각운동량 보존 예비레포트

소개글

각운동량 보존 예비레포트에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험목적
실험원리
실험준비
실험방법
참고문헌

본문내용

전방향을 감아쥘 때 엄지손가락이 가리키는 방향이다. 각운동량은 알짜외부 돌림힘이 0일 때, 즉 계가 고립되어있으면 계의 전체각운동량의 크기와 방향은 보존된다.
(1) 자전거바퀴의 각운동량 보존
다음 그림과 같이 회전의자에 앉아 축 방향의 각운동량을 갖는 회전하는 자전거바퀴를 들고 있다가 반대방향으로 바퀴를 엎으면 각운동량을 보존하기 위해 몸 전체가 회전하면서 반대방향으로 생긴 각운동량을 상쇄하고 초기 각운동량을 회복하려 한다.
그림 3. 각운동량의 보존
다음 그림과 같은 경우 역시 각운동량보존으로 설명할 수 있는데, 그림과 같이 회전하고 있는 자전거바퀴의 축을 기울이면 분해된 각운동량에 의해 형성된 y축방향의 각운동량을 상쇄시키기 위해 몸 전체가 회전하는 것을 경험할 수 있다.
그림 4. 각 운동량의 보존
(2) 자전거바퀴를 이용한 세차운동관찰
자전거 바퀴의 한 쪽 끝에 줄을 매달아 늘어뜨리면 다음 그림과 같아진다.
그림 5. 자전거 바퀴의 세차운동
그러나 회전하고 있는 자전거바퀴는 늘어지지 않고 줄 끝을 회전축으로 세차운동을 한다.
그림 6. 자전거 바퀴의 세차운동
즉 중력은 줄에 매달린 끝을 회전축으로 를 만들며 이때 의 방향은 과 에 의해 만들어진 평면에 수직한 방향이다(그림 b, 벡터외적의 오른손 법칙). 그러므로 이 돌림힘에 의해 각운동량의 변화가 생기며 이 각운동량의 변화방향은 돌림힘의 방향과 같다.
3. 기구 및 장치
자전거 바퀴, 회전관
4. 실험방법
첫 번째, 각운동량 보존 실험입니다.
① 실험조원 1이 회전판위에 올라서면 실험조원 2는 바퀴를 회전시킨 후 쥐어줍니다.
② 실험조원2는 바퀴의 회전축을 좌우롤 기울여도 보고 180도 뒤집어도 보면서 몸이 어떻게 회전하는지 파악합니다.
③ 다른 실험조원들은 바퀴의 회전방향에 따른 각운동량벡터의 변화량에 따라 실험조원 2 가 어떻게 운동하는지 파악합니다.
두 번째, 세차 운동 실험입니다.
④ 바퀴손잡이에 연결된 줄을 손에 쥔 채로 바퀴를 강하게 회전시킨다.
⑤ 자전거바퀴를 늘어뜨리면 수평하게 늘어지지 않고 줄 끝을 회전축으로 세차운동을 한다.
⑥ 회전축으로부터 무게중심까지의 변위벡터와 중력벡터를 그린 후 돌림힘의 방향을 파악해 봅니다.
5. 실험결과 및 고찰
[1] 실험결과
(1) 각운동량 보존 실험
①
바퀴를 몸 안쪽으로 굴렸을 때 바퀴를 오른쪽으로 기울이면 몸이 왼쪽으로, 왼쪽으로 기울이면 몸이 오른쪽으로 회전한다.
②
바퀴를 몸 바깥쪽으로 돌렸을 때 바퀴를 오른쪽으로 기울이면 몸이 오른쪽으로, 왼쪽으로 기울였을 때 몸이 왼쪽으로 회전한다.
③
바퀴의 회전방향과 몸의 회전방향이 반대이다.
(2) 세차 운동
바퀴를 들고 있는 사람을 기준으로 바퀴가 몸 안쪽으로 회전할 때 바퀴의 회전방향은 시계방향이다. 반면 바퀴가 몸 바깥쪽으로 회전할 때 바퀴의 회전방향은 시계반대 방향이다.
[2] 결과 해석
(1) 각운동량 보존 실험
① 자전거바퀴의 축을 기울이면 분해된 각운동량에 의해 형성된 지면 반대 방향의 각운동량을 상쇄시키기 위해 몸 전체가 회전한다. 지면과 수평방향, 지면과 수직방향으로 분해되어 지면과 수직인 방향의 각운동량을 상쇄시켰기 때문이다.
② 1), 2)와 같이 회전판 위에 서서 회전하는 자전거바퀴를 들고 있다가 반대방향으로 바퀴를 엎으면 각운동량을 보존하기 위해 몸 전체가 회전하면서 반대방향으로 생긴 각운동량을 상쇄하고 초기 각운동량을 회복하려 한다.
③ 바퀴를 기울이면 점점 속도가 빨라진다. 기울이면 기울일수록 y축방향의 각운동량이 늘어나 이를 상쇄하기위해 더 빨리 회전해야 하기 때문이다.
(2) 세차운동
중력은 줄에 매달린 끝을 회전축으로 를 만든다. 이 때, 의 방향은 과 에 의해 만들어진 평면에 수직한 방향이다. 그러므로 이 돌림힘에 의해 각운동량의 변화가 생기며 이 각운동량의 변화방향이 돌림힘의 방향을 결정 한다. 이로인해 세차운동이 일어난다.
[3]고찰
눈으로 관찰할 수 있는 실험이라 순조롭게 실험 하였다. 돌림힘을 상쇄하는 방향으로 각운동량의 변화가 생기는 것을 정확하게 확인하였다. 전체 각운동량의 보존을 실험을 통해 느껴보았다. 각운동량에 대한 특성을 실감해보고 각운동량의 보존과 세차운동의 원리를 알게되었다.
6. 참고문헌
[1] 대학물리학, 교재편찬 위원회, 북스힐 (p262~273)
[2] https://www.physics-edu.com/
[3] 일반물리학실험, 김용민 외, 북스힐
[4] https://www.youtube.com/watch?v=nnEHKCvLVEU

키워드

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