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1. 실험 목적 및 개요
1.1. 실험 목적
실험의 목적은 물체의 질량, 접촉면의 면적 및 크기와 마찰계수의 관계를 확인하는 것이다. 뉴턴의 운동법칙을 이용하여 두 물체의 접촉면 사이에 작용하는 마찰력을 측정하고, 그 결과를 통해 물체의 질량, 접촉면의 면적 및 크기가 마찰계수와 어떤 관계를 갖는지 확인하고자 한다.
1.2. 실험 관련 이론
물체가 정지 상태에 있을 때 물체가 움직이게 하려면 일정한 힘이 필요하다. 이는 물체와 표면 사이의 정지마찰력 때문이다. 외부에서 작용하는 힘이 커짐에 따라 임계값에 도달할 때까지 정지마찰력이 증가한다. 임계값(최대 정지마찰력)을 넘어서면 물체는 움직이게 되고, 이때부터는 운동마찰력이 작용하게 되는데, 일반적으로 운동마찰력이 정지마찰력보다 작다. 최대정지마찰력과 운동마찰력은 표면이 물체에 작용하는 수직항력(N)의 크기에 근사적으로 비례한다.
정지마찰력은 최대정지마찰력(fs,max)과 나타낼 수 있으며, 이는 수직항력(N)과 정지마찰계수(μs)의 곱으로 표현된다. 운동마찰력(fk)은 수직항력(N)과 운동마찰계수(μk)의 곱으로 나타낼 수 있다.
운동마찰계수(μk)는 물체의 가속도(a)와 질량(M, m), 그리고 중력가속도(g)를 이용하여 계산할 수 있다. 물체의 수평 방향 힘의 합(∑Fx)은 장력(T)에서 운동마찰력(fk)을 뺀 값이며, 이는 물체의 질량(M)과 가속도(a)의 곱이 된다. 물체의 수직 방향 힘의 합(∑Fy)은 수직항력(N)에서 물체의 무게(Mg)를 뺀 값이 0이 된다. 이를 통해 운동마찰계수(μk)를 구할 수 있다.
2. 실험 장치 및 설정
2.1. 실험 장치 구성
실험에 사용된 실험 장치는 다음과 같다. 레일과 Motion Sensor로 구성된 실험 장치를 사용하였다. 나무 블록은 A면(부직포가 붙어있는 넓은 면적), B면(부직포가 붙어있는 좁은 면적), C면(부직포가 붙어있지 않은 넓은 면적)으로 구성되어 있었다. 추와 추걸이, 도르래와 실, PC, 550 Interface 등의 장비가 함께 사용되었다. 실험에 필요한 모든 장치들이 준비되어 있었다.
2.2. Pasco Capstone 프로그램 사용법
<2.2. Pasco Capstone 프로그램 사용법>
먼저 컴퓨터에서 PASCO Capstone을 실행한다. 연결이 잘되었다면 Hardware Setup 탭이 반짝거리는 것을 볼 수 있다. Hardware Setup 탭을 누른 뒤, Motion Sensor가 장착된 디지털 1, 2번 구멍을 클릭하여 'Motion Sensor II'를 선택한다....
