[한양대 에리카 A+]일반물리학실험1 자이로스코프 및 세차운동

소개글

[한양대 에리카 A+]일반물리학실험1 자이로스코프 및 세차운동에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론
2.1 회전 변수
2.2 관성 모멘트

3. 실험 방법
3.1 실험 장치
3.2 실험 방법

4. 분석 및 토의

5. 실험 결과

6. 과제용 질문 해결
6.1 관성 모멘트를 측정하는 데 각가속도를 측정하는 이유
6.2 추가 추 부착 전에 자이로스코프의 균형을 맞추는 이유
6.3 세차운동 각속도를 구하는 데 회전판의 각속도를 측정하는 이유

7. 참고 문헌

본문내용

정값은 이다.
측정값과 이론값에서의 오차는 20%이다. 이러한 오차가 발생한 이유는 실을 홈에 끼워 감을 때에 실이 팽팽하게 잘 감기지 않았고 실험실 내에 바람이 불었기 때문이다. 또한 실과 회전 디스크 사이에 마찰과 추가 내려갈 때에 발생한 공기저항도 오차원인이 될 수 있다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 실을 팽팽하게 감을 수 있도록 노력하고 바람에 의한 오차가 발생하지 않도록 밀폐된 공간에서 실험을 진행하는 것이 좋다.
세차 운동 실험에서는 평형을 잡는 것이 중요하다. 평형을 맞추기 위해서 평형 추의 위치를 조절한다. 이후에 추가 추를 앞에 달아 세차운동 실험을 진행한다. 앞의 실험에서와 마찬가지고 실을 감아 회전 디스크를 회전시킨 뒤 속도를 측정한 후 잡고 있던 자이로스코프를 놓아 세차운동을 시킨다. 세차운동 전의 속도가 26.146rad/s이다. 세차 운동 1회전을 한 후에 자이로스코프를 잡아 세차운동을 하지 못하게 한 후 다시 속도를 측정한다. 세차 운동 후의 속도는 21.591rad/s이다. 회전 운동을 하지 않으면 토크가 발생하지 않기 때문에 운동을 하지 않는다. 자이로스코프가 회전운동을 하면 토크가 생겨 중심축을 움직이지 않지만 자이로스코프를 놓으면 추가 추로 인해 평형이 무너진다. 이로 인해 토크의 방향이 바뀌면서 중심축이 힘을 받는 방향이 바뀐다. 이를 통해 장동운동을 하게 된다. 다만 실험을 진행하면서 세차 운동이 1회전을 하기 전에 자이로스코프가 회전을 멈추는 경우가 발생하였다. 실에 달은 추의 무게를 증가시켜 회전판의 속도를 증가시키면 세차운동이 멈추지 않고 1회전을 할 것이라고 생각해 실험을 진행했으나 전과 같이 1회전을 하지 못하였다. 무게 추의 무게를 증가시키면 회전 디스크의 관성 모멘트가 증가하게 된다. 각속도를 구할 때에 분모에 들어가는 관성 모멘트가 증가하기 때문에 각속도가 줄어들어 회전 디스크가 1회전을 하지 못하였다. 따라서 무게를 450g으로 하고 실험을 진행하였다. 측정한 각속도는 0.3431rad/s이고 이론적인 계산 값은 0.25rad/s이다.
오차는 37.2%이다. 오차가 발생한 이유는 관성 모멘트를 측정할 때는 추의 무게를 500g으로 하였고 세차운동을 할 때에는 추의 무게를 450g으로 하여 속도에 영향을 주었기 때문이다. 또한 실험실 내에 바람이 많이 불었고 세차 운동 후 자이로스코프를 잡을 때 자이로스코프가 흔들리면서 속도에 영향을 주었다. 추가 바닥에 닿으면서 충격으로 인해 자이로스코프의 속도에 영향을 주었다. 추가 내려가면서 공기저항이 발생하였기 때문에 이러한 이유들로 오차가 발생하였다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 손 떨림을 줄이기 위해 노력하고 바람에 의한 오차가 발생하지 않고 밀폐된 공간에서 실험을 진행하고 마찰으로 인해 오차가 발생하지 않도록 윤활유를 바른다.
6. 실험 결과
걸어준 토크와 측정한 각가속도로 회전판의 관성 모멘트를 구하고 회전체에 외력을 가해줌으로써 세차운동의 발생을 확인하고 세차 운동을 각속도를 측정하였다.
7. 과제용 질문 해결
7.1 관성 모멘트를 측정하는 데 각가속도를 측정하는 이유
실험을 진행할 때에 자이로스코프에 작용하는 외력은 중력과 법선 방향의 힘이다. 이 것을 통해 수식 10이 유도되었다. 수식 10을 통해 관성 모멘트의 측정값을 구할 때에 각가속도가 활용되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 관성모멘트의 측정값을 구할 때에 각가속도가 필요하기 때문에 각가속도를 측정한다.
7.2 추가 추 부착 전에 자이로스코프의 균형을 맞추는 이유
추가 추 부착 전 평형 추를 이동시켜 균형을 맞춘 후 균형을 무너뜨리기 위해 추가 추를 부착한다. 이렇게 하는 이유는 자이로스코프를 놓았을 때 균형이 무너져 세차 운동이 진행될 수 있게 하기 위함이다. 만일 자이로스코프를 놓았을 때에도 균형이 맞으면 토크의 방향에 변화가 일어나지 않기 때문에 세차 운동이 진행될 수 없다.
7.3 세차운동 각속도를 구하는 데 회전판의 각속도를 측정하는 이유
수식 12를 통해 세차 운동의 각속도를 구할 때 회전판의 각운동량이 필요하다는 것을 알 수 있다. 각운동량은 로 나타낸다. 이때 은 관성모멘트로 나타낼 수 있다. 따라서 세차 운동의 각속도를 구할 때는 회전판의 각속도가 필요하다는 것을 확인할 수 있다.
8. 참고 문헌
-일반물리학실험/ 한양대학교 물리교재연구실 편/4판/93~100pages/자이로스코프
-일반물리학/개정 10판/ JEARL WALKER 외 2명/294~296pages/회전변수

키워드

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