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[물리학과] 뉴턴의 운동법칙 평가B괜찮아요

1. 실험 목적일정한 힘을 받는 물체의 운동을 관찰함으로써 가속도의 개념을 이해하고 실험적으로 뉴톤의 제2법칙을 유도한다.2. 실험과정① Air track을 그림1.1과 같이 설치한다. 이 때 track면의 수평에 주의한다.② 활차(glider)의 유효길이를 측정하여 표 1.1에 L의 값에 기록한다.③ 활차(glider)에 고리(Hook)를 연결하고 무게 균형을 위하여 반대편에 같은 무게의 piece를 연결한다.④ 10 또는 20g의 추를 이용하여 활차(glider)에 50 내지 60g의 질량을 활차가 균형을 이루도록 대칭적으로 놓는다. 더해진 추들과 함께 활차의 총질량을 표1.1에 기록한다.⑤ 약 5 내지 10g의 추를 추걸이(hanger)에 놓는다. 이 때의 질량(추걸이+추)을 ma로 기록한다.⑥ Photogate Timer를 GATE mode에 놓는다.⑦ Track의 한쪽 끝 근처에 활차의 출발점 X0를 선택하고 항상 같은 위치에서 출발하도록 연필로 표시해 둔다.⑧ RESET 단추를 누른다.⑨ X0점에서 활차를 천천히 놓는다. t1은 첫 번째 photogate를 통과하는데 걸리는 시간, t2는 두 번째 photogate를 통과하는데 걸리는 시간으로 표시한다. 이 측정을 4번 반복하여 평균값을 표2.1의 t1, t2에 기록한다.⑩ photogate timer를 PULSE mode로 놓는다.⑪ RESET 단추를 누른다⑫ X0점 위치에서 활차를 다시 출발시킨다. 두 photogate 사이를 지나는 시간 t3를 기록한다.⑬ ma를 변화하기 위하여 활차로부터 추걸이로 질량을 옮긴다.(총질량 m+ma는 일정) m과 ma를 기록하고⑤에서 ⑪단계를 반복한다. ma의 질량을 4번 변화시켜 실험을 행한다.⑭ 이제 앞에서 실험한 ma 의 값을 일정하게 두고 활차에 추를 더하거나 제거하므로 m의 질량을 변화시킨다. ⑤에서 ⑪단계를 반복한다. m의 값을 4번 변화시킨다.3. 데이터와 계산① 활차가 각각의 photogate를 지나는 속도인 v1과 v2를 결정하는데 glider의 길이와 평균 시간을 이용한다.② 두 photogate 사이를 지나는 활차의 평균가속도를 결정하는데 a = (v2 -v1)/t3를 사용한다.③ 추의 무게에 의하여 활차에 가해진 힘 Fa를 결정하라.Fa = mag : g=9.8m/s2=980cm/s24. 결과① 힘(Fa)과 평균가속도(a)의 그래프를 그린다.(첨부1)② 활차의 무게(m)와 평균가속도(a)의 그래프를 작도한다.(첨부2)③ 그래프를 주의하여 관찰한다. 직선인가? 힘과 질량 그리고 평균가속도 사이의 관계를 결정하는데 graph를 이용할 수 있는가?거의 직선에 가깝다. 따라서 첨부1, 첨부 2 그래프를 이용하여 힘과 질량 그리고 평균가속도사이의 관계를 그래프를 이용하여 결정할 수 있다.④ 결과를 논의하라. 이 실험에서 두 photogate 사이의 평균가속도를 측정하였다. 이번 결과를 순간 가속도에 적용시킬 수 있는가? 설명하라 이번 실험결과를 순간가속도에 적용하 려면 어떻게 하면 좋은가?속도의 함수를 f(x)라 한다면 순간가속도를 구하는 공식은lim from { Delta t rarrow 0 } { { f(x+ Delta t)-f(x) } over { Delta t } }이므로 여기서 t는 우리가 실험한t_{ 3 }와 같다.t_{ 3 }를 거의 0에 가깝게 실험을 하면 그때 순간가속도를 구할 수 있다. 또한 우리가 실험한 결과로 순간가속도를 적용하려면 위의 데이터를 이용하여 속도의 함수를 구한 후 위의 공식에 대입하면 구할 수 있다.⑤ 실험으로 측정한 가속도와 이론적으로 계산된 가속도(마찰력 무시)와 비교하고 차이가있다면 원인을 설명하시요추의 무게에 의하여 활차에 가해진 힘은 마찰력에 의해 작아질 것이다. 그러나 마찰력을 무시했기 때문에 이론값이 더 크게 나온다. F=ma에서 m은 일정하고 F가 커지면 a도 커지고 F가 작아지면 a도 작아질 것이다. 그리고 결론에서 말하겠지만 측정된 가속도 또한 정확한 값이라고 볼 수 없다.5.결론① 에너지 보존법칙에서 추의 위치에너지는 활차의 운동에너지로 다 전환되는대 추의 위치를 모든 실험에서 동일한 위치로 측정하였다고 볼 수 없다(오차, 마찰력 무시){mgh}_{a}+ { 1} over {2 }{ mv}`_{a } ^{2 } = { mgh}_{활 }+{ 1} over {2 }{ mv}`_{활 } ^{2 } (where { v}_{a }=0, {h}_{활}=0)②t_{ 1 } ,t_{ 2 } ,t_{ 3 }를 같이 측정하여야 하나 측정기기의 특성상t_{ 1 } ,t_{ 2 }측정 후t_{ 3 }를 측정하였기에t_{ 1 } ,t_{ 2 }에 대한t_{ 3 }라고 정확히 말하여 질 수 없다. 따라서 우리가 구한 가속도는 정확한 값이라고 볼 수 없다.③ 추에 매달은 질량 변화로 실험장치의 문제로 실로 매달아서 질량변화를 시켰기 때문에 온전한 추의 무게가 활차에 힘이 가해졌다고 볼 수 없다.④ glider length도 정확히 10㎝가 아니었다.⑤ 4,5번째와 6,7번째 실험에서 보듯이 마찰력이 일정하다고 가정하면 추의 무게가 일정하고 활차의 무게를 변화시키면 활차의 무게가 무거울수록 속도는 감소한다는 것을 알 수 있다. 즉 에너지 보존법칙이 성립하는 것을 증명하였다.⑥ 2,6,7,8번째 실험에서 보면 추의 무게는 일정하고 활차의 무게를 변화시켰는데 활차의 무게가 무거울수록 가속도가 작아졌다. 즉 F=ma에서 F는 일정하고 따라서 m이 커질수록 a가 작아졌다는 것을 보아 F=ma임을 증명하였다.(마찰력 무시)표 1.1 데이터와 계산Glider Length L = 10 ㎝m(g)ma(g)t1(s)t2(s)t3(s)v1(㎧)v2(㎧)a(㎨)

자연과학| 2002.05.26| 4페이지| 1,000원| 조회(1,151)

뉴턴, 물리, 실험

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