌍은 하나의 퓨린계 염기와 하나의 피리미딘계 염기로 이루어져

있다. 이것을 염기의 상보적 결합이라 한다. 아데닌과 구아닌의 길이가 서로 같고

티민과 시토신의 길이는 서로 같다. 따라서 A-T 염기쌍과 G-C 염기쌍의 길이가

같다. 결과적으로 이중나선의 직경은 어느 위치에서나 일정하다.

구분 Purine Pyrimidine

염기 Adenine Guanine Thymine Cytosine

구조식

두 가닥의 당-인산사슬은 생장(elongation)하는 방향이 서로 반대 방향이며 이를 역

평행이라 한다. 인산이 당에 결합하는 위치는 3번과 5번 탄소이다. 당에 다른 인산이

결합할 때는 당의 3번 위치의 탄소에 인산이 결합해 나감으로써 당-인산 사슬이 생

장해 간다. 당-인산 사슬의 이러한 생장 방향을 5번에서 3번으로 생장해 간다고 나

타낸다.(5’ → 3’) 왼쪽 가닥의 생장 방향이 위에서 아래 방향이면 오른쪽 가닥의 생

장 방향은 아래에서 윗 방향이 된다.(역평행)

+ →

(왼 쪽 가닥) (오른 쪽 가닥) DNA

이중나선은 꼬아진 원기둥 형태이며 위치와 관계없이 원기둥의 직경은 동일하며

그 값은 2 nm이다. 두 사슬 사이에 존재하는 인접한 염기쌍은 36°씩 회전하여 열

한 번 째 염기의 위치는 첫 번 째 염기와 동일한 수직선상에 오며 첫 번째와 열한

번 째 염기사이의 거리는 3.4 nm이다.

B. DNA 이해하기

1. DNA를 이루고 있는 기본 단위체는 무엇인가?

2. DNA는 뉴클레오티드가 규칙적으로 반복하여 결합한 것이다. 뉴클레오티드를 이

루는 세 가지 성분은 무엇인가?

C. DNA의 구조적 특징

다음은 DNA 구조를 나타낸 그림이다. 위 자료와 아래 그림에서 알 수 있는 DNA

의 다양한 특징을 표에 정리하여 보자.

1 7

2 8

3 9

4 10

5 11

6 12

II. DNA 모형의 크기 결정

A. DNA의 전개도

1. DNA의 크기는 지름이 2 nm이고 나선 1회전의 길이는 3.4 nm인 원통형 구조이

다. 지름 2 nm인 원기둥 형태의 DNA를 펼친 전개도의 가로와 세로의 길이를 구해

보자.

2. 나선 1회전 속에 염기쌍이 10개가 들어 있으므로 염기와 결합한 당(sugar)도 10

개가 들어있다. 당을 탁구공으로 표현 할 때 당이 만드는 나선은 왼 쪽 그림과 같고

이것을 위에서 보면 원형으로 보인다.(오른 쪽)

3. 탁구공(당)의 중심이 만드는 원기둥(내부 원기둥)과 탁구공의 가장자리가 만드는

원기둥(외부 원기둥)을 같이 나타내면 아래 그림과 같다. 즉, 내부 원기둥은 탁구공의

중심을 지나가며 탁구공의 가장자리는 외부 원기둥에 내접한다.

4. 원기둥 형태인 DNA를 펼쳐 내부 원기둥과 외부 원기둥의 전개도를 동시에 나타

내면 아래 그림과 같다. 10개의 탁구공은 내부 원기둥 전개도의 대각선상에 위치한

다. 그리고 전개도상의 세 선분(de, df, cd)의 길이를 알면 DNA 모형을 만들 수가

있다.

III. 모형 만들기

* 준비물: 자석붙은 탁구공(糖)16개, 스탠드, 쇠봉, 쇠토막(염기, 32개, 4종류 각 8

개), 자, 네임펜

이렇게 하세요

1. DNA의 나선 1회전 길이가 29 cm이므로 염기쌍과 염기쌍사이의 간격은 2.9

cm이다.

2. 나선 1.5회전을 만들기 위해 중심축에 2.9 cm 간격으로 16군데에 표시를 한다.

3. 망치로 나무판 중심에 쇠막대를 똑바로 꽂는다.

4. 중심축에 표시된 위치에 자석을 이용하여 염기를 배열한다.

5. 배열된 염기에 당을 의미하는 탁구공을 결합시킨다. 이 때 나선 1회전을 만들기

위해서는 탁구공 10개와 자석 30개가 필요하므로 탁구공과 탁구공 사이에 자석을 한

개 더 추가하여 두 탁구공 사이에 자석이 3개가 되도록 한다.

6. DNA를 이루는 염기는 서로 결합하는 짝이 정해져 있다. A는 T와 G는 C와 결

합하여 DNA를 형성한다. 염기의 상보적 결합에 따라 오른 쪽 사슬을 완성시킨다.

7. 완성된 염기 배열을 서로 비교해 보자. 배열이 서로 다른 것은 어떤 의미를 나타

내는가?

IV. 논의 사항

1. 염기의 상보성 검토

➀ 염기의 짝

➁ 수소결합이란 두 분자가 가까워질 때 H를 가운데 두고 좌우에 N 또는 O가 배열

되는 경우에 형성되는 분자간 결합을 의미한다.

➂ 아래 그림에서 C와 T의 위치를 서로 바꾸면 어떻게 될까? 별지의 자료로 직접 실험

해 보자.

➃ A와 T, G와 C가 상보적으로 결합하는 이유는 무엇인가?

2. Groove의 역할

3. 중심축의 문제

➀ 우리의 오해

➁ 중심축은 존재하는가?

➂ 중심축과 염기의 배열 위치(중심축과 염기사이의 수소결합의 위치)

➃ 사진을 잘 관찰하면

1

2

3

4

5

6

4. DNA X선 회절사진의 의미와 해석

1) 위 사진에 나타난 특징을 정리해 보자.

①

②

③

④

⑤