소개글
"비틀림진자의 실험결과보고서"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
1.2. 실험 장치 및 방법
2. 막대형 물리 진자 실험
2.1. 실험 방법 및 절차
2.2. 실험 결과 및 분석
2.2.1. 실험적 주기와 이론적 주기 비교
2.2.2. 고정점 위치와 주기의 관계
3. 원판형 물리 진자 실험
3.1. 실험 방법 및 절차
3.2. 실험 결과 및 분석
3.2.1. 실험적 주기와 이론적 주기 비교
3.2.2. 고정점 위치와 주기의 관계
4. 비틀림 상수 실험
4.1. 실험 방법 및 절차
4.2. 실험 결과 및 분석
4.2.1. 철사 굵기에 따른 비틀림 상수 변화
5. 비틀림 진자 실험
5.1. 실험 방법 및 절차
5.2. 실험 결과 및 분석
5.2.1. 실험적 주기와 이론적 주기 비교
6. 실험 결과 종합 및 토의
6.1. 물리 진자의 주기와 길이/고정점 위치와의 관계
6.2. 비틀림 상수와 주기의 관계
6.3. 실험 오차 원인 및 개선 방안
7. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
실험의 목적은 물리 진자와 비틀림 진자의 운동 특성을 관찰하고 이론적인 주기와 비교하여 실험값과의 오차를 분석하는 것이다.
구체적으로는 막대형 물리 진자와 원판형 물리 진자의 고정점 위치에 따른 주기 변화를 관찰하고, 비틀림 상수와 주기의 관계를 살펴보는 것이다. 또한 비틀림 진자 실험을 통해 비틀림 상수와 관성모멘트가 주기에 미치는 영향을 확인하고자 한다.
이를 통해 물리 진자와 비틀림 진자의 운동을 단순 조화 진동으로 근사할 수 있는지, 그리고 관성모멘트와 비틀림 상수 등 운동 방정식의 주요 변수들이 실험값에 어떤 영향을 미치는지를 분석하고자 하는 것이 이 실험의 목적이다.
1.2. 실험 장치 및 방법
실험 장치 및 방법은 다음과 같다.
막대형 물리 진자 실험에서는 길이 L = 0.5m인 막대를 사용하였고, 고정점과 막대 중심 사이의 거리 d를 0.23m, 0.19m, 0.144m, 0.1m, 0.06m로 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 각각의 d에 대해 3회씩 총 15번의 실험(Run)을 수행하였다. '8-1_막대진자_15개Data.cap' 파일을 열어 15개의 Run에 대한 theta-t 그래프를 분석하였다. 운동이 반복되는 지점마다 좌표를 표시하여 시간을 확인하고, 그 사이의 간격을 측정하였다. Run마다 6개의 시간 간격을 포착하여 평균값을 구하면 해당 Run의 평균 주기로 간주할 수 있다. 같은 d에 대한 3개 Run의 평균 주기들을 합해 다시 평균을 내어 실험적 주기 T를 결정하였다. 이를 이론적 주기 T = 2π√((L^2 + 12d^2)/(12gd))와 비교하여 오차를 계산하였다.
원판형 물리 진자 실험에서는 반지름 R = 0.1m인 원판을 사용하였고, 고정점과 원판 중심 사이의 거리 d를 0.09m, 0.07m, 0.05m, 0.03m로 변화시켜가며 실험을 진행하였다. '8-2_원판진자_12개Data.cap' 파일을 열어 주기를 분석하였으며 방법은 막대형 물리 진자 실험과 동일하다. 실험적 주기를 이론적 주기 T = 2π√((R^2 + 2d^2)/(2gd))와 비교하여 오차를 계산하였다.
비틀림 상수 실험에서는 세 가지 종류의 철사를 이용하여 실험을 진행하였다. '8-3_비틀림상수(1번철사)_3회측정.cap', '8-3_비틀림상수(2번철사)_2회측정.cap', '8-3_비틀림상수(3번철사)_3회측정.cap' 파일을 통해 얻은 tau-theta 그래프를 선형 함수(mx+b)로 근사하였고, 기울기가 곧 비틀림 상수 κ이다. 각 철사마다 2~3회 반복 실험을 진행하여 평균 비틀림 상수를 구하였다.
비틀림 진자 실험에서는 원판의 직경과 질량을 측정하여 관성 모멘트 I를 계산하였다. '8-4_비틀림진자(1번철사)_3개Data.cap', '8-4_비틀림진자(2번철사)_3개Data.cap', '8-4_비틀림진자(3번철사)_3개Data.cap' 파일의 theta-t 그래프를 분석하여 Run마다 3개의 시간 간격을 포착하였다. 실험적 주기를 이론적 주기 T = 2π√(I/κ)과 비교하여 오차를 분석하였다.
2. 막대형 물리 진자 실험
2.1. 실험 방법 및 절차
막대형 물리 진자 실험에서는 막대의 길이 L을 0.5m로 고정하고, 고정점과 막대 중심 사이의 거리 d를 0.23, 0.19, 0.144, 0.1, 0.06m로 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 실험은 각 d에 대해 3번씩 총 15회 수행되었다.
실험 방법은 다음과 같다. 먼저 'capstone' 프로그램을 이용하여 시간에 따른 각변위 θ-t 그래프를 얻었다. 그래프상에서 운동이 반복되는 지점, 즉 피크(peak)의 t 좌표값을 찾고, 이 값들 사이의 시간 간격을 측정하였다. 각 Run에서 6개의 시간 간격을 포착하여 평균값을 계산하고, 이를 해당 Run의 평균 주기 Tave로 간주하였다. 같은 d에 대한 3개 Run의 Tave를 다시 평균내어 실험적 주기 T를 결정하였다.
이렇게 얻은 실험...
참고 자료
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, 『일반물리학 개정10판 제1권』, 고려대 서강대 연세대 이화여대 충남대 한양대 공역, 범한서적주식회사(2015), 492-498쪽
Young & Freeman, University Physics (14th ed.), Pearson, 2016
http://phylab.yonsei.ac.kr/exp_ref/108_Pendulum_KOR.pdf
Young, Hugh D., Freedman, Roger A.,University Physics with Modern Physics, 14th Global Edition , Pearson High Education, 2016.01.
Lab Manual, Department of Physics, Yonsei University. http://phylab.yonsei.ac.kr/
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