일반물리학실험 - 힘과 물체의 평형(예비, 결과)

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본문내용

10
0.001501 cw
0.000187
※ (-)는 왼쪽방향, 지구 중심방향 또는 반시계방향
상대오차 : 1.44(%)
4. 시계 방향과 반시계 방향의 회전력이 균형을 이루는가?
가 되어, 즉 가 되어 상대오차 1.44(%) 범위 내에서 시계방향과 반시계 방향의 회전력이 평형을 이룬다.
5. 의 추를 제거 했을 때,
0
0
0.0000
0
0.0041
0.1054
-1.0329
-0.004235 ccw
-0.0129
0.0348
-0.3410
0.004399 cw
0.000164
※ (-)는 왼쪽방향, 지구 중심방향 또는 반시계방향
상대오차 : 3.80(%)
실험 7. 물체의 평형 (Equilibrium of Physical Bodies)
1. 가 회전 중심일때,
0.0553
0.1055
0.0348
0.0553
-0.5419
-1.0339
-0.3410
1.9612
-0.214
0.126
-0.044
0.000
0.116
-0.130
0.015
0.000
상대오차
(%)
상대오차
(%)
0.1310
-0.1300
0.0010
0.7663
1.9612
-1.9168
0.0444
2.2898
※(-)는 지구 중심방향, 왼쪽방향, 반시계방향
병진력 : , 상대오차 2.29(%) 범위 내에서 병진력은 평형을 이룬다.
회전력 : , 상대오차 0.77(%) 범위 내에서 회전력은 평형을 이룬다.
따라서 물체가 평형상태에 있기 위해서는 , 를 둘다 만족해야 함을 알 수 있다.
2. 이 회전의 중심 일때,
0.0553
0.1055
0.0348
0.0553
-0.5419
-1.0339
-0.3410
1.9612
0.000
0.341
0.168
0.214
0.000
-0.353
-0.057
0.420
상대오차
(%)
상대오차
(%)
0.4200
-0.4100
0.0100
2.4096
1.9612
-1.9168
0.0444
2.2898
※(-)는 지구 중심방향, 왼쪽방향, 반시계방향
병진력 : , 상대오차 2.29(%) 범위 내에서 병진력은 평형을 이룬다.
회전력 : , 상대오차 2.41(%) 범위 내에서 회전력은 평형을 이룬다.
따라서 물체가 평형상태에 있기 위해서는 , 를 둘다 만족해야 함을 알 수 있다.
3. 의 왼쪽, 막대끝이 회전 중심일때,
0.0553
0.1055
0.0348
0.0553
-0.5419
-1.0339
-0.3410
1.9612
0.055
0.348
0.175
0.236
-0.030
-0.360
-0.060
0.463
상대오차
(%)
상대오차
(%)
0.4630
-0.4500
0.0130
2.8478
1.9612
-1.9168
0.0444
2.2898
※(-)는 지구 중심방향, 왼쪽방향, 반시계방향
병진력 : , 상대오차 2.29(%) 범위 내에서 병진력은 평형을 이룬다.
회전력 : , 상대오차 2.85(%) 범위 내에서 회전력은 평형을 이룬다.
따라서 물체가 평형상태에 있기 위해서는 , 를 둘다 만족해야 함을 알 수 있다.
6. 결론 및 검토
이번 실험은 힘을 받는 물체가 평형상태에 있기 위한 조건을 알아보고, 힘의 분해와 합성 및 회전력의 개념을 이해하기 위한 실험이다.
실험1은 후속 실험들의 측정을 위하여, 용수철 상수를 구하는 실험이고, 이것 역시 힘의 평형조건()을 이용한다. 측정 결과 용수철 저울의 용수철 상수는 다음과 같다.
실험2는 힘의 합력과 평형력에 관한 측정으로 특히, 힘을 합력을 구하는 방법 중에서 평행사변형 법을 확인하는 실험이다. 과 의 합력을 평행사변형법을 이용하여 구하고, 두 힘의 합력 와 비교한 결과 상대오차 5%범위 이내에서 힘의 크기와 방향이 일치하였다. 이번 실험에서 오차를 줄이기 위해서는 고리와 실의 연결과정에서 실과 고리사이에 여유 공간을 두어, 고리의 접선과 실이 수직으로 만나도록 조절 해주어야 할 것이다.
실험3은 힘의 분해를 확인하기 위한 실험이고, 특히, 힘을 수직성분과 수평 성분으로 분해하였다. 측정에의한 값과 계산에 의한 결과 사이에는 상대오차 5% 범위내에서 일치함을 확인하였다. 여기서 임을 알고 실험을 시작함으로써 적당한 추를 선택하는 것이 중요하다.
실험4에서는 회전력에 의한 평형을 확인하는 실험이고, 그 중에서 회전 중심으로부터 작용하는 힘까지 거리 와 힘이 작용하는 방향이 수직일 경우에 대한 것이다. 거리와 작용하는 힘의 크기를 변화시키면서 회전력 를 측정한 결과 상대오차 10% 범위 내에서 두 개의 회전력은 크기가 같고 방향이 반대가 되어 가 (zero)이고, 물체의 평형조건중 를 만족하였다.
실험5는 거리와 작용하는 힘 가 수직이 아닐 때 회전력을 측정하는 실험이다. 이것은 실험4보다 조금 더 일반적인 경우로 를 적용할 수 있다. 상대오차 10% 범위내에서 위 식을 확인 할 수 있었고, 실험과정상 각도 를 큰각 ()부터 셋팅 후 각도를 작게 만드는 것이 수월하였다.
실험6은 실험4와 달리 막대를 강체로 생각하고, 막대의 질량 중심까지 고려하여, 회전력을 측정하는 실험이다. 실험 4에서와 거의 같은 결과를 얻었지만, 특히 주의 할 것은 상대오차가 3% 범위내에서 만족했다는 것이 중요하다.
실험7은 위의 실험들을 모두 종합한 것으로 물체의 평형조건을 알아보고, 특히, 물체가 가속되지 않고 정지 상태에 있을 때는 회전 중심이 어디에 있어도 물체의 평형을 만족함을 보여주는 실험이다. 특히 막대를 강체로 생각하고, 막대의 질량중심까지 고려하였고, 회전중심의 위치에 상관없이 물체의 평형조건 , 가 만족됨을 상대오차 3% 범위 내에서 확인하였다.
상당히 많은 양의 실험이지만, 비교적 간단한 실험들이었다.
두 시간에 모든 실험을 마칠 수는 있어도, 몰아치듯이 실험을 진행함으로써, 모르는 상태에서 그냥 조교가 시키는 데로만 실험을 진행하게 되고, 그 만큼 실험의 질은 떨어질 것이므로 학생들이 충분히 생각할 수 있는 시간을 주었으면 한다.
제언을 한다면, 이번 실험은 두 가지 실험으로 나누었으면 하는 게 바램이다.(힘의 합성과 분해 / 물체의 평형) 왜냐하면 다른 실험들과 비교해 볼 때, 이번 학생들이 공부해야 할 개념이 두 개 이상이고, 충분한 생각과 함께 모든 실험을 하기에는 많은 분량이기 때문이다.

키워드

일반물리학실험,   힘과 물체의 평형,   훅의 법칙