탄성 및 비탄성 충돌

탄성 및 비탄성 충돌

1) 실 험 목 적

탄성 충돌 및 비탄성 충돌 실험을 통해 운동량 보존 법칙, 에너지 보존 법칙 및 반발계수를 이해한다.

2) 실 험 이 론

1. 초속도 구하기

[Figure. 1]
Fig. 1과 같이 질량 인 물체가 진자에 충돌을 하면, 진자는 흔들려서 일정 높이 에 도달하게 된다. 이 때, 진자가 도달한 높이 에 의하여 진자의 위치에너지를 계산할 수 있다. 위의 그림과 같이 비탄성 충돌을 하는 경우, 운동 전후의 계의 전체운동량 는 보존되므로

(1)

이다. 이때, 구슬의 질량은 , 속도는 , 충돌 후 구슬과 합쳐진 진자의 질량은 , 속도는 이다. 또한, 는 순수한 진자의 질량이다. 운동량 는

(2)

이다. 는 충돌 직후의 진자의 운동에너지이다. 에너지 보존 법칙에 따라서 운동에너지 는 위치에너지 로 바뀌게 되므로

(3)

이다. 여기서 는 중력가속도이고, 는 질량중심이 올라간 높이이다. 이므로

(4)

가 된다. 따라서 구슬의 초속도 는

(5)

이다. 그러므로 이 식에서 와 , , 을 알면 초기속도 를 알 수 있다.

2. 비탄성 충돌

[Figure. 2]
Fig. 2 와 같은 비탄성충돌 실험에서도 충돌 전후에 계 전체의 운동량은 보존된다.

(1)

구슬과 진자의 비탄성 충돌에서 충돌 전의 계 전체의 운동에너지는
(6)
이고, 충돌 후의 계 전체의 운동에너지는
(7)

이다. 이 때 운동량 보존 법칙에 따라서

(8)
이므로, 충돌 후의 진자의 에너지는
(9)
…

(11)

(12)

(13)

(1) 진자의 아래쪽에 달려있는 추를 완전히 제거한다.

(2) 진자의 Rotary Motion Sensor 를 0도에 맞춘다.

(3) Launcher 의 세기를 2단으로 맞춘다.

(4) Fig. 1 과 같이 진자의 방향을 세팅하고 launcher 의 공을 발사시켜 각도 를 측정한다.

(5) 측정된 각도 를 표에 기록한다

(6) (2)에서 (5)의 과정을 5회 반복하여 진자가 올라간 각도 의 평균값을 구한다.

(7) 식 (5)를 이용하여 초속도 를 계산한다.