[자연과학] [일반물리학 실험] 힘과 가속도

[일반물리학 실험] 힘과 가속도
실험 목적
Newton 제 2법칙으로부터 힘과 가속도의 관계를 구하고 힘과 가속도가 벡터량임을 이해한다.
실험 원리
한 입자의 운동량의 변화는 다른 입자와의 상호작용은 힘이라는 개념으로 나타낸다.
※ Newton의 제 2법칙
F 〓 (한 입자의 운동량의 시간 변화율은 입자에 가해진 힘과 같다)
F 〓 (운동량의 정의)
F 〓 m 〓 ma(질량이 일정)
힘 F가 일정할 경우 가속도 a 〓 또한 일정하고 가속도의 방향은 힘의 방향과 같은 방향이다.
힘과 가속도 실험에서는 일차원 등가속도 직선운동에 대해 실험한다. x방향에 대해 물리량의 크기만 고려하면 초기시간이 t0이고 초기속도가 v0인 경우
v 〓 v0 + ax(t - t0)
x 〓 x0 + v0(t - t0) + ax(t - t0)2
v2 - v02 〓 2ax(x - x0)
만일 힘 F가 운동방향(x축방향)에 대해 θ만큼 다른 방향으로 작용하면 힘과 가속도의 x축 성분(크키)은
Fx 〓 │F│cosθ 〓 Fcosθ
ax 〓 Fx/m 〓 Fcosθ/m 〓 a cosθ
따라서 가속도 x축 성분은
ax 〓 a cosθ 〓
로 나타낸다.
실험 기구 및 재료
트랙, 팬(Fan)이 달린 자동차, 포토케이트 계시기, 수평계
실험 방법

a. Newton 제 2법칙

(1) 위 그림과 같이 장치를 구성, 수평계를 사용하여 트랙의 수평정 도를 확인하고 조절나사를 이용 수평을 맞춘다.

(2) 포토게이트 계시기 mode를 gate mode로 선택한 후, 계시기 사이 의 거리를 적당하게 설정, 두 계시기의 위치 x0와 x를 잰다.

(3) Fan이 달린 자동차의 질량을 측정 기록.

(4) 임의의 지점에서 차를 출발시켜 차의 부착된 측정용 막대가 x0와 x를 지날 때 포토게이트 계시지에 측정된 시간간격 Δt0와 Δt를 측정 기록.

(5) 위의 실험을 5회 반복한다.

(6) Fan이 달린 차량의 질량을 30g씩 증가시키면서 (3)～(5)를 반복.

(7) 측정용 막대의 길이 l 에 시간간격Δt0와 Δt를 나누어 속도 v0와 v 를 각각 구하고 ax 〓 a cosθ 〓 를 이용하여 가속도 계산.

(8) 질량의 변화에 대한 힘의 가속도 그래프를 그리고 힘과 가속도와 의 관계를 구한다.

b. Fan의 각도 변화에 따른 가속도 측정

(1) 임의의 지점에서 차를 출발시켜 차에 부착된 측정용 막대가 x0와 x를 지날 때 포토게이트 계시기에 측정된 시간간격 Δt0와 Δt를 기록

(2) 위의 과정을 5회 반복.

(3) 팬과 트랙사이의 각도를 일정하게 증가 시키면서 과정(1)과 (2)를 반복

(4) 측정용 막대 길이에 시간간격 Δt0와 Δt를 나누어 속도 v0와 v를

…

(5) 각도의 변화에 대한 힘과 가속도의 그래프를 그리고 힘과 가속도 와의 관계를 구한다.