[자연과학] 물리학실험 - 역학적 에너지 보존

1. 실험제목

역학적 에너지 보존

2. 실험목적

물체가 경사진 면을 미끄러질 때 일어나는 에너지 변환을 체험하면서 그때의 위치에너지 손실과 운동에너지의 이익이 서로 같아짐을 확인하여 역학적 에너지 보존법칙이 성립함을 알아본다.

3. 관련이론

에너지보존법칙에 의해, 에너지는 물체간의 상호작용을 통하여 다른 물체로 이동할 수 있으며 형태를 바꿀 수는 있지만 그 동안 생성되거나 소멸함 없이 그 합은 항상 일정하다.
예를 들어, 위로 던진 공은 운동에너지가 감소하면서 위치에너지는 증가하고, 다시 내려오는 동안에는 위치에너지는 줄면서 운동에너지가 증가하게 된다. 보존력에 의해, 위 에너지들의 합은 항상 일정하고, 이 합을 역학적 에너지 라고 한다.
물체가 경사면을 따라 내려오는 운동을 할 때, 물체는 운동에너지를 가지게 되며, 이에 비례하여 운동하기 전에 가지고 있던 위치에너지는 감소하게 된다. 경사면을 다 내려오고 나면, 물체는 위치에너지를 모두 소모하게 되므로, 경사면 꼭대기에서의 위치에너지 만큼의 운동에너지를 가지게 된다.
(운동에너지)+(위치에너지)〓(역학적에너지)
포토게이트로 속도를 측정할 때, 두 구간 사이의 운동에너지는 그 구간 사이에서 잃은 위치에너지와 같으므로
이 성립한다.
따라서 감소한 높이는
를 이용해, 구할 수 있다.
경사면을 삼각형으로 볼 때, 빗면의 길이와 높이의 길이의 비는 항상 일정하므로, 이를 이용해 빗면의 길이에 따른 이론값 h`를 구할 수 있다.
위의 식을 이용해 구한 h 값과 h`의 값을 비교하면 역학적 에너지 보존을 확인할 수 있다.

4. 실험방법

① 에어트랙을 수평하게 놓고 에어트랙 받침대 사이의 거리 를 측정한다.

② 에어트랙 한쪽 받침대 아래에 높이를 알고 있는 막대를 놓는다.

③ 에어트랙 위에 두 포토게이트를 적당한 거리 간격으로 설치하고, 포토게이트 사이의 거리 를 측정하여 기록한다.

④ 글라이더(glider)의 플래그(flag) 길이 과 질량 을 측정하여 기록한다.

⑤ 글라이더의 질량 을 측정하여 기록한다.

⑥ 포토타이머를 gate 모드에 놓고 리셋(reset)단추를 누른다.

⑦ 글라이더를 비탈면 꼭대기에 놓고 포토게이트를 통과하며 미끄러지게 한 후 첫 번째 포토게이트를 통과한 시각 을 기록하고 두 번째 포토게이트를 통과한 시각 를 기 록한다. 이렇게 얻어진 결과로 글라이더가 각각의 포토게이트를 지날 때의 속력 과 를 구한다.

⑧ 글라이더의 질량과 측정한 속력으로부터 역학적 에너지 보존법칙을 이용하여 낙하거리를 이론적으로 계한한 뒤 이를 포토게이트 사이에서 글라이더가 낙하한 거리

…

⑨ 과정 ⑥~⑧을 세 번 반복한다.

⑩ 글라이더에 준비된 두 종류의 추를 하나씩 달아 글라이더의 질량을 바꾸어 각각에 대해서 과정 ⑥~⑨를 반복한다.

⑪ 위로부터 얻어진 결과로 역학적 에너지가 보존됨을 확인한다.

5. 실험결과