[물리실험] 원운동과 구심력 측정 실험 (예비+결과레포트)

소개글

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목차

1. 실험목적

2. 이론

3. 실험기구 및 장치

4. 실험방법

5. 실험결과

6. 결과분석

7. 토의 및 건의사항

8. 참고문헌

본문내용

3~4초 간격으로 전원을 3,4,5...10V 로 변화시켜가며 그래프를 관찰한다.
(2) 스마트커서로 구심력, 회전속도의 값을 5개이상 읽어서 데이타를 적어보고 f:v2 의 그래프를 그려보자. f, v는 어떤 관계인가?
[실험2] 구심력 대 질량 - 물체의 질량을 변화시킬때 구심력의 변화를 측정 (반지름과 속도는 고정)
(1) 회전반경 r=10cm, 신호발생기의 전압은 DC 10V 로 고정하고 질량을 10g, 20g, 30g, 40g, 50g 으로 변화시켜가며 구심력을 측정해보자. 키보드샘플링에의해 데이터를 얻는다.
(2) 실험이 끝나면 구심력 대 질량의 변화 그래프를 그린다. f:m 의 그래프는 어떠한가?
[실험3] 구심력 대 반지름 - 회전 반지름을 변화시킬때 구심력의 변화를 측정 (속도와 질량은 일정)
(1) 질량은 50g, 신호발생기의 전압은 DC 10V 로 고정하고 회전 반지름을 5cm, 6cm, 7cm, 8cm, 9cm, 10cm 로 변화시켜가며 구심력을 측정하고 데이터를 기록한다.
(2) 회전하는 질량의 속도를 실시간으로 관찰하기 위해 데이타스튜디오에서 그래프를 표시하면 유용할 것이다.
5. 실험결과
총 3가지 종류의 실험을 시행하였으며 각각 3개의 데이터를 뽑아냈다.
실험1. 힘과 속도의제곱 간의 관계
1회 데이터
1회 그래프
2회 데이터
2회 그래프
3회 데이터
3회 그래프
실험2. 힘과 질량간의 관계
데이터
그래프
실험3. 힘과 반지름간의 관계
데이터
그래프
6. 결과분석
이번 실험은 속도, 질량, 반지름 등과 구심력간의 비례 관계를 알아보기 위한 실험이었다. 첫 번째 실험은 속도의 제곱과의 관계인데, 3번의 실험에서 모두 속도의 제곱과 구심력이 정비례하는 것을 볼 수 있다. 이론대로라면 완벽한 직선이어야 하지만 실험에서는 0~20%정도의 오차가 발생하여 직선에서 약간 벗어났다. 두 번째 실험은 질량과의 관계이다. 10g, 30g, 50g 으로 각각 실험을 시행했으며 질량이 커질수록 오차가 작아지는 경향을 보였다. 마찬가지로 질량도 구심력에 정비례했다. 세 번째 실험은 반지름의 크기와 구심력간의 관계로, mv2/r 을 생각하면 반비례할 것으로 예상할 수 있지만 여기서 일정한 속도는 각속도를 의미하므로 mrw2 으로 생각해야 한다. 실제로 실험에서도 힘과 반지름이 비례하는 것으로 나왔으며 반지름의 크기가 커질수록 선속도 역시 증가하였다.(주기는 일정)
그리고 실험 데이터를 엑셀로 옮기는 과정에서 초기값이 매우 높게 설정되어 오차를 계산하기 힘들 정도로 이론적인 계산값과 차이가 많이 났는데 1) 팽팽하게 만들어준 철사가 가진 tension이 영향을 미쳤거나, 2) 단순히 초기값이 잘못되었을 가능성을 생각해 볼 수 있다. 어쨌거나 위 데이터는 모두 첫 데이터의 이론적인 계산값으로 초기값을 보정하였다.
속도2
질량
반지름
비례
비례
비례
전체적인 실험 결과
대략적인 식을 구해보면 구심력 F = Cmv2(반지름 일정) 또는 F = Lr2(질량과 각속도 일정) 이라는 식이 유도가 된다.(C와 L은 비례 상수)
7. 토의 및 건의사항
원운동에서 반지름은 커질수록 구심력이 커질수도 있고 작아질 수도 있다. 이번 실험에서는 선속도의 제곱과 힘의 비례관계를 실험해본 다음 반지름의 크기와의 비례관계를 살펴봤는데 반지름의 크기와의 비례관계 실험 시 각속도가 일정한 조건이 주어져 결과적으로 예상했던 것과 다른 식이 나와서 순간 당황했다. 그런데 나중에 실험조건에서 주어진 일정한 속도가 각속도였다는 것을 알고 나서야 올바른 실험결과를 얻었다는 것을 알 수 있었다. 만약 실험 조건을 1, 2, 3번이 모두 통일되었다면 이렇게 혼동할 이유도 없고 마지막에 비례를 이용한 수식도 깔끔하게 세워졌을 것 같다.
이번 실험은 이전의 실험에 비해 오차들이 매우 컸는데 1) 추가 회전할 때 지지대가 흔들렸고, 2) 힘 센서와 추를 연결하는 철사가 정확한 수직이 아니었고, 3) 모터에 공급되는 전압이 일정하지 않았거나 모터의 일률이 일정하지 않았기 때문이었던 것 같다. 이런 복합적인 원인들로 인해 꽤 큰 오차가 발생했지만 전체적인 실험 결과는 만족할 만한 수준이었다.
8. 참고문헌
http://phya.yonsei.ac.kr/~phylab/
연세대학교 일반물리학 실험실 : http://phya.yonsei.ac.kr/~phylab/
네이버 지식인 : http://kin.naver.com/browse/db_detail.php?d1id=11
&dir_id=1102&docid=1300322

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원운동,   구심력,   신호발생기,   구심가속도,   원심력,   원,   물리실험,   반경