[자연과학] 물리학 실험 - 2차원 충돌 장치에 의한 선운동량 보존

물리학 실험 - 2차원 충돌 장치에 의한 선운동량 보존

(1) 목적

두개의 쇠공을 충돌시켜 충돌 전후의 속력을 측정함으로써 충돌 전후의 선운동량을 비교하여 선운동량 보존법칙을 이해한다.

(2) 이론

정지하고 있는 질량 인 입자에 질량 인 입자가 속도 으로 충돌하면 이 두 입자는 그림 1과 같이 운동한다.

그림 1. 2차원 충돌

이 충돌에서 외력은 이므로 선운동량은 보존된다. 즉,
이다. 위 식을 입사방향을 축, 이와 직각방향을 축으로 하는 좌표계에서 성
분으로 표시하면,
이다. 또, 이 충돌이 탄성충돌이라면 충돌 전후의 계의 운동에너지가 보존되어야
하므로
만약, 입사입자 과 표적입자 의 질량이 같다면
이 되어, 충돌 후 두 입자의 진향방향은 직각을 이루게 된다. 즉,
(3) 실험기구

그림 2. 2차원 충돌 실험도구

- 2차원 충돌장치, 질량이 같은 쇠공 2개, 수직기, C형 클램프, 먹지, 1m자, 각도기 1개, 버니어캘리퍼
(4) 실험 방법

그림 3. 2차원 충돌장치

1) 2차원 충돌장치를 실험대 끝에 C형 클램프로 고정하고, 수직기를 연결한다.

※…(생략)

2) 질량이 같은 두 개의 쇠공을 준비하여 하나는 표적구로, 또 하나는 입사구로 사용한다.

3) 표적구 없이 입사구를 일정한 높이의 기준점에서 굴린다. 입사구가 떨어진 장소와 수직기 끝점이 지시하는 지점과의 수평거리 를 5회 측정하여 평균을 구한다.

4) 입사구가 낙하한 수직거리 를 측정한다.

5) 과정 (3), (4)의 측정값으로서 입사구의 속력 을 구한다.

6) 표적구를 입사구와 약 40°의 각을 유지하도록 올려놓고 과정 (3)에서 정해 놓은 기준점에서 입사구를 굴러내려 충돌시킨 후 두 공이 떨어진 지점의 수평 거리 과 , 입사방향과 이루는 각 과 를 측정한다. 이와 같은 과정을 5회 반복하여 평균을 구한다.

① 측정

② 계산