[일반물리실험1] 3. 힘의 평형

소개글

[일반물리실험1] 3. 힘의 평형에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 실험 과정 및 결과
3. 고찰
4. 조별 토론

본문내용

로 나타내면
실험을 자유 물체 도형으로 표현해보았다. 용수철 저울의 무게를 , 추의 무게를 , 용수철 저울을 잡아당기는 힘은 으로 나타내보았다.
양쪽 실에 걸려있는 추의 무게와 양쪽 값이 같으므로 이고, 는 이다. 따라서 성분은 으로, 성분은 으로 나타낼 수 있다. 성분의 식을 변형하면, 이 된다. 주어진 물리량을 대입하면, 잡아당기는 힘은 이다.
실험을 통해 구한 값과 비교해보면 ( 이론 값 / 실험에서 구한 값 )
는 3.0 / 3.4, 는 2.4 / 2, 는 1.6 / 0.8, 는 0.6 / 0.1N
→ 오차 범위가 약 0.4 정도로 나타났습니다. 용수철 저울의 눈금 간격이 생각보다 넓어서 정확한 힘을 측정하기가 어려웠고, 각도기와 제대로 실을 고정시킬 수 없어서 각도를 측정하는 것도 힘들었습니다. 또한, 용수철 저울을 정확하게 수직으로 잡아당기지 못했던 것이 오차의 원인인 것 같습니다.
(3) (2)의 그래프에서 힘과 각도에 대한 수학적 관계는 무엇인가? 이론적으로 예상되는 그래프를 같이 그려보고 일치하는지 확인하라.
양쪽의 값과 양쪽 실에 달려있는 추의 무게가 같으면, 즉 양쪽 실의 장력이 같으면 성분은 으로, 성분은 으로 나타낼 수 있다. 성분의 식을 변형하면 이 되므로, 상수 값을 제외하면 용수철 저울을 잡아당기는 그래프는 코사인함수 그래프와 유사한 개형이 만들어질 것이다.
③ 힘의 합력 실험 : 비대칭형
세 가지 서로 다른 힘이 임의의 각도로 주어질 때, 평형을 이루기 위한 조건이 무엇인지 생각해보라. 또, 그 생각이 옳은지 실험으로 확인하라.
평형을 이루기 위해서는 이어야 한다. 성분과 성분으로 나누어서 생각해보면 성분은 이어야 하고, 성분은 이어야 할 것이다.
0.038kg의 용수철 저울을 바닥과 수직하게 두었고 왼쪽에는 0.2kg, 오른쪽에는 0.22kg의 추를 달자 왼쪽은 , 오른쪽은 가 되었다. 성분은 인데, 대입하자 두 물리량의 차가 0.24가 나왔다. 성분은 인데, 왼쪽 항은 1.2, 오른쪽 항은 0.37이 나왔다. 대칭형 실험처럼 원판을 잡지 않았던 것이 오차의 원인인 것 같다. 원판의 무게까지 합한 질량을 구한 뒤에 을 설정했어야 했는데, 그러지 않아서 큰 오차가 생긴 것으로 추정된다.
3. 고찰
이번 실험을 통해, 실에 일정 무게를 가진 추를 매달고 도르래에 연결하여 힘을 이용해 직접 용수철 저울을 당겨보면서 힘의 크기에 대해서 느껴볼 수 있었습니다. 각자 다른 방향으로 작용하고 있는 힘에 대해서 알아볼 때, 자유 물체 도형으로 나타내는 등 주어진 문제를 도식화하는 능력을 기를 수 있었습니다. 또한, 뉴턴의 법칙을 성분으로 표기하여 성분과 성분으로 나누어 계산하고, 삼각함수의 원리를 이용하는 등 복합적인 문제 해결을 해봄으로써 힘이라는 물리량에 대해 더욱 친숙해질 수 있었습니다. 실험을 통해 도출해낸 데이터를 그래프로 나타내고, 실험을 통해 알게 된 힘의 합력 공식을 이용해서 대칭형 힘의 합력 그래프는 코사인함수 그래프 개형으로 나타난다는 것을 새롭게 알게 되었습니다.
특히, 이번 실험에는 조원들과 다양한 토론을 통해 실험 매뉴얼에 나와 있지 않은 부분까지도 생각해내고, 그 아이디어를 실험 과정에 직접 활용해보면서 뿌듯함과 성취감을 느낄 수 있었습니다. 다음 실험에도 실험 전에 풍부한 내용의 예비보고서를 작성하면서 주어진 내용 이외에도 실험에 도움이 될만한 것들을 더욱 준비해야겠다는 다짐을 하게 되었습니다.
4. 조별 토론
1 2
3 4
아무런 장치도 없이 실험을 하려고 하니, 가 동일하게 맞춰지지 않거나 실이 계속해서 움직이는 등 예기치 못했던 상황이 일어났습니다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 조원들과 수차례 토론과 실험을 거듭했습니다. 토론 결과, 다양한 해결책들이 도출되었습니다.
먼저, 손으로 각도기를 잡고 측정하는 것이 굉장히 어려웠습니다. 이 문제를 해결하기 위해서 저희 조는 사진 1처럼 원판 가운데에 뚫려 있는 구멍에 실을 넣고 구멍보다 큰 매듭을 지어 원판이 매듭으로 고정될 수 있게 하여 사진 2와 같은 방법으로 값을 측정했습니다.
원판을 고정했음에도 불구하고, 실이 계속 움직이면서 양쪽 실의 길이가 계속해서 바뀌었습니다. 이 문제를 해결하기 위해서 사진 3처럼 실을 반으로 접은 뒤 접힌 곳에 색을 칠해서 중심점을 잡고, 용수철 저울이 색칠된 곳에 위치하도록 했습니다. 또한, 사진 4처럼 스마트 폰에 있는 자를 이용하여 테이블부터 추까지의 길이를 재서 양쪽 길이를 동일하게 세팅할 수 있었습니다.

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일반물리실험,   힘의 평형