일반물리학 실험 - 고체의 선팽창계수

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일반물리학 실험 - 고체의 선팽창계수에 대한 보고서 자료입니다.

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본문내용

가능하다. 따라서
여기서 이므로
위 식의 결과에 따라 시료들이 등방적 물질이라 가정하면 체적 팽창계수는 에 의해 다음과 같다.
시료 (관)
실험값(α)
참 값(α)
선팽창계수(α)
체적팽창계수(β)
선팽창계수(α)
체적팽창계수(β)
알루미늄
1.49 × 10-5
4.47×10-5
2.4×10-5
7.2×10-5
구리
2.69 × 10-5
8.07×10-5
1.7×10-5
5.1×10-5
철
1.98 × 10-5
5.94×10-5
1.1×10-5
3.3×10-5
6. 시료의 길이가 열을 가해준 시간에 따라 어떻게 늘어났는가? 다이얼게이지를 관찰한 결과를 쓰시오.
열을 가해줄수록 다이얼 게이지의 눈금은 계속 돌아가고 있었다. 따라서 시료에 열을 가해준 시간이 길수록 시료의 길이도 증가할 것으로 추측된다. 시간 관계상 계속 열을 가해보진 못했으나 다음 그림과 같은 참고 문헌을 통해서 길이의 증가에는 한계 온도 (아래 그림에서는 약 550℃)가 있을 것으로 생각된다. 그리고 그 값은 금속에 따라서 다를 것이라는 것을 예측할 수 있다. 따라서 각 금속의 한계온도 내에서 시료에 열을 가해줄수록 시료의 길이가 증가한다고 할 수 있다.
7. 평형상태의 온도는 어떻게 결정하였고, 평형상태에 도달하면 시료의 온도와 시료의 길이는 어떻게 변하는가?
금속의 저항은 온도에 따라 달라지는데 멀티미터에 표시된 저항 값이 일정하면 온도계와 금속이 열평형을 이루었다고 할 수 있다. 관의 처음 온도는 이처럼 저항 값이 더 이상 변하지 않는다고 생각되는 저항을 읽어 온도로 환산하였다. 그런데 열을 가한 뒤 관의 온도를 측정할 때는 증기 발생기를 끄자 어느 정도 저항 값이 내려가다가 그 이후부터 저항 값이 계속 증가하였다. 평형상태의 온도는 저항 값이 감소했다 다시 증가하는 지점으로 생각되는데 그 순간의 저항 값을 측정하기 매우 어려웠기 때문에 어느 특정한 지점의 저항 값을 읽어 온도로 환산하였다.
8. 측정 물질의 비열의 크기순서와 팽창계수의 크기 순서에 관계가 있는가? 설명하시오.
시료 (관)
비열 ()
선팽창계수 ()
철
0.45
1.2 × 10-5
알루미늄
0.90
2.4 × 10-5
구리
0.39
1.6 × 10-5
⇒ 비열은 알루미늄 > 철 > 구리 순으로 크고, 선팽창계수는 알루미늄 > 구리 > 철의 순으로 크다.
물질의 선팽창 계수는 그 물질의 비열에 비례한다.
Q=mcΔT,
ΔL=αLΔT,
∴ α ∝ c
그러나 에서 보면 선팽창계수()와 온도변화()사이에는 반비례의 관계가 있다. 이를 통해 알루미늄이 비열이 크기 때문에 같은 열을 주었을 때 온도변화가 다른 것들에 비해서 작을 것이라는 것을 알 수 있다. 그러므로 선팽창계수()는 온도변화()와 길이의 변화(,고체의 성질) 두 가지 요인에 의해 값이 결정되어 진다고 할 수 있다.
∴ 선팽창계수()는 길이의 변화()에 비례하기 때문에 비열이 크다고 선팽창계수가 크다고 결론지을 수 없다.
