Air Track 결과 보고서

소개글

Air Track 결과 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

󰊱 Average versus instantaneous velocity
1. 실험목적
2. 실험원리
3. 실험방법
4. 실험결과
5. 고찰
6. 결론

󰊲 Acceleration and Newton\`s second law
1. 실험목적
2. 실험원리
3. 실험방법
4. 실험결과
5. 고찰
6. 결론

󰊳 Momentum and Collisions
1. 실험목적
2. 실험원리
3. 실험방법
4. 실험결과
5. 고찰
6. 결론

본문내용

상 초기의 운동에너지가 나중의 운동에너지보다 큼을 알 수 있다. 이것은 초기의 수레 A가 가지고 있던 운동 에너지가 충돌 시 손실되어 운동에너지가 보존되지 않았음을 알 수 있다. 충돌에 의한 에너지 손실이 없다면 처음 운동 에너지와 나중 운동 에너지가 같을 것이다.
(3) 오차의 원인 분석 및 오차를 줄이기 위한 방안들
질량이 같고 완전탄성충돌을 할 경우, 이론상으로는 속도교환이 일어나야만 한다. 즉, 충돌 후 B는 vA로 운동하고 A는 vB로 운동해야 하지만, 실험 결과를 보면 알 수 있듯이 완전한 속도교환은 일어나지 않았다. 또한 완전탄성충돌일 경우 운동량과 운동에너지가 둘 다 보존되어야 하지만, 실제로는 완전탄성충돌이 아니었고 Air Track 자체의 문제점으로 인해 운동량과 운동에너지가 완벽하게 보존되지 않았다.
지금까지 해왔던 다른 실험들의 오차가 작았던 것과는 달리 이번 실험은 전체적으로 오차가 컸다. 그 원인을 생각해보면 다음과 같다.
일단 Air Track의 문제점을 들 수 있다. Air Track의 수평을 맞추는 것이 어려웠고 그로 인해 약간의 경사가 생겼을 것이다. 그러한 경사로 인해 충돌 후에 운동에너지가 보존되지 않았을 것이다.
다른 원인으로는 공기와의 마찰, 고무줄 간의 마찰, Air Track과의 마찰 등을 들 수 있다. 충돌 전의 운동에너지 가운데 일부가 이러한 마찰에너지와 고무줄의 단진동으로 인한 에너지로 변환되었기 때문에 다섯 번의 실험에서 모두 충돌 후의 운동에너지가 충돌 전의 운동에너지보다 작아진 것이다.
그리고 가장 중요한 원인은 고무줄이 완벽한 완전탄성충돌을 만들어내지 못한다는 것이다. 그러다보니 운동에너지의 보존에는 무리가 따를 수밖에 없다.
또한, 초기 운동량이나 운동에너지가 클수록 오차가 큰 이유도 마찰이나 열로 인한 에너지 손실이 더 크기 때문일 것이다. 그러므로 오차를 줄이기 위해서는 속도를 작게 해서 실험을 해야 할 것이다.
오차를 줄이기 위해서는 고무줄보다 더 탄성이 좋은 재료를 사용하여 최대한 완전탄성충돌에 가깝게 만들어준다거나, Air Track보다 정밀한 기구를 사용하여 마찰을 최대한 줄여주는 등의 방법이 있다.
B. Inelastic collision
(1) 처음 운동량과 나중 운동량의 비교
이 실험은 원래 완전 비탄성 충돌 시, 운동량 보존의 법칙을 알아보기 위해서 행해진 실험이다. 이 실험 역시 실험와 비슷하게, 처음의 운동량이 나중의 운동량과 비슷하다는 사실을 알 수 있다. 즉, 이 실험에서도 운동량이 완벽하지는 않지만 보존된다는 사실을 확인할 수 있다.
(2) 처음 운동에너지와 나중 운동에너지의 비교
