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1. 실험 개요
1.1. 탄동진자를 이용한 탄환 속도 측정
탄환의 발사속도를 측정하기 위해 탄동진자를 활용하였다. 이 실험을 통해 선운동량 보존법칙과 역학적 에너지 보존법칙을 이해할 수 있었다.
실험에서 탄환의 질량은 66.77g, 탄동진자의 질량은 176.92g, 그리고 회전축으로부터 탄동진자의 질량중심까지의 거리는 26.8cm였다. 이를 바탕으로 탄환의 발사강도 1단계와 2단계에 대한 실험값과 이론값을 구할 수 있었다.
발사강도 1단계에서 실험값은 219cm/s, 이론값은 210cm/s로 실험값이 약 4.7% 더 컸다. 발사강도 2단계에서는 실험값이 380cm/s, 이론값이 376cm/s로 실험값이 약 1.1% 더 컸다. 따라서 전체적으로 실험값과 이론값의 차이는 약 2.9%였다.
실험값과 이론값이 유사한 수준을 보여주어, 탄동진자를 통한 탄환 속도 측정 실험에서 선운동량 보존법칙이 성립함을 알 수 있었다. 또한 탄동진자의 운동에너지가 위치에너지로 전환되는 과정을 관찰할 수 있었고, 이를 통해 역학적 에너지 보존법칙이 적용됨을 확인할 수 있었다.
발사강도가 높아질수록 실험값과 이론값의 차이가 줄어드는 것을 확인하였다. 이는 발사강도가 높아지면 탄환에 가해지는 힘이 커져서 공기저항이나 마찰력 등의 외력에 의한 영향이 감소하기 때문으로 분석된다.
한편, 실험과정에서 다양한 오차 요인이 발생한 것으로 확인되었다. 각도기의 최소 눈금이 0.5°인 점, 초기 각도 설정과 각도 측정 시 육안 의존도가 높은 점, 그리고 탄환과 탄동진자를 질점으로 가정한 것에서 오는 오차 등이 주요 원인으로 파악되었다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 측정 기구의 정밀도 향상, 실험 환경 개선, 실험 방법 보완 등의 노력이 필요할 것으로 보인다.
1.2. 수평도달거리를 이용한 탄환 속도 측정
탄환의 낙하높이 H는 87.7cm이다. 발사강도 1단일 때 탄환의 수평 도달거리 xD의 평균값은 88.7cm이다. 이론적으로 탄환의 수평 도달거리 xD와 발사 속도 v의 관계는 xD = v*sqrt(2H/g)이다. 따라서 발사강도 1단일 때 탄환의 발사 속도 v(이론)은 210cm/s이다.
발사강도 2단일 때 탄환의 수평 도달거리 xD의 평균값은 158.9cm이다. 이를 이용하여 구한 탄환의 발사 속도 v(이론)은 376cm/s이다.
탄동진자를 이용해 측정한 탄환의 발사 속도와 수평도달거리를 이용해 구한 이론 발사 속도를 비교하면, 발사강도 1단일 때 실험값은 이론값보다 4.7% 크고, 발사강도 2단일 때 실험값은 이론값보다 1.1% 크다. 이를 통해 발사강도가 높아질수록 실험값과 이론값의 차이가 줄어든다는 것을 알 수 있다.
수평도달거리를 이용한 실험에서도 실험값과 이론값의 차이가 작은 편이므로, 탄동진자를 이용한 실험에서도 선운동량 보존법칙과 역학적 에너지 보존법칙이 잘 성립했음을 알 수 있다. 발사강도가 높아질수록 오차가 감소하는 이유는 발사강도가 높아짐에 따라 탄환에 가해지는 충격량이 커져 외력의 영향이 상대적으로 감소하기 때문이다.
1.3. 에틸-알코올의 밀도 측정
에틸-알코올의 밀도를 측정하기 위해 Hare의 장치를 사용하였다. 이 장치는 밀도가 알려진 물을 이용하여 밀도를 알 수 없는 에틸-알코올의 밀도를 측정하는 방법이다. 실험을 통해 에틸-알코올의 평균 밀도는 0.78326 g/cm³와 0.78287 g/cm³로 나타났다. 두 실험 모두 표준편차가 0.6%, 표준오차가 0.3% 수준이었다.
실험 과정에서 측정값들은 점점 증가하는 경향을 보였는데, 이는 실험을 반복함에 따라 과실오차가 줄어들어 정확도가 높아졌음을 의미한다. 하지만 모든 측정값들이 이론값보다 작게 나타났는데, 이는 계통오차가 발생했기 때문으로 판단된다. 계통오차의 원인으로는 온도 변화, 모세관 현상, 이론값과 실험 환경의 차이 등을 고려할 수 있다.
비록 실험값과 이론값 간 차이가 있었지만, 대부분의 측정값들이 신...
