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1. 서론
1.1. 아주대학교 물리학실험 실험 개요
아주대학교 물리학실험에서는 일과 에너지의 측정을 통해 역학 분야의 이론적 개념을 실험적으로 검증하고자 한다. 이를 위해 충돌 수레와 나무토막을 이용한 3가지 실험을 진행한다. 첫 번째 실험에서는 충돌 수레의 운동을 관찰하여 마찰력과 마찰계수를 측정한다. 두 번째 실험에서는 위치-시간 그래프 분석을 통해 일, 운동에너지, 위치에너지의 변화량을 계산하고 일-에너지 정리의 유효성을 검증한다. 마지막 실험에서는 정지 마찰계수와 운동 마찰계수를 측정하여 두 마찰력의 특성을 비교한다. 이를 통해 역학적 에너지 보존 법칙과 마찰력의 특성을 종합적으로 이해하고자 한다. 이번 실험에서는 측정값의 오차에 유의하며, 결과 분석과 토의 과정에서 실험의 한계와 문제점을 면밀히 검토할 것이다.
1.2. 일과 에너지의 측정 목적
실험에서는 마찰력과 일-에너지 정리에 대한 이해를 높이고자 한다.
우선 충돌 수레를 이용하여 마찰력과 마찰 계수를 측정한다. 이때 수레의 운동 방향에 따른 가속도를 측정하여 마찰력과 마찰 계수를 계산한다.
다음으로 수레의 운동 에너지 변화량, 중력의 위치 에너지 변화량, 마찰력이 한 일 등을 측정하여 일-에너지 정리가 성립하는지 검증한다. 특히 일-에너지 정리에 따르면 마찰력이 한 일은 운동 에너지의 변화량과 같아야 하므로, 이를 실험적으로 확인하고자 한다.
마지막으로 나무토막을 이용하여 정지 마찰 계수와 운동 마찰 계수를 측정하고 비교한다. 이를 통해 정지 마찰력과 운동 마찰력의 특성을 이해한다.
이상과 같이 다양한 실험을 통해 마찰력과 일-에너지 정리에 대한 이해를 높이고자 한다.
2. 실험 1: 마찰력의 측정
2.1. 충돌수레의 운동 측정
충돌수레의 운동을 측정하기 위해 실험을 진행하였다. 먼저 동역학트랙의 수평을 맞추는 과정을 거쳤는데, 수준기를 통해 트랙의 앞뒤 수평을 맞추고 충돌수레를 끝막이 방향으로 밀어줄 때와 끝막이에서 반발할 때의 가속도를 측정하였다. 이때 가속도의 절댓값 차이가 0.02 m/s^2 이하가 되도록 수평을 조정하였다.
실험에서는 추를 달고 있는 상태의 충돌수레를 밀어주어 이 운동이 등가속도 운동임을 확인하였다. 시간에 따른 속력의 그래프를 구하여 물체가 등가속도 운동을 하고 있음을 확인할 수 있었다. 선형회귀법을 이용하여 가속도를 구하였고, 이를 통해 마찰력과 마찰계수를 계산할 수 있었다.
충돌수레의 질량 m1은 0.4954 kg, m1+m2는 0.5014 kg이었다. 수평 조정 시 측정된 가속도 aforward는 -0.0320±0.0025 m/s^2, abackward는 0.0218±0.0018 m/s^2이었다. 선형회귀법으로 구한 가속도 aup는 0.317±0.0014 m/s^2, adown은 0.249±7.5×10^-3 m/s^2이었다.
이를 바탕으로 마찰력 f는 0.01735360.0174 N, 마찰계수 μk는 0.003574435830.0036으로 계산되었다. 이는 충돌수레의 운동에서 발생하는 마찰력과 마찰계수를 측정한 결과이다.
2.2. 마찰력 및 마찰계수 계산
충...
