일반물리실험1 A+레포트자료 용수철의 진동과 공진 결과보고서

소개

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■실험 주제 : 용수철의 진동과 공진
■실험 목적 : 용수철에 의해 진동하는 물체에서 자유 진동과 강제 진동의 특성을 이해한다.
■준비물 : 여러 가지 용수철, 여러 가지 질량 추, 스탠드. 클램프, 스마트 폰, 줄자 등
■실험이론 : 프리물리학 교재 6.5 용수철진자운동
0. 실험에 앞서 찾아보고 고민해 볼 것
(1) 단순조화운동이란?
(2) 진동 주파수를 결정하는 요소는?
1. 용수철 상수 k 구하기
(2) 질량이 다른 몇 개의 추를 용수철에 매달아 늘어난 길이를 측정하고 이로부터 용수철 상수 k를 구한다.
(3) 이후 실험 중 용수철을 교체하게 될 때마다 같은 방법으로 k 값을 측정한다.
2. 용수철 진동 중 에너지 변환
(1) 용수철에 적당한 질량의 추를 걸고 평형상태에서 용수철을 조금 더 잡아당긴 뒤 그 위치(h1)를 측정한다. 이제 추를 놓으면 추가 상하로 진동할 것이다. 추가 최고점에 올라갔을 때의 위치(h2)를 측정한다.

목차

1. 실험에 앞서 찾아보고 고민해 볼 것
1) 단순조화운동이란?
2) 진동 주파수를 결정하는 요소는?

2. 용수철 상수 k 구하기
1) 질량이 다른 몇 개의 추를 용수철에 매달아 늘어난 길이를 측정하고 이로부터 용수철 상수 k를 구한다.
2) 이후 실험 중 용수철을 교체하게 될 때마다 같은 방법으로 k 값을 측정한다.

3. 용수철 진동 중 에너지 변환
1) 용수철에 적당한 질량의 추를 걸고 평형상태에서 용수철을 조금 더 잡아당긴 뒤 그 위치(h1)를 측정한다. 이제 추를 놓으면 추가 상하로 진동할 것이다. 추가 최고점에 올라갔을 때의 위치(h2)를 측정한다.
2) 추가 운동하는 동안 최고점, 중앙점, 최저점에서 중력 위치 에너지와 탄성 위치에너지, 운동 에너지를 각각 구해보라. (중앙점에서의 운동 에너지는 측정이 불가능하므로 비워둔다.)
3) 총에너지가 보존된다는 가정 하에 중앙점에서의 운동 에너지를 추측하고, 그에 따른 물체의 속력을 추정해보라.
4) 만일 총에너지가 보존이 안 된다면 어떤 이유이겠는가?

4. 고유 진동수
1) 위와 같은 진동에서 추의 진동 주기를 측정한다. 측정 방법은 각자가 선택한다. (1회 진동의 주기를 측정하면 오차가 크지만, 10회 진동하는데 걸리는 총시간을 측정하면 오차가 줄어든다.) 진동 주기(T)로부터 초당 진동 횟수인 진동수(f=1/T)를 구하라.
2) 진동 폭이 클 때와 작을 때 진동수에 어떤 변화가 있는지 살펴본다.
3) 직관적으로 판단해보라. 질량이 커지면 진동이 빨리지겠는가 느려지겠는가? 또, 딱딱한 (k값이 큰) 용수철을 쓰면 어떻겠는가? 실제로 용수철과 추를 바꿔보며 진동 주파수에 어떤 변화가 있는지 그 관계를 조사해본다. ( 0. 문항의 답을 참고 할 것 )

5. 강제 진동
1) 스탠드의 위쪽(용수철이 고정된 부분)을 손가락으로 눌렀다 놓으면 용수철에 미세한 진동이 전해진다. 이 부분을 주기적으로 눌렀다 놓았다 하면서 추의 진동이 점점 더 심해지도록 만들어보라. 최대 진동폭은 얼마인가? (진동폭이 지나치게 커지지 않도록 주의하라.)
2) 진동폭을 크게 하기 위해 손가락으로 가해준 진동의 주파수는 얼마인가? 아까 3번에서 구한 고유 진동수 값과 비교해보라.
3) 일부러 고유 진동수보다 큰 진동수, 혹은 작은 진동수로 힘을 주어보라. 진폭은 어떻게 되는가?
4) 손으로 가하는 진동의 주파수에 따라 진폭이 달라지는 이유를 설명해보라. (어려운 용어를 사용하지 않고, 초등학생도 이해할 수 있도록 직관적인 설명을 해보라.)

본문내용

2. 용수철 진동 중 에너지 변환
(1) 용수철에 적당한 질량의 추를 걸고 평형상태에서 용수철을 조금 더 잡아당긴 뒤 그 위치(h1)를 측정한다. 이제 추를 놓으면 추가 상하로 진동할 것이다. 추가 최고점에 올라갔을 때의 위치(h2)를 측정한다.
용수철에 추 230g을 매달고 h1이 5cm가 되도록 잡아당긴 뒤 놓아 진동시켰을 때 h2는 4.3cm였다.
평형상태일 때 추의 높이는 20cm이다.

<중 략>

(5) 손으로 가하는 진동의 주파수에 따라 진폭이 달라지는 이유를 설명해보라. (어려운 용어를 사용하지 않고, 초등학생도 이해할 수 있도록 직관적인 설명을 해보라.)
그네를 타는 상황을 생각해보자. 그네를 타면서 그네가 가장 낮은 지점, 중간지점을 지나가는 순간 몸을 최대한 숙이고 그네가 최고점에 올라갈 때마다 몸을 펴 주면 그네는 점점 더 높이 올라가게 된다. 반면 이 타이밍을 맞추지 않고 몸을 멋대로 흔들면 그네는 점점 더 낮게 움직이게 된다. 이것이 손으로 가하는 진동의 주파수에 따라 진폭이 달라지는 이유이다. 추의 진동에 맞추어 손이 진동을 계속 주게 되면 진폭이 커지게 되고, 맞지 않는 경우에 대해서는 진폭이 줄어든다.

참고자료

· 없음