◎ 결론 및 검토
고체의 선팽창 계수 실험은 열을 가해 줌으로 인해 금속이 얼마나 늘어나는지를 확인해보는 실험이었다. 우리조는 실험시간 내내 멀티미터가 고장이 나서 시작부터 분명히 오차가 날 것이라고 예상했었다. 실제 실험시 알루미늄의 경우 한바퀴 이상 다이얼 게이지가 돌아 가는 것을 볼 수 있었는데 다른 금속은 예상과 달리 한바퀴도 돌아 가지 않았다. 특히나 구리의 경우, 우리가 알기로는 열전도율이 높아서 매우 많이 늘어 날것으로 예상했었다. 하지만 실제로는 거의 철과 동일한 정도로 밖에 늘어나지 않았다. 실제 선팽창계수도 철과 크게 다르지 않았다. 이는 열전도율과 선팽창계수가 다른 개념이라는 것을 말해준다.
우리 조 실험의 관건은 바로 멀티미터였다. 실험도중에 멀티미터가 갑자기 500kΩ 이상의 수치를 나타내더니 떨어지지 않는 일이 발생했는데 이것을 조정하기 위해 실험시간의 대부분을 보내다 보니 각 금속당 2번씩 밖에 실험을 할 수가 없었다. 2번의 실험으로는 정확한 값을 얻기가 힘들다. 이로 인해 아마 우리조의 오차가 더 크게 나지 않았을까라는 생각이 든다.
또 한가지 다이얼게이지가 조금 이상했다. 그냥 살짝 다이얼게이지를 톡톡 건드리기만 해도 그 수치가 팍팍 변하는 것을 볼수 있었다. 동일한 금속에 열도 가하지 않은 상태였는데 말이다. 그래서 여러번 금속을 끼웠다 뺐다 하면서 나름 일정한 값이 나올 때를 선택했었다. 하지만 오차를 나타내기엔 충분했다.
실험하면서 저항이 줄어들 때 마다 멀티미터의 단위를 작게 해서 실험을 했는데 이것은 정확한 수치를 얻기에 매우 유용했다. 단위를 작게 할수록 얻을 수 있는 자리수가 많아지기 때문이다.
한가지 우리가 실험에서 하지 않았던 것이 있다면 관의 길이를 실험 할 때 마다 재지 않았던 것이 있다. 한번 실험 이후에는 금속을 식히고 나서 다시 실시해야 하는데 처음과 그 온도가 다르기 때문에 금속의 초기값이 최초 실험과 다를수 있을 것이다. 하지만 우리는 이를 간과하고 초기값으로 여기고 실험을 실시했다. 조금은 더 신경을 썼어야 하는 부분이었다.
이번 실험에서 가장 어려웠던 것은 평형을 이루는 저항을 찾는 것이었다. 멀티미터의 수치가 계속 올라갔다 내려갔다 하면서 고정되지 않았었기에 (오랜시간을 기다리면 평형을 이루었을지도) 어느 지점을 평형점으로 할지가 관건이었다. 나름 거의 일정하게 유지된다 싶은 곳을 평형저항으로 했으나, 우리가 결과를 적고 나니 그 값이 또 조금 달라져 있었다. 그렇다고 한없이 평형이 이루어질 것이라고 기다리자니 실험시간이 너무 부족했다. 또한 옆에서 사람이 조금만 찬바람을 일으키며 지나가도 그 값이 조금씩 변하니 도저히 정확한 수치를 찾을 수 없는 부분이었다. 미리 금속의 선팽창에 대한 데이터를 좀 더 준비해서 갔으면 평형온도를 찾는데 훨씬 유용했을 것이라는 생각도 해 보았다.
◎ 참고 문헌
두산 세계 대백과 사전
일반물리학 개정 7판, 18장 온도, 열, 열역학 제 1법칙
일반 물리학 실험 - 청범출판사
네이버 백과사전
http://blog.naver.com/lyb2040?Redirect=Log&logNo=100002148803
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물리실험,   고체,   선팽창계수