본문/내용
동영상 장비를 이용한 포사체 운동
[1] 실험 목적
포사체의 포물선 운동을 수직방향과 수평방향의 운동으로 나누어 분석해 보고, 이를 통하여 위치에너지와 운동에너지의 역학적 에너지보존을 확인한다.
[2] 실험 기구
I-CA system, 스크린, 발사장치 및 형광구, 발사장치 고정용 클램프
▲ 장치 모형
[3]실험 이론
그림 1 처음속도 로 원점을 떠나는 포물체의 포물선 경로
포물체가 시간 에서 속도로 원점 에서 벗어난다고 가정하면,
속도 가 축과 의 각을 이루면, 이 각 를 투사각이라 한다.
여기서 코사인과 사인함수의 정의에 의해 처음의 속도의 와 성분은 다음과 같다.
성분인 , 에 의해 포사체의 수평거리는 다음과 같다.
(1.1)
성분인 , 임을 이용하여 포사체의 수직거리는 다음과 같다.
(1.2)
그런 다음 을 대입하면
(1.3) 을 얻는다.
포물체 운동은 등가속도 2차원 운동의 특별한 경우이므로, 방향으로의 가속도가 0이고 방향으로 인 운동으로 다룰 수 있다.
따라서 포물체 운동을 분석할 때 이를 수평방향 등속운동과 수직방향 자유낙하 운동의 중첩으로 간주할 수 있다. 포물체 운동…
운동에너지가 감소하고, 운동에너지가 증가하면 위치에너지가 감소하는 것을 역학적 에너지의 전환이라 한다.
이렇게 역학적 에너지가 서로 전환될 때, 마찰이나 공기의 저항 등으로 손실되는 에너지가 없다면 감소하는 양과 증가하는 양은 항상 같다. 따라서 물체가 가지는 위치에너지와 운동에너지의 합인 역학적 에너지가 일정하게 유지되는데, 이것을 역학적 에너지가 보존된다고 한다. 이 법칙에 따르면, 어느 부분에서든 운동에너지와 위치에너지의 합이 일정해야 한다. 이것을 토대로 초기운동에너지와 최고점에서의 위치에너지의 값이 유사해야 한다는 것을 알 수 있는데, 실험 결과 이론대로 같은 값이 나와서 역학적 에너지가 보존된다는 것을 확인하게 되었다. 그 외의 값들도 오차율이 비교적 작은 편이라 실험이 잘 이루어 졌던 것 같다. 단 한 가지, 수평도달거리 소요시간의 오차율이 27%로 예상 외로 큰 값이 나왔는데, 이는 카메라 촬영 프레임 수가 정해져 있어 포사체 운동의 정확한 종료지점을 맞출 수 없어서 오차가 발생하였다. 또한 카메라와 실험면의 정확한 평행이 이루어지지 않았던 것도 오차를 발생시키는 요인이 될 수 있었을 것이다. 이러한 세세한 사항까지 고려를 해서 오차를 최대한 줄일 수 있도록 노력해야겠다.