[자연과학][물리학 실험] 구심력 측정

[물리학 실험] 구심력 측정

1. 실험 목적

회전 운동하는 물체가 갖는 구심가속도와 구심력을 이해하고, 특정 운동에서 실제로 구심력 역할을 수행하는 힘과 회전운동으로부터 측정한 구심력의 관계를 이해한다.

2. 이론

구심가속도
궤도의 곡률중심을 향하는 방향의 가속도 성분. 특히 등속원운동에서는 원의 중심을 향한다. 물체의 속도의 방향과 항상 수직한 방향, 즉 운동궤도의 법선방향으로 향하므로 법선가속도(normal acceleration)라고도 한다. 직선운동을 하는 물체가 곡선운동을 하기 위해서는 운동방향에 수직인 힘을 받아야 한다. 이렇게 운동방향에 수직인 가속도 성분은 곡선궤도의 곡률중심을 향하게 된다. 그리고 물체의 속력을 v, 궤도의 곡률반지름을 r이라 하면 구심가속도는 v2/r과 같다. 물체가 등속원운동을 하고 있을 경우에 곡률중심은 원의 중심과 일치한다. 구심가속도는 곡선궤도의 법선방향을 향하므로 법선가속도라고도 한다. 법선가속도가 물체의 운동방향을 바꾸는 효과를 주는 것에 비해, 속도의 방향과 평행인 접선가속도는 물체의 속력을 증감하는 효과를 준다.
구심가속도의 크기 : 물체가 원 운동하는 주기 T :
구심가속도와 주기와의 관계 :
탄성력
외부의 힘에 의해 변형된 물체가 원래의 모양으로 되돌아가려는 힘을 탄성력(복원력)이라고 한다. 탄성력의 크기와 방향은 훅(Hooke)의 법칙으로 알려져 있다. 탄성한계 내에서 물체가 변형되었을 때 탄성력의 크기는 변형된 정도에 비례하고 방향은 변형된 방향과 반대로 작용한다. 아래 그림(a)와 같이 늘어나지 않은 용수철에 힘을 작용시켜 …
예) 탄성계수가 30N/m인 용수철이 외부력에 의해 탄성한계 내에서 10cm(0.1m)늘어났다면 이 때 용수철에 작용하는 탄성력의 크기는 3N이 된다.

3. 실험장치

(1) A-스탠드

(2) 실험키트

(3) 회전막대

(4) 직류모터, 직류전원장치

(5) 초시계, 수준기, 실, 추, 전자저울

4. 실험절차

(1) 3중고리추의 질량을 측정한다.

(2) 3고리중추를 왼쪽으로 잡아당겨서 3중추를 매단 실이 측면 추걸이 기둥의 연직선 홈에 정확히 일치할 때 3고리중추와 도르래 사이에 연결된 실이 수평을 이루도록 실 조임나사를 돌려 3중추의 높이를 조절한다. 측면 추걸이 기둥의 윗면에 부착된 실 조임나사에 실을 감거나 감긴 실을 푸는 방법으로 3중추의 높이를 조절할 수 있다. 높이조절이 끝나면 실 조임나사를 돌려 실을 고정시킨다.

(3) 3중고리추를 왼쪽으로 잡아당겨서 3중고리추를 매단 실이 측면 추걸이 기둥의 연직선의 홈에 정확히 일치되게 만든 상태에서, 중앙 표시 기둥에 부착된 지표 브래킷의 높이를 조절하여 지표판과 그 높이를 일치시킨다.

(4) DC모터의 리드선을 직류전원장치에 연결한다. 직류전원장치를 Off시킨 상태에서, 직