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힘과 물체의 평형 실험보고서
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실험목적
힘을 받는 물체가 평형상태에 있기 위한 조건을 알아보고 힘의 분해와 합성 및 회전력의 개념을 이해한다.
실험원리
물체에 작용하는 외력의 합이 0이 되거나 회전력의 합이 0일 때 물체는 평형상태에 있다고 한다. 물체의 평형을 논의할 때는 병진과 회전에 관한 평형을 동시에 고려하여야 한다. 따라서 다음과 같은 두 가지 조건을 만족해야 한다.
(1)병진 평형은 물체에 작용하는 모든 힘의 합이 0이 되어야 한다.
(2)회전 평형은 임의의 점에 대한 회전력의 합이 0이 되어야 한다.
이 식은 각운동량이 일정(혹은 0)함을 의미한다.
일반적으로 물체의 평형상태를 논의할 때는 위의 두 조건을 모두 만족해야 한다.
실험1. 힘의 측정-후크의 법칙(Hooke`s Law)
F = ma
뉴턴의 제2법칙을 이용하면, 힘은 질량을 알고있는 물체에 작용하여 일어나는 가속도를 측정함으로 결정할 수 있다. 좀 더 편리한 방법은 조…(생략)
2. 표에 있는 값의 질량이 되도록 추를 매달아 늘어난 길이를 측정한다.
3. F=mg를 사용하여 사용된 전체 무게를 newton([N]) 단위로 기록한다.
4. 용수철의 변위를 x축으로 하여 무게-용수철 변위의 그래프를 그리고 측정값에 가장 잘 맞는 선을 그려라(최소 제곱법을 이용하여 가능한 정확한 선을 그린다.)
5. 또 힘벡터 는 직교하는 두 개의 성분 FB와 FB로 분해할 수 있어서 여러 힘이 작용할 때 는 x와 y성분으로 나누어 각 성분별로 더하여 그 합력을 쉽게 구할 수 있다.
6. 평형력 Fe가 정확하게 합력 Fr과 평형을 이루는가? 측정과 그림을 그리는데 가능한 오차는 무엇인가? F2의 방향을 달리하여 위의 실험을 반복하라.
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어라. 각 벡터의 길이를 힘의 크기에 비례하도록 적당한 배율을 사용하고 각각의 벡터를 표시하라.
5. 그림 위에 평형사변형법을 사용하여 F1과 F2의 합력을 그려라. 합력 Fr을 표시하고 Fr의 길이를 재어 힘의 크기를 구하라. 그리고 이 크기를 그림 위에 표시하라.
6. 평형력 Fe가 정확하게 합력 Fr과 평형을 이루는가? 측정과 그림을 그리는데 가능한 오차는 무엇인가? F2의 방향을 달리하여 위의 실험을 반복하라.
실험 3. 힘의 분배 - 성분
실험 2에서는 합력의 크기와 방향을 결정하기 위하여 한 점에 작용하는 힘을 더 했다. 이 실험에서는 반대로 한다. 두 힘이 더해 졌을 때 같은 효과를 주는 원래의 힘을 구해야 한다. x-y평면에서 어떤 힘 벡터는 x-y축 방향과 ycnrqkdgid으로 작용하는 힘으로 나타낼 수 있다.
실험 기구 및 장치
실험판, 각도판, 고리, 도르레, 추걸이, 추, 실
실험방법
아래 그림과 같이 장치하고 보이는 것과 같이 도르레를 통하여 고리에 작용하는 벡터 F를 결정하라. 용수철 저울과 도르레를 사용하여 도르레 아래쪽으로 줄이 저울과 연결되도록 장치한다. 두 번째 추와 추걸이는 고리에 직접 연결한다. 힘의 수평축 또는 x축 성분을 맞추기 위해 요수철 저울을 도르레 쪽이나 반대로 당긴다. 힘희 수직성분 또는 y축 성분을 맞추도록 수직 축 추걸이의 추를 조절한다. 고리가 고정핀 중앙에 위치하도록 x축과 y축 성분을 조절하라. (이들 x,y 축 성분들은 실제로 F가 아니라 F와 평형을 이루는 평형력이다.)
실험과정(Procedure)
1. F의 크기와 방향을 기록한다. 각은 그림과 같이 잰다.
2. F의 평형력의 x-,y-축 성분들의 크기를 기록한다.
3. F의 x-, y-축 성분의 크기는?
F의 크기와 방향을 달리하여 실험을 반복한다.
4. F의 x-, y- 축 성분 Fx, Fy를 계산하라.
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