[자연과학]물리학 및 실험 - 탄성충돌 실험과 비탄성충돌 실험

1. 실험목적

탄성충돌 실험과 비탄성충돌 실험을 통하여 에너지보존 법칙과 운동량보존 법칙을 이해한다.

2. 이론

*질량이 똑같은 두 공이 충돌을 하는 경우 완전탄성충돌을 하게 되면 두 물체의 속력은 교환이 되고, 완전비탄성충돌을 하게 되면 두 물체의 운동에너지와 속력이 절반으로 줄어들게 된다. 이 두 가지의 충돌을 좀 더 자세히 표현하면 아래와 같다.
1.완전탄성충돌

(1) 같은 질량(m)의 두 공이 완전탄성충돌하면 속력이 교환된다.

(2) 질량이 작은 물체가 정지중인 질량이 큰 물체에 완전탄성충돌 하는 경우 작은 물체는 튕겨 나온다

(3) 질량이 큰 물체가 정지중인 질량이 작은 물체에 완전탄성충돌 하는 경우 큰 물체는 계속 밀고 나간다.

두 물체가 충돌했을 경우, 에너지 손실이 없는 충돌이다.
예를 들어 어떤 물체 A와 B가 충돌을 했을 때 역학적에너지(운동에너지)가 충돌 후에도 변함이 없었다면
탄성충돌이다. 즉, 두 물체가 충돌한 후에도 운동에너지의 합이 변하지 않는 충돌을 말한다. 탄성충돌 시 처음속도와 충돌 후 속도가 같으므로 반발계수 e값은 1이다.
완전탄성충돌에서 질량이 다른 경우 충돌 후의 속력을 정확하게 확인하려면, 반발계수와 운동량 보존의 법칙을 이용하여 계산해야 한다.
2.완전비탄성충돌
두 물체가 충돌했을 경우, 운동에너지가 보존되지 않는 충돌을 말한다.
예를 들어 진흙덩어리를 바닥에다 떨어뜨리면 거의 튀지 않는다. 진흙덩어리는 재질상 충돌시 운동에너지가 마찰로 인해 열에너지로 전환되거나 물체의 모양을 변환시키는데 사용되었기 때문이다.
이런 경우가 비탄성충돌이고 운동에너지는 감소하게 된다.
비탄성충돌시 반발계수 e값은 0이고, 반발계수에 대해 간단히 식으로 써보면, 벽에 부딪힌 경우
e〓-(v`/v) …

3. 기구 및 장치

4. 실험방법

1) 초속도측정

(1) 진자의 아래쪽에 달려있는 질량추를 완전히 제거한다.

(2) 진자의 각도측정 장치를 0도에 맞춘다.

(3) 대포의 세기를 2단으로 맞춘다.

(4) 그림 2와 같이 실험한다.

(5) 측정된 각도θ를 기록한 후 식(5)를 이용하여 초속도 v를 계산한다.

(6) (1)에서 (5)의 과정을 3번 반복하여 초속도 v의 평균값을 구한다.

2) 완전비탄성충돌

(1) 진자의 아래쪽에 질량추를 1개 추가한다.

(2) 초속도측정과정과 동일하게 실험한다.

(3) 측정된 각도θ를 표에 기록한다.

(4) (3)의 과정을 3번 반복한 후, 질량추를 2개 매달아 (1)에서 (3)의 과정을 반복한다.

3) 완전탄성충돌

(1) 완전탄성충돌 실험을 위하여 진자의 고정대를 풀어서 반대로 연결한다.

(2) 진자의 아래쪽에 달려있는 질량추가 각각 0개, 1개, 2개일때로 실험을 실시한다.

(3) 측정된 각도θ를 표에 기록한다.

5. 실험결과

26.0cm

27.5cm

28.0cm