관성 모멘트 측정 실험 레포트 (물리학및실험1)

소개

건국대학교 물리학 및 실험 1 강의 중 실험 결과 레포트로 제출한 자료입니다.
해당 강의에서 본 레포트 포함 총 11개의 레포트를 작성하여 레포트 점수에서는 만점 받은 레포트입니다.

본 실험은 관성 모멘트 실험 회전 장치를 이용해 여러 가지 물체의 관성 모멘트를 측정하는 실험입니다.유사한 실험 레포트를 작성하실 때 참고용으로 사용하시기 바랍니다.

토의 내용에는 각 실험의 결과와 오차 분석, 거의 동일한 질량의 물체가 모양이 다른 경우 관성모멘트 값이 다른 이유의 유도 과정, 평행축 정리의 설명으로 구성되어 있습니다.

목차

1. 실험 원리
1.1 강체의 회전 운동
1.2 관성 모멘트

2. 실험 재료 및 도구

3. 실험 방법

4. 실험 결과
4.1 각 물체와 실험 기구의 길이 및 무게 측정
4.2 회전 장치의 관성모멘트 측정
4.3 각 물체(원판, 직사각형, 원환)의 관성모멘트 측정
4.4 질점의 관성모멘트 측정
4.5 평행축 정리 실험

5. 토의
5.1 각 경우에 대해 실험 결과를 분석하고 오차 원인에 대해 논의하시오.
5.2 거의 동일한 질량의 물체가 서로 모양이 다른 경우 관성모멘트 값이 다른 이유를 공식에 근거하여 유도하고 설명하시오.
5.3 평행축 정리를 설명하시오.

6. 결론

7. 자료 출처 및 참고 문헌

본문내용

1. 실험 원리

1.1 강체의 회전 운동

물체의 병진 운동과 회전 운동을 기술하는 방식은 유사하다. 물체의 병진 운동은 위치, 속도, 가속도와 힘, 운동량, 에너지 등을 이용해 기술할 수 있으며 이는 좌표축을 기준으로 물체의 위치 변화를 기술한 것이다.

<중 략>

6. 결론

각 물체의 관성 모멘트 측정 결과 실험 결과에 어떠한 조작을 가하지 않은 표 5.1.1을 살펴보면 이론값과 실험값 사이의 큰 오차가 존재하였다. 이에 대한 오차 원인으로는 무게추와 낚싯줄, 낚싯줄과 낚싯줄, 낚싯줄과 회전장치 사이의 마찰력에 의한 오차로 실험 데이터와 실제 실험 과정에서의 관찰에서 마찰이 유의미하게 작용하여 자유낙하하는 물체의 속도가 일정하지 않아 각가속도 또한 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

이를 감안한 보정으로 표 5.1.2를 작성하였고, 거의 대부분의 경우에서 오차가 유의미하게 감소하였음을 확인할 수 있었다.

그러나 이에 대한 예외로 질점의 관성 모멘트 측정을 위한 원기둥 모양의 물체를 올려둔 상태에서의 관성 모멘트 측정 실험은 회전축으로부터 가까운 곳에 물체를 올려두었을 때 이론값이 실험값보다 작았으며 오차 또한 100%를 넘어갔고 오차율또한 증가한 것을 확인할 수 있었다.

이는 다른 오차 원인이 해당 실험에 주요하게 작용했기 때문이며, 해당 오차 원인은 강체인 물체를 질점으로 가정하고 실험을 진행했기 때문이다. 해당 물체를 질점으로 고려하였으므로 평행축 정리에 따라 강체의 질량 중심을 축으로 하는 관성 모멘트를 고려하지 않았기 때문에 오차가 발생하였으며 이 때의 오차는 회전축으로부터 물체를 가까이 할수록 그 영향이 증가한다. 회전축에 가까운 곳에 물체를 두었을 때와 먼 곳에 물체를 두었을 때를 비교함으로써 오차의 주요 원인이 평행축 정리임을 확인 할 수 있었다.

마지막으로 평행축 정리를 확인하기 위한 직육면체의 관성 모멘트 측정 실험으로부터 두 경우의 관성 모멘트가 유사함을 통해 평행축 정리가 옳음을 확인할 수 있었다.

참고자료

· 조승식 (2023), “일반물리학실험_개정판”, 북스힐
· Jewett/Serway 저. 대학물리학교재편찬위원회 역 (2024), “대학물리학”. 북스힐