[물리학실험 레포트 보고서] 실험08 예비보고서 - 단순 조화 운동

일반물리실험 예비보고서
실험8. 단순 조화 운동
[실험목표]
-진동하는 추와 용수철의 운동을 시간의 함수로써 위치와 속도를 잰다.
-추와 용수철에서 관측된 움직임과 단순 조화 운동의 수학적 모형을 비교한다.
-관측된 단순 조화 운동의 진폭, 진동주기, 그리고 위상 상수를 결정한다.
[실험원리]
→우선 단순 조화 운동이란 이상적으로 외부의 변인이 없는 상태에서 과감승쇠가 없이 무한대의 시간으로 계속 단순반복운동인 사이클 운동을 말하는 상태이다.
그리고 단순조화운동은 복원력이 변위에 비례해야만 한다.
예로는 용수철에 매달린 추의 운동, 단진자 등이 있다.
그 위치는 다음과 같은 식으로 나타낸다. 로 나타내며
y는 평형점에서 수직변위를 나타내고, A는 운동의 진폭이고, f는 진동수이고, t는 시간, 그리고 는 위상 상수를 나타낸다.
[예비질문]

1. 100g의 추를 용수철(용수철 상수 10N/m)에 매달고 추와 용수철이 늘어져 정지해 있도록 손으로 용수철의 반대편 끝을 붙잡고 있다고 가정하자. 추를 10cm 정도 들어 올렸다가 놓는다면 추는 어떻게 운동하겠는가 추의 운동을 예상하고 시간 대 위치 그래프를 그려라. 200g의 추를 썼을 때에는 어떤 그래프일지 그려라.

2.시간 대 위치의 그래프 밑에 동일한 길이의 시간 범위를 써서 질량에 대한 시간 대 속도의 그래프를 그려라.

[실험방법]
실험기구
-기본 설정: 컴퓨터, LabPro(인터페이스), LoggerPro(프로그램)
-센 서: 운동감지기
-기타 기구: 50, 100, 200 g 추, 스탠드, 용수철
1. 그림처럼 스탠드에 연결된 수평막대에 용수철을 연결하고 용수철에 추를 매단다.
100g의 추를 용수철에 그리고 …

3. 추 밑으로 운동 감지기를 최소한 75cm 정도 되게 놓는다. 운동 감지기와 추 사이에 책상 가장자리와 같은 방해물이 없는지 확인하고, 없앤다. 추가 떨어져서 운동 감지기 와 부딪히지 않도록 주의한다.

4. [일반물리 실험] 폴더의 [08 단순조화운동.cmbl] 파일을 연다. 시간 대 변위, 시간 대 속도 그래프가 화면에 나타날 것이다.

5. 장치가 올바르게 설치되었는지 보기 위해서 예비 실행을 해본다. 추를 몇 cm 들어올렸다가 놓는다. 반드시 늘려서 진동시키지 말고 들어올려서 진동시켜라. 추를 매달아서 늘어난 길이의 절반 이상으로 들어올리지 마시오. 추는 오직 수직선상으로 진동해야 한다. 데이터 수집을 시작할 수 있도록 [수집] 버튼을 누른다.

6. 10초가 지나면 데이터 수집이 멈출 것이다. 위치 그래프는 명확한 사인곡선이 나올 것이다. 만약 곡선이 평평하거나 뾰족한 부분이 있으면, 3번에서 말한 것처럼 책상의 가장자리와 같은 장애물이 있을 가능성이 크기 때문에 운동 감지기를 다시 설치하고 실험을 한다.

7. 위치 그래프를 예비문제에서 예상했던 그래프와 비교한다. 그래프들이 얼마나 유사하거나 다른지 비교한다. 속도의 그래프 역시 예상했던 그래프와 비교한다.

8. 50g 추에 대한 평형점을 측정한다. 추가 정지 상태에 있도록 해야 측정이 가능하다. [수집] 버튼을 누른 뒤. 수집이 끝나면 감지기에서 평균 변위를 재기 위해 [통계]버튼을 누른다. 표에 이 위치(y)를 기록한다.

9. 추를 5cm 정도 위로 들었다가 놓는다. 추는 수직선상을 따라 진동해야한다. [수집] 버튼을 누른다.

10. 변위 그래프를 써서 최고점 사이의 시간 간격을 잰다. 이것이 운동의 주기 T이다. 진동수는 진동주기의 역수, 즉 이다. 측정 결과로 진동수를 계산하라. 표에 이 운동의 주기와 진동수를 기록하라.

11. 단순 조화 운동의 진폭 A는 평형점 으로부터 최대 변위 값이다. 위치그래프에서 진폭값을 재시오. [검사]버튼을 누르면, 그래프의 값을 읽을 수 있을 것이다. 표에 값을 입력하고, 시험모드를 중지하기 위해 다시 한번 [검사] 버튼을 누른다.