구심력 측정 실험

목차

1) 실 험 목 적

2) 관 련 이 론

1. 등속원운동과 구심력

2. 구심가속도 유도과정

3) 실 험 방 법

1. 기 구 및 장 치

2. 실 험 방 법

1) 물체의 질량 은 일정하고, 회전반지름 이 달라지는 경우

2) 회전반지름 은 일정하고, 물체의 질량 을 변화시키는 경우

4) 실 험 결 과

A. 물체의 질량 을 고정하고, 회전반지름 을 변화시키는 경우

B. 회전반지름 을 고정하고, 물체의 질량 을 변화시키는 경우

5) 분 석 및 토 의

6) 참 고 문 헌

본문내용

질 때 공의 날아가는 방향으로부터도 쉽게 알 수 있다. 줄이 끊어지면 공은 속간속도의 방향(접선방향)으로 날아갈 것이다.
3) 실 험 방 법
1. 기 구 및 장 치
1. Force Sensor, 회전막대
2. 초시계, 추, 실, 스탠드
3. Interface 장치, Photogate head

2. 실 험 방 법
1) 물체의 질량 은 일정하고, 회전반지름 이 달라지는 경우
(1) 사각블록의 질량 과 추의 질량 을 측정한다.
(2) Fig. 3 처럼 회전막대에 force sensor 에 연결된 줄이 회전막대의 중심을 지나도록 고정시키고 한쪽 추에 연결시킨다.
(3) 회전막대 한쪽에 사각블록과 추를 회전 반지름 의 위치에 고정시킨다.
(4) Force sensor 의 높이를 조절하여 고정되지 않은 추의 위치가 실을 팽팽하게 잡아당겼을 때 반지름 에 위치하게한다.
(5) 회전축을 손으로 돌려 회전막대를 회전시키고 interface 를 이용하여 구심력 와 각속도 의 관계를 그래프로 측정한다.
(6) 회전반지름 을 바꾸면서 실험을 반복한다.
2) 회전반지름 은 일정하고, 물체의 질량 을 변화시키는 경우
(1) 사각블록의 질량 과 추의 질량 을 측정한다.
(2) Fig. 3 처럼 회전막대에 force sensor 에 연결된 줄이 회전막대의 중심을 지나도록 고정시키고 한쪽 추에 연결시킨다.
(3) 회전막대 한쪽에 사각블록과 추를 회전 반지름 의 위치에 고정시킨다.
(4) Force sensor 의 높이를 조절하여 고정되지 않은 추의 위치가 실을 팽팽하게 잡아당겼을 때 반지름 에 위치하게한다.
(5) 회전축을 손으로 돌려 회전막대를 회전시키고 interface 를 이용하여 구심력 와 각속도 의 관계를 그래프로 측정한다.
(6) 추의 질량 을 변화시키면서 위의 실험을 반복한다.
4) 실 험 결 과
* 사각블록 질량 * 추의 질량
* 구심력 (※ 질량은 (사각블록 + 추의 질량) 이므로 총 질량 = )
A. 물체의 질량 을 고정하고, 회전반지름 을 변화시키는 경우
사각블록 질량
추의 질량
100g
100 g
거리
8
11
14
17
20
그래프
그래프 r1
그래프 r2
그래프 r3
그래프 r4
그래프 r5
Data studio를 이용하여 측정한 그래프를 포함시키시오. (각각의 data를 엑셀로 옮겨서 이론값과 결과값을 비교하는 그래프를 그리시오.
(결과값 vs 이론값)
1. 거리 8cm인 경우
2. 거리 11cm인 경우
3. 거리 14cm인 경우
4. 거리 17cm인 경우
5. 거리 20cm인 경우
B. 회전반지름 을 고정하고, 물체의 질량 을 변화시키는 경우
회전반지름
15
추의 무게
30
60
90
120
150
그래프
그래프 m1
그래프 m2
그래프 m3
그래프 m4
그래프 m5
