일반물리학실험 - 원운동과 구심력(예비, 결과)

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본문내용

위의 값과 저울로 측정한 물체의 질량과의 상대오차 :
c. 물체의 질량을 변화시키면서
추와 추걸이의 질량 :
추와 추걸이의 무게로 측정된 구심력 :
반경(측면 지지대의 위치):
물체의 질량
10회 회전시간
주기
계산한 구심력
상대오차
1
0.234
12.44
1.24
89.15
3.22
2
0.461
16.32
1.63
102.05
10.78
3
0.504
17.09
1.71
101.74
10.44
4
0.588
18.66
1.87
99.57
8.09
5
0.670
19.94
1.99
99.35
7.85
6. 실험 결과
a. 회전반경 을 변화시키면서
물체의 질량을 로 했을 때, 추와 추걸이의 질량은 이였고, 반경을 ～까지 씩 증가시키면서 회전 주기 를 측정하였다. 측정값으로부터 MS Excel 2000을 이용하여 의 그래프를 그리고, 그래프의 기울기로부터 구한 구심력은 이고, 추와 추걸이의 무게로부터 구한 구심력은 였다. 이때 두 구심력의 상대오차는 이다.
b. 구심력의 크기를 변화시키면서
물체의 질량을 , 회전반경을 로 하고, 추와 추걸이의 질량을 점차 증가시키면서 회전 주기 를 측정하였다. 측정값으로부터 MS Excel 2000을 이용하여 의 그래프를 그리고, 그래프의 기울기로부터 물체의 질량 을 계산하였다. 이것은 저울로 측정한 물체의 질량과 의 상대오차를 보였다.
c. 물체의 질량을 변화시키면서
추와 추걸이의 질량으로부터 구심력의 크기를 로 하고, 이때 회전반경을 로 했을 때, 물체의 질량을 증가시키면서 회전주기 를 측정하였다. 측정값으로부터 구심력의 크기를 계산하였고, 둘 사이에는 내외의 상대오차를 보였다.
7. 질문 및 토의
(1) 물체에 작용하는 구심력이 일정할 때 물체의 회전 반경이 증가하면 주기는 커지는가 혹은 작아지는가? 설명하시오
(a)의 실험에서 보는 바와 같이 물체의 질량과 구심력을 일정하게 한 채, 회전반경이 증가하면 주기 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또
(13.11)
로부터 일 때 임을 알 수 있다.
(2) 물체의 질량과 회전반경이 일정할 때 구심력을 증가시키면 주기가 커지는가 혹은 작아지는가? 설명하시오.
(b)의 실험에서 보는 바와 같이 물체의 질량과 회전 반경을 일정하게 유지하면서, 구심력의 크기를 증가시키면 회전주기는 감소함을 알 수 있다. 또
(13.11)
로부터 임을 알수 있다.
(3) 물체의 질량을 증가시키면 구심력이 커지는가 혹은 작아지는가? 설명하시오
(c)의 실험에서 보는바와 같이 구심력의 크기와 회전 반경을 일정하게 유지한 채, 물체의 질량을 증가시키면, 회전주기는 증가함을 알 수 있다. 또,
(13.11)
로부터 임을 알수 있다.
8. 결론 및 검토
이번 실험은 원운동하는 물체의 질량, 운동반지름, 그리고 구심력을 변화시키면서, 그들 사이의 관계를 알아보고 여러 변수들이 원운동을 하는 물체의 구심력에 미치는 영향을 알아보는 실험이다.
첫째로, 물체의 질량과 구심력을 일정하게 유지시키면서, 회전반경을 변화시켜서 회전주기를 측정한 결과 추와 추걸이의 무게로부터 얻은 구심력과 23.83%의 상대오차를 보였고, 회전반경과 회전 주기의 관계는 이다.
둘째로, 물체의 질량과 회전반경을 일정하게 유지시키면서, 구심력을 변화시켜서 회전주기를 주기를 측정한 결과는 저울로 측정한 물체의 질량과 실험결과 얻은 물체의 질량 사이에는 34.21%의 상대오차가 발생하였고, 구심력과 회전주기의 관계는 이다.
셋째로, 구심력과 회전반경을 일정하게 유지시키면서, 물체의 질량을 변화시키면서 회전 주기를 측정한 결과는 추와 추걸이의 무게로부터 얻은 구심력과 10% 내외의 상대오차를 보였고, 물체의 질량과 회전주기의 관계는 이다.
이상 세가지 실험의 결과 (식13.11)을 확인할수 있었다.
(13.11)
이번 실험에서는 전체적으로 상대오차가 10% 이상으로 큰 오차를 보였다. 이것을 회전대가 엄밀한 수평이 아니기 때문에 생긴 중력의 영향이 있을 수 있지만, 무엇보다도 가장 큰 오차의 원인은 회전주기의 측정에서 생기는 개인오차이다. 식(13.11)에서 볼 수 있듯이. 주기 는 구심력의 제곱에 반비례하므로 다른 변수보다 오차가 크게 전파된다. 또 이것과 관련해서, 회전대를 회전시키는 과정에서 구심력을 일정하게 유지한 채, 회전대를 회전시키는 장치가 단지 사람의 손가락 감각에 의존하고 있으므로, 완벽한 셋팅이었을 지라도, 오차의 증가는 불가피 하였다.
이번 실험은 비교적 간단한 실험이면서도, 섬세함고 노련함이 필요한 실험이었다.

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일반물리학실험,   원운동과 구심력,   구심력