[자연과학] 물리실험보고서 - 중력가속도 실험보고서

[실험제목]
중력가속도의 측정
[목적]
마찰 없는 에어 트랙과 광감지기를 이용하여 마찰이 없는 등가속도 운동을 실험해 봄으로써 가속도 운동의 기본개념을 익히고, 중력가속도를 실제로 측정해 본다.
자유낙하 운동하는 물체의 운동을 이해하고, 중력가속도의 값을 측정한다.
[실험 이론]
마찰을 무시할 때, 각도 만큼 기울어진 비탈면 위에 있는 물체에 적용하는 가속도 의 크기는 이다. 여기서 은 중력가속도의 크기이다. 이 때 가속도는 시간에 따라 변하지 않으며 이 경우 경과한 시간 , 움직인 거리 , 처음 속도 사이에는 다음과 같은 식이 성립한다.
빗면 위에 물체를 가만히 놓을 때는 이므로
이 되고, 따라서 빗면 위에서 거리 를 이동하는 데 걸리는 시간 를 측정하면
위 식으로 부터 중력가속도를 측정할 수 있다.
그림과 같이 정지 상태의 질량 인 구슬을 이용하여 높이 에서 자유낙하 운동을 시킬 때, 물체에 작용하는 힘 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(자유 낙하 운동이므로 가속도 는 중력가속도 로 쓸 수 있다.)
1차원 운동의 경우
정지 상태이므로 초속도…(생략)

(1)번 실험

① 수평자를 이용하여 에어트랙의 수평을 맞춘다.

② 높이 h의 받침목을 에어트랙의 한쪽 끝에 괴고 글라이더를 높은 쪽에서부터 한두 차례 미끄러뜨려 보아 마찰이 없이 잘 내려가는지 확인한다.

③ 포토게이트 타이머를 pulse 모드로 하고 글라이더를 미끄러뜨려 보아 포토게이트 타이머가 주어진 방법대로 동작하는지 확인한다.

④ 높은 쪽에서 글라이더를 정지 상태에서 출발시켜 거리 를 지나는 데 걸리는 시간 를 측정한다. 이때 포토게이트는 글라이더가 출발하자마자 바로 작동할 수 있도록 최대한 글라이더에 가깝게 놓아야 한다.

⑤ 같은 실험을 5회 정도 반복하여 이동시간 의 평균값을 구한다.

⑥ 거리 를 50cm, 100cm의 두 가지 경우에 대해 실험한다.

⑦ 식 를 이용하여 중력가속도 를 계산하고, 이때 에 대한 오차를 설정해 본다.

⑧ 앞의 실험 과정을 받침목의 높이 를 바꾸어 반복한다.

① photogate를 낙하높이를 정한 후 스탠드에 고정시킨다.

② 낙하지점에 충격 완화용 패드를 설치하고, 그 위에 time plate 를 올려놓고 photogate timer에 잭을 연결한다.

③ photogate를 pulse mode에 맞춘다.

④ 낙하높이 h와 구슬의 질량을 측정하여 기록한다.

⑤ 구슬을 photogate 의 아크릴 홀더에 올려 놓고 자유 낙하 시킨다.

⑥ h값을 변화 시킨후 (5)의 과정을 3번 반복하여 시간 t의 평균값을 구한다.

⑦ 구슬의 질량 m 과 지름을 변화시켜 반복 실험한다.

① 각 경우에 photogate timer의 reset 버튼을 눌러 자유낙하 운동 시작 시 초기 시간이 0임을 확인한다.

② 구슬이 자유낙하 할 때 상상 photogate의 센서 구멍을 통과하고 time plate의 중앙에 떨어지도록 한다. (초기 photogate 센싱이나 운동후 time plate에 센싱이 안될 경우 올바른 자유 낙하 시간을 적용할 수 없다.)

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