[자연과학] 일반물리학 실험 - 탄동진자 실험

1. 실험 제목 : 탄동진자

2. 실험 목적

탄동진자에 의하여 탄환의 속도를 구하고 운동량 보존 법칙의 성립을 확인한다.

3. 실험 원리

질량 인 탄동진자에 속도 , 질량 인 탄환을 수평방향으로 쏘면, 충돌 전의 탄 환의 운동량은 충돌 후의 진자(질량)의 운동량과 같아진다. 즉, 충돌 전후에 운동량이 보존된다.

(1)

탄환이 박힌 진자가 속도 를 얻어 흔들려 진자의 무게중심(탄환포함)의 높이 가 최대가 되었을 때에는 그 운동에너지는 완전히 위치에너지로 변하게 될 것이므로

(2)

또는

(3)

따라서
(4)
여기서, 는 진자의 최고 높이로
(5)
여기서, 는 진자 끝에서부터 탄환과 진자의 질량중심까지의 거리이다.
즉, 식 (4)는 다음과 같이 정리된다.
(6)
탄동진자를 테이블 가장자리에 고정하고 탄환을 수평으로 발사하여 땅에 떨어지게 되는 사정거리로부터 탄환의 초기속도를 결정한다. 탄환이 발사되어 땅에 떨어질 때까지의 시간을 라 하면 연직거리 는
(7)
수평거리 는
(8)
이므로, 를 소거하면
(9)
즉 를 측정하여 를 구하는 것이다.

4. 실험기구

탄동진자
종이와 먹지
버니어캘리퍼스, 미터자
발사구
연직추

5. 실험방법

① 탄동진자를 테이블 가장자리로 위치시키고 진자가 충분히 연직방향인가를 확인한다. 각도 지시침을 진자와 접촉시켰을 때 지시침이 0을 가리키도록 한다.

② 발사체를 조절하여 진자의 끝과 발사체의 끝이 겨우 맞닿도록 조절한 후 조임 나사를 조인다.

③ 장전손잡이를 이용하여 발사체의 세기를 1단으로 조정한 후 탄환을 조심스레 발사체 안으로 넣는다.

④ 진자와 발사체가 맞닿는가를 확인하고 각도 지시침을 0으로 조절한다.

⑤ 방아쇠를 살짝 들어 올려 탄환을 발사시키고, 진자의 최고 높이 각도를 읽어 기록한다.

⑥ 이 과정을 5번 반복하여 기록하고, 발사체의 세기를 변화하면서 같은 방법으로 실험한다.

⑦ 저울을 사용하여 실험에 사용한 탄환의 질량과 진자의 질량을 구한다.

⑧ 탄환이 박힌 상태에서 진자의 끝에서 질량중심까지의 거리 R을 구한다(질량중심까지의 거리는 진자 추가질량을 변화시킬 때마다 변한다. 진자 고정나사를 풀어 진자를 수평으로 놓은 다음 적당한 받침대를 사용하여 질량중심의 위치를 결정한다).

⑨ 이상의 실험 데이터로부터 식(6)을 이용하여 탄환의 초기속도를 계산한다.

⑩ 진자 고정 나사를 풀어 진자를 제거하고 발사체를 1단으로 조절한다. 탄환을 장전하고 발사하여 탄환이 떨어지는 지점을 확인한다.

⑪ 탄환이 떨어진 지점을 중심으로 바닥에 종이를 깔고 테이프로 고정한 다음 그 위에 먹지를 놓는다. (먹지는 고정할 필요가 없다.)

…

6. 실험 Data 및 분석