[자연과학] 물리학 실험 - 힘의 평형 실험

1. 실험이론

-실험 목표 : 힘의 개념과 단위를 정의하고, 힘의 합성대를 이용하여 몇 개의 힘이 평형이 되는 조건을 이해를 한다.
-실험 원리 : 어떤 물체가 외부로부터 힘을 받지 않아서 원래의 상태를 계속 유지하고 있을 때, 그 물체는 평형상태(알짜힘이 0)에 있다고 한다. 이러한 경우는 가속도가 0이므로 물체는 관성에 의한 정지상태, 등속직선 운동상태 등 힘이 작용하지 않는 상태에 있는 것이다. 힘은 크기와 방향을 가진다. 그 힘의 방향은 가속되는 방향과 같으며 벡터로 표시 할 수 있다. 벡터로 표시하면 힘의 방향을 화살표의 방향으로 나타내고 힘의 크기를 길이로 나타내어 다른 힘과의 합성 및 분해가 용이하다. 힘의 합성은 임의의 물체에 여러 개의 힘이 작용할 때 여러 개의 힘이 동시에 작용하여 나타나는 하나의 힘으로 표현하기 위한 것이고, 반면 힘의 분해란 물체에 하나의 힘이 작용하는 것을 여러 개의 힘으로 나누어 표현하기 위한 것이다. 따라서, 여러 힘을 받고 있는 물체가 평형상태에 있으려면 다음과 같은 두 가지 조건이 필요하다.

(1) 제1 평형조건 : 정역학적(정적, 선형적) 평형상태, 즉 정지 또는 등속직선 운동상태를 유지하기 위해서는 모든 외력의 합(벡터의 합)이 0이 되어야 한다.

(2) 제2 평형조건 : 동력학적(동적, 회전력) 평형상태, 즉 정지 또는 등속회전 운동상태를 유지하기 의해서는 임의의 축에 관한 모든 힘의 모멘트, 즉 토오크의 합이 0이 되어야 한다.

힘…(생략)

2.추

3.수준기

4.그래프 용지

(1) 합성대의 수평을 확인한다. : 수준기를 이용해서 합성대가 수평이 되도록 조절나사 S를 사용해서 맞춘다.

(2) 먼저 임의의 질량을 추걸이 A에 올려놓고 나머지 추걸이 B, C에 적당한 추를 달과 각도를 조절하여 평형상태가 되도록 맞춘다. 추걸이 A, B, C 힘으로 선택한다.

(3) 평형이 이루어졌으면 이를 확인하기 위해서 중앙의 가락지를 흔들어도 다시 중앙에 정지되는지 확인하고, 추 A, B, C의 질량이 , , 와 각각의 각도 , , 를 기록한다.

(4) 같은 실험을 추의 질량을 바꾸어 가며 5회 실시한다.

(5) 이상의 결과를 가하학적 방법과 해석법으로 구하여 실측치와 비교한다.