[자연과학] 일반 물리학 실험 - 힘과 가속도 실험 결과보고서

힘과 가속도 실험 결과보고서

1.실험목적

일정한 크기의 중력은 수레에 가하면서 시간에 대한 수레의 속도 변화를 측정하여 등가속도 운동을 이해하고 힘의 크기와 수레의 가속도 및 질량의 관계를 구하여 Newton의 제2법칙을 이해한다.

2.실험 원리

한 입자의 운동량의 변화는 다른 입자와의 상호 작용에서 기인하는데, 이 상호 작용은 힘이라는 개념으로 나타낸다. Newton의 제2법칙으로부터 힘 F는
F〓 dp/dt (식5.1)
로 나타내고 이 관계식은 한 입자의 운동량의 시간 변화율은 “입자에 가해진 힘과 같다” 라는 것을 나타낸다. 운동량의 정의로부터 식 (5.1)은
F〓m×d(mv)/dt (식5.2)
로 쓸 수 있고, 질량이 일정한 경우에는
F〓m×dv/dt(식5.3)
혹은
F〓ma(식5.4)

가 된다.

(식5.4)에서 힘이 일정하면 가속도(a〓F/m) 또한 일정하고 가속도의 방향은 힘의 방향과 같은 방향임을 알 수 있다.
x방향의 일차원 등가속도 직선 운동인 경우 초기 시간이 t 이고 초기 속도를 v 라고 하면
v〓v+aｘ(t-t) (5.5)
X〓X+V(t-t)+1/2aｘ(t-t)² (5.6…(생략)

4.실험 방법

①추와 추길이는 제외하고 힘과 가속도 실험 장치를 설치한다. 수평조절나사를 돌려 수평을 맞추고 수레가 스스로 굴러가지 않음을 확인한다. 트랙 위의 눈금자가 실험자에 가까운 쪽을 향하도록 트랙의 방향을 정한다.

②수레와 추걸이의 질량을 측정한다.

③추걸이를 설치하고 수레를 최대한 당겼을 때 추걸이가 도르래에 닿지 않도록 멈춤 장치 1의 위치를 정하여 고정한다. 그리고 추걸이가 바닥에 닿기 전에 수레가 멈출 수 있도록 멈춤 장치 2의 위치와 실의 길이를 조정한다(추와 추걸이가 낙하하여 바닥에 부딪히면 추걸이가 쉽게 파손된다.)

④수레에 부착된 측정 테이프를 잘 인식하도록 두 포토게이트의 높이를 조정한다.

⑤측정테이프의 폭을 측정한다

⑥수레 중심이 멈충장치로부터 약 10cm 떨어진 위치를 수레의 출발 위치 x로 정한다.

⑦x로부터 10cm 오른쪽으로 떨어진 위치에 포토게이트1를 설치한다. 그리고 포토게이트2는 포토게이트1과 10cm 떨어지도록 위치시킨다.

⑧추걸이에 10g의 추를 단다.

⑨포토게이트 계시기의 측정 모드를 GATE로 선택한다. 수레 중심을 x에 위치시킨 후 손을 놓아 출발시켜 수레의 측정 테이프가 두 포토게이트를 각각 지나는 시간 간격 t와 t를 측정한다.

⑩측정 테이프의 폭을 시간 간격 t와t로 나누어 속도 v와 v를 각각 구하고, v-v를 계산한다.

⑪포토게이트 2의 위치를 10cm씩 오른쪽으로 이동시키면서 ⑨~⑩의 과정을 반복한다.

①추걸이를 단다.

②임의의 지점에 포토게이트1과 포토게이트2를 설치하고 두 포토게이트의 위치 x와 x를 측정한다.

③포토게이트 계시기의 측정 모드를 GATE로 선택한다. x에서 차를 출발시켜 포토게이트 계시기에 측정된 시간 간격t와 t를 기록한다.

④측정 테이프의 폭을 시간간격t와t로 나누어 속도 v와 v를 각각 구하고 식(4.7)을 이용하여 가속도를 계산한다.

⑤추의 질량을 5g씩 증가시키면서 ①~④의 과정을 반복한다.

⑥추와 추걸이에 의한 힘(W〓mg)과 수레의 가속도와의 그래프를 그린다.

①추걸이에 10g의 추를 단다.

②임의의 지점에 포토게