[자연과학] [실험보고서] 막대의 영률 측정

1. 실험 목적

The Purpose of Experimentation
Ewing 장치를 이용하여 금속막대의 중심에 추를 달아 휘어지게 한 후, 그 중심점의 강하를 마이크로미터로 측정하여 금속막대의 영률을 계산한다.

2. 사용기기

The Equipments for Experimentation
※ 금속 구분하기
구리 : 금속성 갈색 (다소 붉은빛)
철 : 회색의 금속성 광택
황동 : 금속성 황색
- Ewing 장치, 마이크로미터, 버니어캘리퍼스
- 시료막대(구리, 철, 황동)
- 추걸이, 추, 꼬마전구 전원
[그림 1] 막대의 영률 측정 (Ewing 장치) 1)

3. 실험 이론

The Theory for Experimentation
금속막대의 중심에 추를 달게 되면 아래쪽으로 휘어지게 된다. 이렇게 휘어짐으로서 늘어나는 길이()는 원래의 길이()에 비례하여 늘어난다.
⇒ 이때의 늘어난 비율을 변형이라 한다.
상대적으로 굵은 막대가 가는 막대에 비해 잘 휘어지지 않는다. 그래서 막대를 휘게 하는데 드는 힘()은 막대의 단면적()에 비례한다.
⇒ 이때의 단위면적당 힘을 변형력이라 한다.
여기서 막대를 휘게 하기 위해 드는 힘이 크면 막대가 많이 늘어난다는 것을 알 수 있다.
결국 막대의 길이와 단면적이 정해져 있는 상황에서 막대에 가해지는 힘이 커지면(변형력이 커지면) 막대의 길이 변화도 커지게 된다(변형이 높아진다). 따라서 변형은 변형력에 비례한다는 훅의 법칙 (Hooke`s Law)이 도출된다.
단, 이것은 탄성한계 내에서만 적용된다. (훅의 법칙이 적용되는 힘의 한계는 물체에 따라 다르다. 그래서 너무 무거운 추를 매달면 더 이상 훅의 법칙이 맞지 않을 수도 있다. 2))
…

4. 실험 방법

1) 시료막대(구리, 철, 황동)의 길이 , 폭 , 두께 를 여러 번 측정하여 평균한다.

2) 평행판 두 받침날에 시료막대를 나란히 놓고 시료막대의 중점에 추걸이를 단다.

3) 아래 그림과 같이 꼬마전구전원을 연결한다.

4) 추걸이에 추를 늘려가면서 막대의 휨 를 마이크로미터의 눈금을 읽어 기록한다. 추걸이에 겨우 닿을 정도로 나사를 조절하여 눈금을 읽는다. 이 경우 전구에 불이 들어오는 것을 살펴서 알 수 있다.

5) 마이크로미터의 나사를 충분히 올린 후 추를 내려가면서 4)의 실험을 반복한다.

6) 시료를 바꾸어 4)～5)의 실험을 반복한다.

7) 영률을 계산하고 표준 값과 비교하여 본다.

5. 실험 측정 결과

(1) 영률측정

1) 구리