[자연과학] 물리학 실험 - 역학적 에너지 보존

물리학 실험 - 역학적 에너지 보존
실험 목적
탄성에너지와 운동에너지를 이해하고 더불어 실험을 통해 역학적 에너지 보존을 이해한다.
이론
평형 상태에서 거리 x를 압축시킨 스프링의 탄성력 위치 에너지는 다음과 같다.
여기에서 k는 용수철 상수이다. 이는 Hooke의 법칙에서, 스프링에 가해진 힘은 평행 상태에서 압축되거나 펼쳐진다. 여기에서 k는 용수철 상수이며 이는 다른 힘을 용수철이 늘어난 거리에 적용함으로 실험적으로 측정 된다. 힘이 펼쳐진 거리에 대한 /표가 그려질 때, 그 결과의 직선의 기울기가 k와 같다.
역학적 에너지 보존의 의해 압축된 용수철의 탄성에 의한 위치에너지는 완전히 운동 에너지로 전환될 것이다.
전환된 운동에너지는 다음과 같다.
따라서 역학적에너지는 다음과 같다.
실험 방법

1. Dynamics Track을 실험대 위에 올리고 수평을 맞춘다. 이때 카트를 Dynamics Track 가운데에 올려놓아 보면 카트가 굴러 가지 않으면 수평이 맞는걸 확인 할 수 있다.

2. 힘센서를 아날로그 채널 A에 연결하고 Dynamics Track 왼쪽 끝에 둔다.

3. Picket fence, 카트, 나무토막의 질량을 측정한다.

4. 750인터페이스 전원 on후 컴퓨터를 부팅

5. 데이터 스튜디오를 실행시킨 후 힘센서를 연결한 다음 그래프를 띄운다.

6. 힘센서에 용수철을 연결하고 연결한 반대편에는 카트를 연결한다. 이때 힘센서의 고리부분과 카트의 고리부분이 직선상에 놓이게 한다.

7. Start를 클릭한 후 용수철의 늘어난 길이에 따른 힘의 변화를 그래프로 데이터 처리한다.

8. 의 수식으로 용수철 상수 k값을 결정할 수 있다.

9. 트랙 양 끝에 end stop을 올려놓고 고정시킨다.

10. 적당한 자리에 포토게이트를 설치한다.

11. 데이터 스튜디오 상에 포토게이트 & 피켓펜스를 연결하고 설정에 피켓펜스의 길이를 알맞게 설정해준다.

12. 속도와 시간에 대한 그래프를 띄운다.

13. 왼쪽 end stop에 한쪽 용수철을 연결 한 다음 카트 위에 나무도막을 놀리고 피켓펜스를 고정시킨 다음 나머지 용수철 고리에 카트를 연결한다.

14. 용수철을 적당량 늘린 다음 start를 클릭하고 카트를 놓아 속도가 측정되게 한다.

15. 14와 같은 방법으로 실험을 5회 이상 반복한다.

실험 장비

1. 힘센서 : 최대 50N의 힘을 측정 할 수 있고 장력과 횡압력을 측정할 수 있다. 본 실험에서는 용수철상수를 구하는데 그 목표가 있다.

2. 트랙 : 1.2m의 길이를 트랙을 움직이는데 마찰을 줄이도록 설계되었다.

3. 카트 : 질량이 약 50g으로 양끝에는 end stop과 반대되는 극의 자석이 부착되어 있다.

4. 나무도막 : 중간에 홈이 있어 피켓펜스를 고정할 수 있다.

5. 피켓펜스 : 인식부분의 길이가 0.5m ~10cm까지 5개 종류로 되어있다.

6. 용수철 : 본 실험에서는 압축되지 않고 늘어나기만 하는 용수철로 실험 설계되었다.

7. end stop : 트랙 양옆에 고정시킴으로 카트의 움직임을 제어할 수 있다.

8. 포토게이트 & 피켓펜스 센서 : 피켓펜스의 검은 부분의 길이를 인식하여 피켓펜스 움직임의 속도를 측정할 수 있다.

…

1. 용수철 계수 구하기()

늘어난 길이 x (m)

힘 f (N)

0.27

0.67

0.47

1.28

0.52

1.41

0.42

1.16

0.57

1.56

0.67

1.86

0.74

2.08

0.79

2.2

0.87

2.47

0.9

2.56

2. 역학적에너지 보존 증명()

늘어난 길이

0.40

0.63

0.5

0.87

0.55

1.02

0.6

1.16

0.7

1.4

1. 용수철 계수 구하기