중력 가속도의 측정

실험기구 수량 포토게이트 (Photogate ME-6838) 1 피켓 펜스(Picket Fence ;ME-9377A) 1
포토게이트(Photogate) : 포토게이트는 광학적인 방법으로 물체의 운동을 측정하는 기구이다. 포토게이트가 물체의 운동을 측정할 수 있는 모드는 여러 가지가 있는데, 본 실험에서는 펄스(Pulse)모드를 사용한다. 펄스방식에서 시간 측정은 광선이 처음으로 차단될 때 시작되어 그 다음으로 광선이 차단되는 순간까지 이루어진다.
피켓 펜스(Picket Fence) : 균등한 간격의 불투명한 밴드가 있는 플라스틱 조각
Photogate를 통과하여 떨어지는 picket fence의 낙하시간을 측정하여 중력에 의한 가속도를 결정한다.
중력을 받으며 자유낙하하는 물체의 이동거리는 공기저항을 무시할 경우 시간의 제곱에 비례한다.
이 수학적 관계는 Galileo에 의해 처음 제시되었다.
그는 지구상의 모든 물체가 주어진 위치에 대해 균일한 가속도로 떨어진다고 주장했다. 그 크기가 9.8 m/s2 인 가속도를 중력가속도(g)라고 하며, 이 가속도는 지구와 물체 간의 상호작용인 중력에 의한 것이다.
▣ 실험 컨셉
Photogate를 통과하도록 picket fence 를 떨어뜨린다. picket fence의 불투명한 밴드들이 photogate 빔을 순차적으로 차단하므로, 한 밴드가 빛을 차단한 후 다음 밴드가 빛을 차단하는 데 걸리는 시간은 점점 더 짧아질 것이다. 각 불투명한 밴드 사이의 거리를 알고 있으면, DataStudio 프로그램 또는 ScienceWorkshop 프로그램을 사용하여 1개의 밴드에서 다음 밴드까지 picket fence의 평균 속력을 구할 수 있다. 그리고 평균 속력 대 시간 그래프의 기울기를 통해서 떨어지는 물체의 가속도를 구할 수 있다.

4-1. 기기 및 장치 setting

(1) ScienceWorkshop 인터페이스를 컴퓨터에 연결하고 인터페이스를 켠 후 컴퓨터를 킨다.

(2) Photogate의 스테레오 폰 플러그를 인터페이스의 디지털 채널 1에 연결한다.

(3) Data studio를 실행한다.

4-2. Data-Studio program setting

(1) 프로그램은 Picket fence 위에 불투명한 밴드간 간격(leading-edge-to-leading-edge)이 5.00 cm(0.0500 m)를 기본설정으로 하고 있다.

…

(2) 설치된 막대 위에 Photogate를 설치한다. Photogate의 위에서부터 Picket fence가 수직으로 떨어져 Photogate와 부딪히지 않도록 한다.

(3) 그래프 창를 채우기 위해 데이터를 다시 조정하여 실험이 잘 수행될 수 있는지 살펴본다.

(4) 시험적인 운동에 대한 데이터를 삭제한다.

4-3. Data Recording

(1) Picket f