기초전자물리학실험1 중간고사 모범답안

목차

01 ~ 08

본문내용

a)뉴튼 운동 제1법칙: 물체는 하던 운동을 그대로 유지하려는 성질 즉 관성이 있다. 외력이 없다면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 유지하고, 등속 직선 운동하는 물체는 그 운동을 지속한다.
b) 물체의 가속도는 그 물체에 작용하는 알짜 힘에 비례하고 물체 질량에 반비례한다.
c) 두 물체가 상호 작용할 때 물체1이 물체2에 작용한 힘(작용력)은 물체2가 물체1에 작용한 힘(반작용력)은 서로 크기가 같고 방향이 반대이다.
d)
관성질량 m=10[kg]
e)자동차가 급정거나 충돌 시 탑승자가 관성의 법칙에 의하여 하던 운동을 그대로 하려고 하므로 차체에 부딪치거나 차 밖으로 튕겨 나갈 수 있다. 안전밸트를 착용하면 이런 문제가 안 생긴다.
7. a)질량 0.5kg 수레 2개로 1차원 , 탄성 충돌 실험을 하였다. 실험 방법을 제시하라. 수레1의 속도가 +x 방향으로 2.0[m/sec]이고 수레2의 속도가 +x 방향으로 1.0[m/sec]이었다. 충돌 후의 예견되는 각 수레의 속도(벡터)를 제시하고 운동량 보존 법칙이 성립함을 실험으로 보이는 방법을 제시하라. b)충돌 전후의 각 수레의 운동에너지와 총에너지를 각각 구하고 운동에너지 보존을 보여라. c)질량 0.5kg인 농구공을 1.5[m] 높이에서 낙하시키니 바닥에서 최대 높이 1.0[m]까지 뛰어 올랐다. 농구공과 지구(땅)의 바닥 충돌 전후의 운동량(벡터)을 각각 구하라. 또 농구공만의 충돌 전후의 충격량을 구하라. 탄성충돌인지 비탄성충돌인지 에너지 보존법칙 성립 여부로 설명하라. 지구의 질량 d)커피 종이필터 공기 중 자유낙하 저항력 실험에서 실험과정, 예상결과 및 분석과정을 기술하라. e) 커피 종이필터 공기 중 자유낙하 저항력 실험 결과와 농구공 자유낙하실험 결과가 다른 이유를 설명하라. 진공 중에서 이 두 실험을 다시 한다면 결과는 어떻게 되겠는가? 이들 결과로부터 대륙 간 탄도 미사일(ICBM)의 대부분 궤적을 대기권 밖으로 택하는 이유를 설명하라.
해) a)
운동량 보존법칙
,
에너지 보존법칙
,
->
b)
->
c)
자유낙하하는 물체의 낙하거리 에 따른 속력
지면 충돌 직전의 농구공의 운동량
지면 충돌 직후의 농구공의 운동량
지면 충돌 직전의 지구의 운동량
지면 충돌 직후의 지구의 운동량(운동량 보존법칙 적용)
충격량-운동량정리에 의해 지면 충돌 전후의 농구공의 충격량
d) 커피 종이필터를 자유낙하 시키면서 디카 동영상 촬영-->Logger Pro 3 "비디오 분석법“으로 낙하속력이 더 이상 증가하지 않는 종단속력 측정
종단속력은 종이필터 개수의 제곱근에 비례할 것임.
e) 진공에서는 공기가 없어서 커피 종이필터와 농구공은 똑 같이 자유낙하 한다. 즉 진공에서는 종단속력이 없다. ICBM는 대륙간 초장거리를 날아가야 하므로 공기가 없는 대기권 밖을 궤도를 택하여 미사일의 연료 절약을 꾀한다.
8. a)자전거 바퀴 회전운동 각속도, 구심가속도 및 구심력 측정 실험 방법과 분석결과를 제시하라. b)지렛대(힘 증폭기)의 작동원리를 토크의 평형으로 설명하라. 질량 600[kg]바위를 질량 60[kg]인 사람의 몸무게로 들어 올리는 지렛대를 설계하라. c)3,000[RPM:분당 회전수]으로 돌아가는 자동차 엔진의 각속도를 [rad/s] 단위로 표현하라. 이 엔진의 플라이 휠(회전운동에너지 저장기)이 토러스(도너스)형이고 질량 20[kg] 반지름 0.2[m]이면 이 휠의 회전관성은? 회전축과 토러스형 테를 연결하는 팔의 질량은 무시하라. d) 또 이 휠에 저장된 회전 운동에너지는? e) 이 휠의 구심력은?
해) a) 자전거 바퀴를 회전시키면서 디카 동영상 촬영-->Logger Pro 3 "비디오 분석법“으로 자전거 테의 한 점의 위치를 시간에 따라 x 방향 및 y 방향 투사를 분석. 이 양 방향 투사의 좌표가 시간에 따라 조화운동(사인함수)함을 사인파 curve fitting으로 보인다. 이 분석 그래프에서 진폭, 각속도, 주기 등을 구한다.
b) 지렛대는 받힘점을 기준으로 양쪽에 작용하는 힘과 양쪽의 팔이 2개의 토크로 볼 수 있고 이 두 토크가 평형을 이루어 힘을 전달한다. 토크의 크기는 팔길이와 힘 크기의 곱이고 양 토크 크기가 같으므로 팔길이 비를 조정하면 힘을 크게 할 수 있다. 즉 배력기 역할을 할 수 있다.
즉 받힘점 기준 양쪽의 지렛대 팔길이 비를 10배로 한다.
c) 각속도
플라이휠의 회전 관성
d) 플라이휠에 저정된 회전운동에너지
e) 플라이휠의 구심력

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