[물리학실험] 기초역학실험

목차

1. 실험제목
2. 실험일시
3. 실험목적
4. 실험내용
<1> 용수철 상수 측정
<2> 힘의 합성
<3> 힘의 분해
<4> 마찰력의 성질
<5> 경사면 위의 물체
<6> 도르래
5. 느낀 점

본문내용

때 변형길이 =
추를 달아 힘을 가했을 때 변형길이 =
Angle
(mm)
(mm)
d (mm)
(mm)
15°
8
19
11
2.85
30°
16
36
20
10.0
45°
26
53
27
19.10
60°
30
69
39
33.78
75°
38
83
45
43.47
Angle
(N)
계산값 (N)
15°
0.31
0.38
30°
0.62
0.74
45°
1.00
1.05
60°
1.15
1.29
75°
1.46
1.44
Angle
가한 힘 F
(N)
이동거리 d
(mm)
해준 일 W
(J)
rolling mass의
PE 감소량 (J)
용수철 저울의 potential energy 증가랑(J)
15°
1.048
11
0.011
0.003
0.006
30°
1.048
20
0.022
0.016
0.007
45°
1.048
27
0.029
0.020
0.007
60°
1.048
39
0.040
0.030
0.008
75°
1.048
45
0.046
0.040
0.008
실험 결과, 용수철 저울에 나타난 rolling mass가 경사면과 평행한 방향으로 받는 힘의 크기와 계산값은 크게 차이가 없었으나 가한 힘이 해준 일과 rolling mass의 PE 감소량은 차이가 있었다. 이것은 rolling mass의 PE의 변화와 용수철의 PE의 변화의 합이 rolling mass에 해준 일이기 때문이다. 이 관계는 어느 정도 성립하는 것으로 보였다. 오차 보정에서 좀 더 논하도록 하겠다.
4) 오차보정
이론적으로는, 가해준 힘과 용수철 저울이 평형을 이루어 가해준 일과 rolling mass의 PE 변화량, 용수철의 PE 변화향의 합이 같아야 하지만 실험 결과 어느 정도 차이를 보였다. 이는 우리가 실험기구를 설치할 때, 용수철 저울이 제대로 평형을 이루도록 하지 못했기 때문으로 여겨진다.
<6> 도르래
3. 힘의 분해
1) 실험 원리
고정 도르래는 힘의 방향은 바꿔주지만, 크기는 바꿔주지 못한다. 반대로, 움직 도르래는 힘의 방향은 바꾸지 않지만, 힘의 크기를 반으로 줄여줄 수 있다. 그러나 총 해준 일은 같게 된다.
이번 실험에서는 이 두 종류의 도르래를 사용하여 두 종류의 도르래를 사용하여 물체를 효율적으로 들어올리는 시스템을 구성해본다.
2) 실험 방법
① 아래 그림과 같이 용수철 저울과 도르래를 설치한다. 우리는 움직도르래 1개, 2개 씩을 사용하여 이론적으로 힘이 F/2, F/4, F/4가 되도록 설치하였다.
② 다음과 같은 사항들을 측정한다.
W 도르래 없이 용수철저울에 추를 바로 달았을 때의 중량.
F 도르래를 거친 후에 용수철저울에 전달되는 추의 중량.
W/F the amplification of the force by the pulley system.
d1 용수철저울을 살며시 들어 올렸을 때 저울의 이동거리.
d2 추의 질량을 증가시켰을 때의 이동거리
Work 용수철저울을 들어 올렸을 때 행해진 일(F*d1)
U 추의 potential energy의 증가(W*d2)
교재에는 200g짜리 추를 달라고 되어있었으나 200g 추가 무거워 실험에 약간의 어려움이 발생하여 각각의 시스템 모두 다르게 분석하였다.
3) 실험 결과 및 분석
실험 1
실험 2
실험 3
추의 무게(N)
1.05
0.55
0.65
용수철의 변위(mm)
15.0
4.0
5.0
용수철 저울에 전달되는
추의 중량(N)
0.58
0.15
0.17
도르래에 의해 증폭된
힘의 비
1.81
3.67
3.82
저울 이동거리(cm)
10.0
10.0
10.0
추 이동거리(cm)
4.5
2.1
2.2
용수철 저울에 행해진 일(J)
0.058
0.015
0.017
추의 위치 에너지 증가(J)
0.047
0.012
0.014
용수철 저울에 행해진 일과 추의 위치 에너지 증가량은 거의 같다. 따라서 이론적으로는 실험 1에선 힘에서 2배의 이득을 보고, 이동거리에선 1/2의 손해를, 2와 3에선 힘에서 4배의 이득을 보고, 이동거리에선 1/4의 손해를 보아야 했으나 실험값은 그보다 작음을 볼 수 있었다.
실험 1에서 용수철 저울에 전달되는 추의 중량은 실제 추의 무게의 약 1/2이었다. 또한 용수철 저울이 10cm 이동했을 때 추는 이의 약 1/2 만큼 움직였음을 볼 수 있었다. W=Fxd 이므로 결국 용수철 저울에 행해진 일의 양과 추의 위치 에너지 증가량은 거의 같았다.
실험 2와 3에서도 마찬가지로, 움직 도르래가 두 개 사용되었을 때, 최종적으로 용수철 저울에 전달되는 추의 중량은 약 1/4이 되었다. 실험 3에서는 실험 1과 실험 2에서 나타난 결과들을 복합적으로 관찰할 수 있었는데, m1과 가까운 첫 움직도르래에 같이 걸린 m2는 m1의 약 1/2 무게였으며 두 번째 움직도르래에 걸린 m3는 m1의 약 1/4 무게였다. 그러나 힘에서 이득을 보아도 용수철 저울이 10cm 움직였을 때 m1이 약 1/4인 2.2cm를 움직여 총 일의 양은 결국 같았다.
4) 오차보정
이는 우리가 도르래들의 질량과 도르래와 실 사이의 마찰을 무시함으로써 나온 결과라고 생각된다. 또한 힘이 분산되지 않게 하려면 실들을 모두 평행하게 해주어야 하지만, 실제 실험에서 힘의 분산이 없는 이상적인 system을 구현하기에는 무리가 있었다.
5. 느낀 점
저번 시간에 했던 자이로스코프나 2차원 실험과는 달리, 역학에서 가장 기초적으로 배웠던 이론들을 실험적으로 확인해보는 것이었다. 실험을 시작하기 전에는, 이론적으로 우리가 이해를 하고 있는 것들이기에 실험이 매우 쉬울 것이라 생각했지만 막상 실험을 시작하니 이론과 같이 이상적인 결과를 얻기는 어려웠다. 특히 용수철을 이용한 실험들의 결과가 생각만큼 잘 나오지 않아 조금 속상하기도 했다. 좀 더 정확한 실험 결과를 얻을 수 있었다면 하는 아쉬움이 든다.
용수철 저울을 사용할때마다 영점 조절을 하지 못한 것이나, 정확한 각도의 조절 등을 하지 못해 오차가 발생한 것으로 생각된다. 우리가 생각지 못한 부분에서의 마찰 등도 오차의 한 원인이 되었을 것이다.
다음 실험부터는 정확한 실험값을 얻어낼 수 있도록 노력하겠고, 데이터 정리시에도 유효숫자 부분까지 신경을 쓰고 싶다.

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