Data studio를 이용하여 측정한 그래프를 포함시키시오. (각각의 data를 엑셀로 옮겨서 이론값과 결과값을 비교하는 그래프를 그리시오.)
(결과값 vs 이론값)
1. 무게 30g인 경우
2. 무게 60g인 경우
3. 무게 90g인 경우
4. 무게 120g인 경우
5. 무게 150g인 경우
5) 분 석 및 토 의
이번 실험의 결과를 보면 굉장히 signal에 noise가 심하게 나옴을 알 수 있다. 흔히 결과로 나오는 signal에 noise가 생기는 경우는 오차에 의한 변화값 혹은 외부에서 작용하는 요인에 의해서 생성되는 것이 signal에 생김을 알 수 있다. 만일 각각 signal의 중심부를 연결하는 선을 그려서 이론값에 의한 그래프와 비교하면 그래프와 비슷하게 생성됨을 알 수 있고, 따라서 실험은 성공적인 실험이었다고 볼 수 있다.
그래프의 형태를 확인하게 되면 각속도의 크기가 점점 작아질수록 역시 구심력의 크기도 작아짐을 알 수 있고, 또한 거리의 크기에 힘의 크기가 비례하는 그래프를 첫 번째 실험에서 확인할 수 있다. 두 번째 실험에서도 질량이 커질수록 구심력의 크기도 커짐을 확인할 수 있다.
실험을 통해 왜 noise가 생성되는 지에 대해 생각할 필요가 있다고 판단된다. 이를 분석하는 것이 결국 이 실험의 오차의 요인을 분석하는 것이 되고 아래에 오차의 요인에 대해 몇 가지 적어보도록 하겠다.
1. 첫 번째는 회전막대에 연결된 줄과 스탠드와 그 줄을 연결하는 고리에 있다고 생각한다. 일단 줄에 대해서 말씀드리면 줄이 꼬여버린 경우 정확한 반지름을 잴 수 없기 때문에 오차의 요인이 작용한 것이라고 생각할 수 있다. 또한 줄에 연결하는 고리가 제대로 스탠드와 연결이 되어있어야 하는데 그렇지 못하기에 오차가 발생하게 된다. 즉 고리가 돌아가면서 외력을 전파하게 되고 그 외부의 힘에 의해서 순간적으로 거의 같은 시간에서 다른 힘이 전파되고 따라서 다른 각속도가 생기게 되어 noise가 발생하게 되는 것이다.
2. 스탠드의 수평에도 큰 문제가 있다고 생각한다. 스탠드의 수평이 제대로 맞춰지지 않았을 경우 회전막대가 회전할 시에 정확한 반지름이 아닌 회전 시에 반지름이 조금씩 변하게 되므로 같은 힘에서 다른 각속도가 나오게 되므로 noise가 발생하게 된다.
이 밖에도 많은 요인이 있겠지만 가장 크게 작용한 요인들만 생각해보았다. 실제로 실험값과 이론값의 오차에도 위의 요인들이 이 이유가 될 것이고, 또한 계측기기의 정확도 및 공기저항에 의한 요인들이 이론값과의 오차의 이유라고 생각이 된다. 실제로 우리 주변에선 굉장히 많은 구심력을 이용한 장치가 존재하고 있다. 가장 큰 예가 놀이공원에서 볼 수 있는 놀이기구도 구심력을 이용한 기계장비라고 볼 수 있다. 구심력은 이런 장치를 연구하고 설계함에 있어서 가장 기본적인 단계로 해석되어야 하고 따라서 모든 엔지니어에 있어서 중요한 학문임에 틀림없다.
6) 참 고 문 헌
1. 공학도를 위한 동역학 7th Edition
(Mcgraw-Hill, Ferdinand P. Beer 외 2명)
2. (개정판)일반물리학
(형설출판사, 이영재 외 9명)
3. 일반물리학 실험
(형설출판사, 최석호 외 7인)
4. http://user.chol.com/%7Eknuephy/physics/chap2/phy2-09.htm

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구심력 측정,   구심력 ,   원 운동,   등속원운동