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1. 탄동진자 결과 보고서
1.1. 실험 목적
탄동진자 실험의 목적은 탄동진자를 이용하여 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙을 확인하고, 이를 통해 탄환의 속도를 측정하는 것이다.
탄동진자 실험은 두 가지 방법으로 진행된다. 첫째, 진자에 의한 방법은 탄환이 진자와 충돌하여 진자가 최고 높이까지 올라갈 때의 높이를 측정하여 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙을 확인하고 탄환의 초기 속도를 구하는 것이다. 둘째, 사정거리에 의한 방법은 탄환을 발사하여 수평 거리와 수직 거리를 측정하고, 이를 토대로 탄환의 초기 속도를 계산하는 것이다.
이 실험을 통해 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙이 실제 상황에서도 성립함을 확인할 수 있으며, 탄환의 초기 속도를 측정할 수 있다. 이는 포탄이나 폭발물의 폭발력을 측정하는 데 활용될 수 있다.
1.2. 실험 이론 및 원리
진자에 의한 방법은 초기 속도 v로 운동하는 질량 m인 탄환이 질량 M인 진자와 충돌한 후, 진자에 박힌 채 높이 h만큼 올라가는 장치를 이용한다. 충돌이 일어나는 동안 역학적 에너지는 보존되지 않지만, 운동량은 보존되므로 충돌 전후의 운동량이 같다는 관계식을 활용할 수 있다. 또한 충돌 후 진자가 최대 높이 h에 도달했을 때의 위치에너지와 운동에너지가 같다는 에너지 보존 법칙을 이용하여 탄환의 초기 속도 v를 계산할 수 있다.
사정거리에 의한 방법은 질량 m인 탄환을 발사하면 포물선 운동을 하게 되며, 수평 운동은 등속 운동, 수직 운동은 중력가속도의 영향을 받는 등가속도 운동을 한다. 이 포물선 운동에서 수평 이동 거리 D와 수직 이동 거리 H를 이용하여 탄환의 초기 속도 v를 계산할 수 있다.
1.3. 실험 기구 및 개형
<실험 기구 및 개형>
실험에 사용된 기구들은 탄동진자 실험장치, 쇠공, 무게 추(2개), 버어니어 캘리퍼스, 줄자(10cm), 먹지, 실, 저울 등이다. 탄동진자 실험장치는 베이스, 발사장치, 탄동진자, 장전봉으로 구성되어 있다. 쇠공은 실험에 사용되는 주된 물체이며, 무게 추는 진자의 질량을 변화시키기 위해 사용된다. 버어니어 캘리퍼스는 진자의 길이를 정확하게 측정하기 위해 사용되고, 줄자와 먹지, 실은 사정거리에 의한 방법에서 발사체의 낙하지점을 측정하는 데 사용된다. 저울은 실험 물체의 질량을 측정하는 데 사용된다.
1.4. 실험 방법
탄동진자 실험은 탄동진자를 이용하여 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙을 확인하고, 이를 통해 탄환의 속도를 측정하는 것이다. 실험 방법은 다음과 같다.
먼저 장전 봉을 이용하여 발사강도를 가장 약하게 장전한 후 쇠공을 넣는다. 그리고 탄동진자를 발사장치 총구 정면에 흔들리지 않게 둔 후, 탄동진자 각도기를 0도에 맞추도록 발사장치의 위치를 조정한다. 이후 방아쇠를 당겨 발사를 하고, 이때의 각도를 기록한다. 이 과정을 총 5번 반복한다.
다음으로 탄동진자를 분리하여 질량 중심까지의 길이 L을 측정한다. 이때 쇠공을 넣은 채로 질량 중심까지의 길이를 측정해야 한다. 이 후 무게 추를 이용하여 탄동진자의 질량을 2번 변화시키고, 위 과정을 반복한다. 마지막으로 발사강도를 2단으로 변경하여 실험 과정을 재차 진행한다.
이와 같이 다양한 조건에서 탄동진자 실험을 반복 수행하여 운동량 보존과 에너지 보존 법칙을 확인하고, 이를 통해 탄환의 속도를 측정할 수 있다.
1.5. 측정값 및 계산
탄동진자 실험에서는 무게추의 개수와 발사강도를 변화시키며 다양한 측정값을 기록하였다. 먼저 진자에 의한 방법으로 측정한 결과를 보면, 무게추 0개의 경우 초기각(θ)은 평균 39.9°로, 이때 진자의 높이(h)는 평균 6.40cm이다. 따라서 초기속도(v)는 390.5cm/s이다. 무게추 1개를 추가한 경우 초기각(θ)은 평균 31.1°, 진자의 높이(h)는 평균 4.10cm이므로 초기속도(v)는 379.5cm/s이다. 무게추를 2개 추가하면 초기각(θ)이 평균 25.4°, 진자의 높이(h)가 평균 2.85cm로 나타나 초기속도(v)는...
