[일반 물라학 실험] (결과) 04장 힘과 가속도

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[일반 물라학 실험] (결과) 04장 힘과 가속도에 대한 보고서 자료입니다.

목차

일반 물라학 실험(Ⅰ) - 결과
주제 : 힘과 가속도


※ Newton의 제 2법칙

측정값
a. Newton 제 2법칙 <첨부 1>
b. Fan의 각도 변화에 따른 가속도 측정 <첨부 2>


질문 및 토의

※ 접착 이론
※ 정전기 이론

실험결과 및 검토

본문내용

.7+30.1+30.5g 씩 늘리면서 실험을 하였다. 실험의 정확성을 위하여 질량변화에 따른 각각의 실험마다 5회씩 반복 실험, 관찰, 측정하여서 그 평균값을 계산하여 기록하였다. 그리고 질량변화에 따른 가속도 변화, 질량변화에 따른 힘의 변화, 가속도 변화에 따른 힘의 변화를 각각 시각적으로 알기 쉽게 그래프를 그려보았다.
측정값과 그래프를 통하여 질량 m이 증가하면 가속도 a는 감소한다는 것을 알았다. 즉 질량 m과 가속도 a는 반비례관계이며 다음의 Newton 제 2법칙
F = ma (F : 힘, m : 질량, a : 가속도)
의 식을 실험을 통하여 알았다.
b. Fan의 각도 변화에 따른 가속도 측정 <첨부 2>
이 실험에서도 팬이 달린 차량과 속도 센서를 이용하여 Fan의 각도 즉, 가속도의 벡터량 변화에 따른 힘의 크기 즉, 힘의 벡터량의 변화에 대해서 알아보았다. 첫 번째 실험과 마찬가지로 두 개의 빛 센서를 1m의 간격을 두고 초기 속도 v0와 1m를 지난 후의 속도 v를 측정하여 가속도를 구하였다. 차량이 1m를 지나면서 걸린 시간 t는 (거리 1m / 속도변화)을 이용하여 구하였으며 그때의 가속도 a는 (속도변화 / 걸린시간 t)을 이용하여 측정 계산하였다. 그리고 Fan의 각도를 5도씩 늘리면서(4°～45。) 실험을 하였다. 실험의 정확성을 위하여 각도변화에 따른 각각의 실험마다 5회씩 반복 실험, 관찰, 측정하여서 그 평균값을 계산하여 기록하였다. 그리고 Fan의 각도에 따른 가속도 변화, 힘의 변화, 가속도 변화에 따른 힘의 변화를 각각 그래프를 그려보았다.
이번 실험에서는 오차가 많이 있었다. 하지만 전체적으로 측정값을 관찰하면 Fan의 각도 θ가 증가할수록 차량의 가속도 a는 감소하였다. 그리고 가속도 a가 감소할수록 차량에 받는 힘 F도 감소하였다. 즉 각 θ의 변화는 물체의 가속도 a\'의 방향(a cosθ), 힘 F\'의 방향(F cosθ)에 영향을 주었다. 즉, 가속도 a와 힘 F는 비례관계이며 벡터량임을 알았다.
F\' = ma\'
= ma*cosθ
(F\' : 힘(벡터량), m : 질량, a\' : 가속도(벡터량))
질문 및 토의
1. 트랙과 차량사이의 정지 마찰력의 영향을 줄일 수 있는 방법을
생각해보고 실험에 적용한 결과를 보이시오.
※ 마찰력이란 어떤 물체가 어떤 평면이나 물체위로 이동할때 그 이동을 방해하는 힘으로 접촉면의 성질과 이동하는 물체의 질량에 따라 달라진다.
마찰력은 크게 정지 마찰력과 운동 마찰력으로 나누어지며 최대 정지 마찰력을 기점으로 하여 정지 마찰력이 운동 마찰력으로 변화되며 이때 물체는 이동하게 된다.
정지 마찰력이란 물체가 정지하고 있을때 생기는 마찰력으로 그힘의 크기는 가해주는 힘의 크기와 같고 방향은 가해주는 힘의 방향의 반대 방향과 같다.최대 정지 마찰력에 다다를 때 까지 정지 마찰력은 가해주는 힘의 크기에 비례하여 똑같이 증가하며 최대 정지 마찰력에 다다르면 운동 마찰력으로 변화한다.
