소개글
"빗면에서의 힘"에 대한 내용입니다.
목차
1. 개요 (Introduction)
1.1. 실험 목적
2. 이론 (Theory)
2.1. 이론적 배경
2.2. 힘의 개념
2.3. 평형상태(equilibrium)
2.4. 힘의 측정: 용수철의 변형 이용
2.5. 힘의 벡터 성질
2.6. 장력(Tension)
2.7. 빗면에서 평형상태에 있는 물체
3. 실험장치 및 실험절차 (Apparatus & Procedure)
3.1. 실험 장치
3.2. 실험 절차
4. 데이터 및 결과 (Data & Results)
4.1. 수레만
4.2. 수레 + 추1
4.3. 수레 + 추1 + 추2
5. 오차분석 (Error Analysis)
6. 토의 (Discussion)
6.1. 실험 결론
6.2. 고찰
7. 참고 문헌
본문내용
1. 개요 (Introduction)
1.1. 실험 목적
중력이 작용하는 물체가 빗면 위에 놓여 있을 때 빗면의 각도에 따라 달라지는 장력을 측정하여 힘의 특성을 이해하는 것이 이번 실험의 목적이다.
책상 위에 물체를 놓으면 물체에는 지구의 중력과 수직항력이라는 힘이 작용한다. 이때 중력은 물체를 책상의 아래 방향으로 잡아당기는 힘으로 물체의 움직임에 영향을 주지 않아 물체는 책상 위의 한 위치에서 멈추어져 있다. 기울어진 빗면에 수레를 놓는 경우는 더 이상 중력과 수직항력의 크기가 같지 않다. 이때 수레에서 손을 놓는다면 빗면의 아래로 굴러갈 것이다. 이 수레에 줄이 매달려 있어 정지한 상태라면 빗면의 아래 방향으로 작용하는 힘과 크기는 같지만 방향은 반대인 힘이 줄에 작용한다. 이때 줄에 작용하는 힘은 장력이라고 하며 그 크기는 mgsin theta 이다.
실험에 필요한 장비로는 Force sensor, 트랙용 도르래, 수평계, 저울, 역학 수레, 추 등이 있다. 먼저 빗면 트랙을 평평한 바닥에 설치하고 수평을 맞춘 후 도르래와 Force sensor를 설치한다. 실을 수레와 도르래, Force sensor를 지나도록 연결한 뒤 영점을 맞춘다. 이후 수레의 질량을 3종으로 나누어 각도를 변화시키며 Force sensor에 작용하는 힘을 측정한다.
측정 결과 수레의 질량이 증가할수록, 빗면의 각도가 커질수록 작용하는 장력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 장력의 그래프가 사인 그래프의 형태를 가지는 것으로 보아 장력이 mgsin theta 로 표현되는 것을 알 수 있었다. 다만 실험값과 이론값 사이에 3~5% 미만의 오차가 발생했는데, 이는 마찰력, 공기저항, 중력가속도 측정 오차 등 다양한 요인으로 인한 것으로 추측된다.
따라서 이번 실험을 통해 빗면에서의 기울기와 물체의 질량에 따른 힘의 변화를 확인할 수 있었으며, 힘의 이론적 설명과 실험 결과가 잘 부합함을 확인할 수 있었다. 다만 실험 정밀도를 높이기 위해서는 실험 장치의 정확한 설치, 마찰력 최소화, 중력가속도 보정 등의 노력이 필요할 것으로 보인다.
2. 이론 (Theory)
2.1. 이론적 배경
물체에 작용하는 중력은 지구가 물체를 아래로 당기는 힘이다. 책상 위에 물체를 놓으면 물체에는 지구의 중력과 수직항력이라는 힘이 작용한다. 이때 중력은 물체를 책상의 아래 방향으로 잡아당기는 힘으로 물체의 움직임에 영향을 주지 않아 물체는 책상 위의 한 위치에서 멈추어져 있다.
기울어진 빗면에 수레를 놓는 경우는 더 이상 중력과 수직항력의 크기가 같지 않다. 이때 수레를 잡고 있는 손을 놓는다면 빗면의 아래로 굴러갈 것이다. 이 수레에 줄이 매달려 있어 정지한 상태라면 빗면의 아래 방향으로 작용하는 힘과 크기는 같지만 방향은 반대인 힘이 줄에 작용한다. 이때 줄에 작용하는 힘은 장력이라고 하며 그 크기는 mgsin θ 이다.
힘만이 운동을 변화시킬 수 있기 때문에 물체를 가속시키는 것은 바로 힘이다. 여러 힘이 동시에 작용하면 모든 힘의 벡터합이 알짜힘(net force)이 된다. 물체에 작용하는 알짜힘이 0이면 그 물체의 가속도는 0이고 따라서 속도는 일정하게 유지된다. 즉, 물체가 정지해 있거나 등속운동을 할 때, 물체는 평형상태에 있다고 한다.
용수철이 늘어나거나 줄어드는 길이를 이용하여 힘을 측정할 수 있다. 힘은 실험에 의해 벡터로 판명되었기 때문에 물체에 작용하는 알짜힘을 얻기 위해서는 벡터 합성에 대한 규칙을 적용시켜야 한다.
물체에 연결된 줄을 잡아당기면, 줄은 물체에서 멀어지는 방향의 힘으로 물체를 잡아당기는데, 이때 줄이 팽팽한 긴장 상태에 있기 때문에 이런 힘을 장력이라고 한다. 줄의 장력은 물체에 작용하는 힘의 크기와 같다.
바퀴가 있어 잘 움직일 수 있는 질량 m인 수레가 평지에 있을 경우 외력이 없으면 수레는 정지한 상태로 존재한다. 그러나 평지에서와 달리 기울어진 빗면에 놓으면 수레는 빗면을 따라 아래로 운동하기 시작한다. 수레의 운동은 빗면의 각도(θ)에 따라 어떻게 달라질까?
2.2. 힘의 개념
힘만이 운동을 변화시킬 수 있기 때문에 물체를 가속시키는 것은 바로 힘이다. 여러 힘이 동시에 작용하면 모든 힘의 벡터의 합이 알짜힘(net force)이 된다. 따라서 물체의 가속도는 알짜힘을 물체의 질량으로 나눈 값이다.
물체에 작용하는 알짜힘이 0이면 그 물체의 가속도는 0이고 따라서 속도는 일정하게 유지된다. 즉, 물체가 정지해 있거나 등속운동을 할 때, 물체는 평형상태에 있다고 할 수 있다.
힘은 용수철의 변형을 이용하여 측정할 수 있다. 용수철의 Hooke의 법칙에 따르면 힘은 용수철의 변형 길이에 비례한다.
한 물체에...
참고 자료
일반물리학실험 / 강준희 외 8명 / 북스힐 / 2015
대학물리학1 / John W. Jewett. Jr., Raymond A. Serway / 북스힐
일반물리학실험 / 김병훈 외 10명 / 북스힐 / 2020 / p.75~81
빗면에서의 힘 실험 교재(pdf) / 내용 전체 참고
물리학백과 / 한국물리학회
사이언스올 과학백과사전 / 한국과학창의재단
일반물리학실험, 강준희 외 10명 등, 북스힐, 2019
대학물리학, 김용은, 자유아카데미, 2009
빗면에서의 힘 실험 설명 영상 및 설명 ppt 파일
일반물리학실험(PHYSICS EXPERIMENTS, 북스힐) p75 ~ p81
[네이버 지식백과] 지오이드 [geoid] (지구과학 용어사전, 2002. 4. 20. 이석형)
자바실험실>역학 시뮬레이션>빗면에서의 힘
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