물리실험보고서 - 관성모멘트 및 각운동량 보존

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물리실험보고서 - 관성모멘트 및 각운동량 보존에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

링의 각운동량 보존

(1) Fig. 3 와 같이 디스크를 회전축에 연결한다.
(2) 회전축을 잡고 디스크를 회전시킨다.
(3) 회전 속도가 어느 정도 일정해지면 회전주기 를 측정한다.
(4) 회전하고 있는 디스크 위에 링을 올려놓고 회전주기 를 측정한다.
(5) 위의 실험을 3회 반복한다.
※ 디스크와 링의 관성모멘트

디스크 : 링 :
(단, : 디스크의 질량 (단. : 링의 질량
: 디스크의 반지름) : 링의 내경, : 링의 외경)
○ 실험결과
관성모멘트 및 각운동량 보존
A. 관성모멘트 측정
(1) 사각질량이 에 위치했을 경우 r=5.3
추 + 추걸이의 질량
0.105kg
사각질량의 위치
0.1m
횟수
낙하거리
낙하시간
가속도
장력
1
0.5m
13.93
5.16m/s
1.03
2
0.5m
13.92
5.16m/s
1.03
3
0.5m
13.77
5.28m/s
1.03
평균값
0.5m
13.87
5.20m/s
1.03
관성모멘트 =0.0056
(1) 사각질량이 에 위치했을 경우 r=5.3
추 + 추걸이의 질량
0.105kg
사각질량의 위치
0.2m
횟수
낙하거리
낙하시간
가속도
장력
1
0.5m
17.14
3.40m/s
1.03
2
0.5m
16.83
3.54m/s
1.03
3
0.5m
17.36
3.32m/s
1.03
평균값
0.5m
17.11
3.42m/s
1.03
관성모멘트 =0.0085
B. 사각질량의 각운동량 보존
* Photogate로 측정된 시간 (주기)
* 각속도
* 관성모멘트
* 각운동량
* 회전운동에너지
* 디스크의 질량
* 디스크의 반지름
* 링의 질량
* 링의 안쪽 반지름
* 링의 바깥쪽 반지름
*이론값
(1) 사각질량의 각운동량 보존
사각질량의 위치가 일 때 관성모멘트 0.0085
사각질량의 위치가 일 때 관성모멘트 0.0056
횟수
오차(%)
오차(%)
1
0.1443
0.1096
8.71
11.47
0.074
0.064
13.5
0.322
0.368
0.489
24.74
2
0.1967
0.1403
6.39
8.96
0.054
0.050
7.4
0.174
0.225
0.264
14.7
3
0.2386
0.1669
5.27
7.53
0.045
0.042
6.7
0.118
0.158
0.179
11.7
(2) 디스크와 링의 각운동량 보존
1.45kg
0.11m
1.43kg
0.055m
0.065m
8.78
0.0140
디스크의 관성모멘트 8.78
디스크 + 링의 관성모멘트 0.0140
횟수
오차(%)
오차(%)
1
0.0752
0.1311
16.71
9.59
0.147
0.134
8.84
1.22
0.644
0.765
15.8
2
0.0869
0.1509
14.46
8.33
0.127
0.117
7.87
0.92
0.486
0.576
15.6
3
0.0885
0.1487
14.20
8.45
0.125
0.118
5.6
0.89
0.500
0.558
10.4
○ 분석 및 토의
이번 실험은 관성모멘트 및 각운동량 보존을 설명하는 실험이었다. 이번 실험의 오차는 여태까지 했던 실험에 비해 오차가 크게 측정되었다. 다른 실험과 마찬가지로 실험 여건상 닫힌계를 만들 수 없어서 그만큼 오차가 많이 발행하게 된 것 같다. 실험 B에서 오차의 가장 큰 원인은 실을 손으로 잡아당기는데서 일어난 것이다. 실을 손으로 잡아당기는데 사람 손으로 하다 보니 정확도가 너무 떨어졌던 것이다. 기계로 했다면 비교적 오차가 작았겠지만 실험 여건상 그러지 못했던 것이다. 최대한 일정한 속도로 정확하게 한다고 노력했지만 실험의 결과를 보았을 때 그러지 못했다는 것을 알 수 있다. 실험 C에서 오차의 가장 큰 원인은 무엇일까? 그것은 아마 디스크의 회전축에 붙어있는 베어링의 마찰력일 것이다. 실험 할 때 회전축의 마찰이 심하기 때문에 적당한 윤활유를 발라주어야 하는데 우리 실험에서는 그러지 못했고, 윤활유를 발라준다고 하더라도 어느 정도의 마찰은 발생했을 것이다. 이 마찰력으로 인해 계의 총 각운동량이 보존되지 않았던 것이다. 이론상으로는 정지해 있던 회전체가 일정한 각속도로 회전을 시작하면, 디스크도 일정한 각속도로 반대 회전을 계속하고 링이 멈추면 디스크도 멈춘다. 하지만 우리 실험의 경우에는 링이 계속 돌아도 디스크는 멈추고 이 때 링이 멈추면 디스크가 처음과 반대방향으로 회전한다. 이것은 어떻게 설명할 수 있을까? 바로 마찰력 때문에 디스크의 각운동량이 줄어들었기 때문이다. 그리고 디스크에 링을 올려줄 때 사람 손으로 하는 일이라 정확도가 떨어졌던 것이다. 이러한 영향으로 우리 실험에 오차가 커지게 된 것이다. 이 모든 실험을 시간이나 속도를 컴퓨터로 측정하고 기계로 실험을 했다면 비교적으로 오차가 적게 나오겠지만 실험을 우리 손으로 직접 하고 눈대중으로 하였고 관성모멘트를 비롯한 대부분의 수치들이 매우 작은 값들이기 때문에 이런 사소한 측정 실수로도 큰 오차가 발생할 수 있는 것이다. 실험의 오차를 감안해야했던 것이다. 그리고 그만큼 각운동량이 보존되지 않는 데 영향을 미쳤을 것이다. 우리 실험을 확인할 수 있는 생활 속의 많은 예들이 있다. 회전의자에 앉아서 회전하는 동안에 양팔을 벌렸다 접었다 하면 회전속도가 변하는 것과 피겨스케이팅 선수가 회전할 때 몸을 움츠리는 동시에 팔을 오므리는 원리, 즉 팔을 오므리면서 반지름이 작아지게 되고 이로써 속도가 커지게 되는 것이다. 그리고 팽이, 자전거 등의 회전이 있다. 생활 속의 현상들을 과학적 원리로 실험을 통해 알 수 있어서 너무 좋았다.
○ 참고
개정판 일반물리학 - 이영재·하병준·한성철·임헌화·신규승·최석호·이석준·정해양·최정우·이 호선 공저
대학물리학 Serway's Principles Of Physics (상) -JEWETT&SERWAY지음 물리학교재 편찬위원회옮김
최신대학물리학 Essentials of College Physics - serway.Vuille 대표역자 조재흥
일반물리학실험 - 한성철·임헌화·신규승·최석호·이석준·정해양·최정우·이호선 공저

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물리실험보고서,   관성모멘트 ,   각운동량 보존