실험 원리에서 살펴봤듯이, 완전 비탄성 충돌 시에는 원래 운동에너지의 합이 보존되지 않는다. 물체가 하나로 합쳐지면서 원래의 운동에너지가 소리에너지나 파동에너지, 마찰에너지 등으로 손실된다. 따라서 완전 비탄성 충돌 시에는 운동에너지가 보존되지 않는다.
이 실험에서도 역시 처음 운동에너지와 나중 운동에너지의 합은 일치하지 않았다. 즉, 운동에너지가 보존되지 않고, 처음 운동에너지가 나중 운동에너지보다 항상 컸다.
(3) 질량을 달리하였을 때, 처음 운동량과 나중 운동량의 비교
이 실험은 수레B의 질량을 달리해서 완전 비탄성 충돌 시켰을 때, 운동량이 보존 되는가를 알아보는 실험이다. 여기서는 실험(1)과 달리 많은 오차가 발생하여 운동량이 보존되지 않았다. 항상 처음 운동량의 나중 운동량보다 크다.
(4) 질량을 달리하였을 때, 처음 운동에너지와 나중 운동에너지의 비교
역시 이는 질량을 달리 한다고 해도 완전 비탄성 충돌이기 때문에 운동에너지는 보존되지 않는다. 실험결과를 살펴봐도 항상 처음 에너지가 나중에너지보다 크다. 이 실험에서도 실험(2)와 같이, 아무리 질량을 달리 한다 하더라도 운동에너지는 보존되지 않는다.
(5) 오차의 원인 분석 및 오차를 줄이기 위한 방안들
고무줄에 관련된 것을 제외하고는 기본적인 오차원인과 오차를 줄이는 방법은 <실험 A>에서 언급한 것과 같다. 이 실험에서는 고무줄 대신에 충돌 후 두 물체가 한 덩어리가 되어 움직이게 하기 위해서 바늘과 바늘이 꽂히게 될 찰흙을 사용하였다. 여기서 바늘이 찰흙에 파고들 때 소모되는 에너지가 상당히 크므로 그로인해 실험의 오차가 크게 나온 것 같다. 여기서 오차를 좀 더 줄이기 위해서는 강력접착제를 바르는 방법 등이 있다.
그리고 전체적으로 운동량이 충돌 후보다 충돌 전에 커진 이유는 Air Track의 평형이 맞지 않아 경사로 인해 가속도가 붙어서 그런 것 같다. 또한 다른 실험들에 비해 이번 실험에서는 물체의 속도가 컸기 때문에 전체적으로 오차가 크게 나왔다.
6. 결 론
A. Equal Masses, both gliders moving
이 실험은 질량이 같은 두 물체가 탄성 충돌 할 때 운동량과 운동에너지가 보존됨을 확인하는 실험이다. 이론적으로는 운동량이 보존되어야 하며, 질량이 같은 두 물체의 속도가 완전히 교환되어 운동에너지도 보존되어야 한다. 그러나 실험에서 많은 오차가 발생하여 운동량은 보존되는 듯 보였으나, 운동에너지는 충돌 전후에 많은 차이가 있음을 알 수 있었다.
따라서 전혀 마찰과 충돌에 의한 에너지 손실이 없는 조건에서만 두 물체의 속도가 완전히 교환되고 또 운동에너지 역시 보존될 것이다.
B. Inelastic collision
이 실험은 완전 비탄성 충돌 시 운동량이 보존되고 운동에너지가 보존되지 않음을 확인하는 실험이다. (1) 실험에서는 운동량이 보존되는 듯 보였으나, (3)번 실험에서 운동량이 또 보존되지 않는 경향을 보였다. 그리고 운동에너지는 (2),(4) 실험에서 모두 충돌 후 감소함을 알 수 있었다.
즉, 완전 비탄성 충돌도 운동량이 완전히 보존되기 위해서는 마찰 등이 완전히 없는 조건에서 실험해야한다.
※ 참고 문헌 및 참고 사이트
⑴ Halliday / Resnick / Walker Fundamentals of Physics 7th edition
⑵ 하이탑 물리 Ⅱ, 김종권, 이강석
⑶ 물리학과 교육 실험실 : http://www-ph.postech.ac.kr/Edulab/

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