[자연과학]물리학 및 실험 - 충돌 및 운동량 보존

[충돌 및 운동량 보존]
●실험목적
충돌하는 두 물체의 운동을 통하여 선운동량이 보존됨을 확인하고 역학적 에너지도 보존됨을 확인한다.
●이론
운동량보존법칙이란 한 입자에 작용하는 힘은 그 입자의 운동량을 변화시키므로 어떤 입자
가 외부로부터 다른 힘이 작용하지 않는다면 그것의 운동량은 시간이 지나더라도 같은 값을
가지고 운동량은 보존된다.
이러한 관계는 입자가 많이 있는 경우도 성립하고, 입자가 많이 모여 있는 입자계의 총
운동량은 외부에서 받는 전체의 힘에 의해 변화되게 된다.
충돌과 운동량보존은 두 공이 서로 충돌하여 되튀어 나가는 과정이라고 할 수 있다. 이때
충돌이 일어나는 극히 짧은 시간 동안 두 공은 서로에게 큰 힘을 미치게 된다. 공1이 공2로
부터 받는 힘을, 공2가 1로부터 받는 힘으로 한다면 이 두 힘은 작용과 반작용으로서 크기
가 같고 방향이 반대가 되므로 각각이 받는 충격량 역시 크기가 같고 부호가 반대가 되어
이들이 변화시킨 운동량도 반대의 값을 갖는다.
따라서 충돌하는 과정에서 두 공의 운동량의 합은 항상 일정하게 유지되고, 두 물체가 외력
을 받지 않는다면 입자계의 운동량보존법칙에 따라 당연히 위 관계가 성립해야 한다. 그러
나 충돌이 극히 짧은 시간에 일어난다면 비록 외력이 있더라도 충돌 전후의 운동량은 보존
된다고 말 할 수 있다. 예를 들어 방망이로 야구공을 치는 경우라면 공이 중력을 받고 있어
외부와 고립된 것이 아니지만 과격이 일어나는 시간이 극히 짧고 그 시간동안의 접촉 힘은
중력에 비하여 훨씬 커서 중력의 영향을 무시할 수 있는 것이다.
●실험장치 및 기구
에어트랙, 압축공기 공급 장치, 포토게이트, 포토게이트 타이머, 글라이더, 범퍼, 추, 받침목
…

1.에어트랙을 수평으로 맞추고, 2개의 포토게이트와 2개의 범퍼+글라이더를 설치한다.

2.글라이더의 질량을 측정하고, 포토게이트 타이머를 gate 모드로 맞춘다.

3.정지해 있는 에 움직이는 이 충돌하는 경우의 실험을 한다.

4.정지해 있는 에 움직이는 이 충돌하는 경우의 실험을 한다.

5.정지해 있는 에 움직이는 이 충돌하는 경우의 실험을 한다.

6.정지해 있는 에 움직이는 이 충돌하는 경우의 실험을 한다.

7.정지해 있는 에 움직이는 이 충돌하는 경우의 실험을 한다.

8.과 가 서로 반대방향에서 와서 충돌하는 경우의 실험을 한다.

9.과 가 서로 반대방향에서 와서 충돌하는 경우의 실험을 한다.

10.과 가 서로 반대방향에서 와서 충돌하는 경우의 실험을 한다.

11.각 실험에 대한 시간과 속도 운동량을 측정하여 오차를 확인한다.

[충돌 및 운동량 보존]

* 포토게이트를 통과하는 물체의 길이 * 충돌 전 글라이더가 포토게이트를 통과한 시간

* 충돌 후 글라이더가 포토게이트를 통과한 시간 * 충돌 전 글라이더의 속도

* 충돌 후 글라이더의 속도 * 충돌 전 글라이더의 운동량

* 충돌 후 글라이더의 운동량 * 충돌 전 운동량

A. 정지해 있는 에 움직이는 이 충돌하는 경우

0.13

0.283kg

0.283

0.457

0.483

0.284

0.269

0.080

0.076

5.3

0.489

0.565

0.266

0.230

0.075

0.065

0.257

0.277

0.506

0.469

0.143

0.132

7.7

0.283

0.329

0.459

0.395

0.140

0.111

0.283

0.329

0.459

0.395

0.140

0.111

B. 정지해 있는 에 움직이는 이 충돌하는 경우

0.13

0.13

0.383

0.283