[일반물리학 실험] 충돌의 해석 _ 1차원 충돌

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본문내용

한 이론값과 측정값의 오차율이 평균 30.663%로 눈에 띠는 큰 차이를 가진 것을 관찰할 수 있었다. ④일 때, =로 구한 속도의 이론값과 측정값의 오차율이 평균 37.395%로 눈에 띠는 큰 차이를 가진 것을 관찰할 수 있었다.
선운동량의 변화량의 비 ( =, = )는 ①, ②, ③, ④에서 각각 평균 15.176% 8.199%, 30.441%, 37.462%로 탄성충돌 실험과 비교하여 선운동량의 변화량이 눈에 띠는 것을 볼 수 있었다.
마지막으로, ( A = ) 운동에너지 손실률 은 ①, ②, ③, ④에서 각각 평균 63.900%, 66.258%, 93.571%, 96.314%로 마찬가지로 탄성충돌 실험과 비교하여 눈에 띠는 손실률을 관찰 할 수 있었다.
위 결과들을 바탕으로, 공식 =를 이용하여 반발계수를 구하면, 탄성 충돌 실험 ①, ②, ③, ④에서
반발계수
회
①
②
③
④
1
0.991
0.920
0.959
0.968
2
0.994
0.926
0.930
0.887
3
1.008
0.977
0.959
0.953
평균
0.998
0.941
0.949
0.936
이처럼 대체로 반발계수는 1에 근접한 결과가 나왔다. 즉, 실제 상황이라는 점을 감안했을 때, 거의 탄성 충돌을 했다고 볼 수 있다. 완전 비탄성 충돌 실험에서는 물체 1과 물체 2의 나중 속도의 상대속도가 0이기 때문에 모두 반발계수는 0으로 계산되었다.
실험 결과를 보면, 기구, 추의 질량 등에 의해 다소 차이는 보이더라도 이론값과 실험값의 차이가 큰 차이가 없는 경우도 있고, 오차가 상당히 눈에 띨 정도로 큰 경우도 있었다. 특히 ④의 2회의 반발계수는 0.9이하의 값을 나타냈는데, 이것은 인위적으로 진행되는 실험이기에 나타날 수 있는 것이라 생각이 들고, 공기펌프와 에어트랙의 과정 속 부조화 때문일 것이다.
[3] 오차 논의 및 검토
이론값과 측정값의 오차가 큰 차이 없는 경우에서는, 실제 상황은 이상적인 실험값을 측정하기란 오류가 존재하기 때문에 미세한 차이가 나타났다. 두 실험 모두에서 ①인 경우에는 오차율이 근소했지만, 이후로 오차율이 커졌다. 오차를 최소화하기 위해 의 무게는 고정하여 실험을 진행하였지만, 의 무게와 에 변화를 주는 과정에서 눈에 띠는 오차가 나타난 원인이 있었을 것이라 추측이 된다.
먼저, 탄성 충돌 실험에서는 반발계수가 정확히 1이 나올 수 없는 것은 실제 상황에서는 공기저항, 마찰력과 같은 요소에 의해서 그 수치가 크지 않지만 나타났다. 특히, ①의 3회에서는 반발계수가 1을 넘는데 이것은 기구의 부정확한 사용에 의해서 기인했다고 추측된다. 또한, ④의 2회에서는 위에서 언급 했듯이 인위적으로 진행되는 실험이기에 나타날 수 있는 것이다.
완전비탄성 충돌 실험에서는 탄성 충돌 실험에 비해 이론값과 측정값의 오차가 상당히 눈에 띨 정도였다. 오차율을 기준으로 ①과 ②, ③과 ④로 나눌 수 있다. 전자에서는 오차율이 후자에 비해서 오차가 심하지 않았고, 특히 ①은 오차율이 근소했다. 후자에서는 오차율이 둘 다 30퍼 이상으로 매우 큰 차이를 나타낸다. 이 두 경우는 모두 0인 경우로, 인위적으로 물체 2에 속도를 준 실험이었다. 특히, 이 두 경우에서는 물체 1에 준 속도가 전의 실험들에 비해 상당히 빨랐고, 이것은 에어트랙 위에서 진행되는 상황일지라도 오류를 범할 수 있었던 이유일 것이다. 그리고 속도가 빠르기 때문에 진흙 범퍼가 부딪히면서 약간의 탄성 충돌이 있었을 것이라 생각한다. 만약 물체 1에 준 속도를 줄였다면 오차율이 작아졌을 것이라 생각한다.
[4] 결과
실험 결과, 실험 목적이었던 여러 가지 충돌 양상을 해석하고 충돌 과정에서 선운동량이 보존됨을 이해하는 데에는 다소 우려가 되는 결과가 도출 되었다. 탄성 충돌 실험 ①과 ②에서는 선운동량의 변화량의 비가 근소한 결과가 측정되었고 이것은 차이는 존재하지만 미미하였다. 즉 선운동량 보존 법칙을 이해하기에 충분한 결과를 제공 해줬다. 그러나 탄성 충돌 실험 ③과 ④에서와 완전비탄성 충돌 ①, ②, ③, ④에서는 선운동량의 변화량의 비가 6~37퍼 정도의 변화량을 보인다. ‘외력이 작용하지 않는 한, 입자계의 총 선운동량은 보존된다.’에서 보듯이 외력이 작용하지 않는 다는 전제 조건이 성립되지 않은 상황이다. ‘오차 논의’에서 언급 했듯이 다양한 변수가 작용했기 때문에 이 같은 실험결과가 나왔다고 볼 수 있다. 결론적으로, 고립계가 아닌 실제 상황에서는 선운동량 보존 법칙을 확인하기 힘들다는 것이다.

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