운동 마찰력이란 운동하는 동안 생기는 마찰력으로 그 크기는 가해주는 힘의 크기에 관계없이 일정하며 그 방향은 가해주는 힘의 방향의 반대 방향이다.
최대 정지 마찰력이란 정지 마찰력이 증가할때 까지 증가하여 더이상 증가 하지 않는 상태이며 최대 정지 마찰력에 다다를때 물체의 마찰력은 정지 마찰력에서 운동 마찰력으로 변화하며 운동하게 된다
※ 접착 이론
아무리 매끄러운 금속 표면이라도 이들 표면들이 순간적으로 접착되면 접합점들이 만들어 진다. 미끄러지는 동안 이러한 결합들이 계속 만들어지고 잘려 나간다. 마찰은 이러한 접합된 부분이 잘려 나가는 과정에서 생긴다. 접해있는 두 종류의 금속 중 더 부드러운 금속 내부에서 이러한 잘림이 생겨서 작은 부스러기들이 튀어나오게 된다. 이것을 \'접착이론\'이라고 부른다. 진공상태에서 매우 깨끗한 표면에 아무런 압력을 가하지 않아도 이러한 접합은 일어난다.
(파리나 모기는 이러한 부착력의 도움으로 유리창에 수직으로 붙을 수도 있음)
※ 정전기 이론
표면들이 서로 미끄러질 때 한 표면에서 다른 표면으로 전하가 이동한다. 그 결과 서로 반대의 전하를 갖게되는 표면들 사이에는 정전기적 인력이 발생해 마찰이 생기게 된다. 유리 막대를 모피 조각에 문지르면 마찰에 의해 유리 막대가 전하를 띠는 것은 이미 알려진 사실이다. 이렇게 전하가 분리되는 현상은 부도체일 경우에 더 잘 일어나게 된다.
(식품 포장용기의 랩(wrap)은 정전기적 인력 현상)
- 실험시 작용할 수 있는 모든 변인을 통제한다.
실질적으론 불가능한 일이다. 접촉면의 재질, 환경의 영향(온도, 습도 등)의 영향을 완전히 통제하기란 불가능하다. 그렇기 때문에 매 실험마다 실험 결과의 차이가 나고 측정값의 오차가 생긴다. 하지만 오차를 줄이기 위해서는 최소한 모든 장비는 청결히 유지 되어야하며 실험 결과에 미칠 수 있는 장비 결함들은 없어야 한다.
- 차량의 무게를 줄인다.
- 바퀴와 트랙 사이에 기름칠을 한다.
(마찰력이 있는 부분에 기름칠을 하여 최대한 요철의 작용을 줄인다.)
- 공기부양선의 원리를 이용하여 작은 공기부양선을 가지고 실험을한다.(고무풍선을 이용하여 실험할 때 바람을 믿으로 내뿜는다.)
- 실험을 반복 시간을 늘여 정전기를 없앤다.
실험결과 및 검토
트랙, Fan이 달린 차량, 속도 센서를 이용하여 Newton 제 2법칙 F = ma 즉, 힘과 가속도의 관계는 비례 관계이며 또한 가속도와 질량의 관계는 반비례 관계이며 그리고 힘과 가속도는 벡터량임을 알았다.
- 힘은 가속도에 비례하며 가속도는 질량과 반비례한다.
- 힘과 가속도는 벡터량이다.
F\' = ma\' = ma*cosθ
(F\' : 힘(벡터량), m : 질량, a\' : 가속도(벡터량))
하지만 실제로 실험을 실시할 시에 통제 되어야 하는 변인들을 제대로 통제하기 힘들다. 그 결과 두 실험 모두다 각각 5회 실시한 실험 측정값은 모두 달랐다. 그리고 오차의 범위가 눈에 띌 정도로 큰 실험도 있었다. 이러한 점을 감안하였으며 각 실험에서 예상했던 결과를 얻었다. 매번 실험을 하게 되지만 실험을 할 때에는 오차를 줄여 나가는게 큰 관건인 거 같다.

키워드

결과 보고서,   힘,   가속도,   힘과 가속도,   일반 물라학 실험