단진자 운동과 용수철 진자 운동 실험 결과 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 단진자 추와 용수철 진자의 운동을 I-CA카메라를 이용해 측정하여 분석해 단진자 운동과 용수철 운동의 주기를 구해보는 실험으로, 유사한 실험 레포트를 작성하실 때 참고용으로 사용하시기 바랍니다.

토의 내용에는 실험 결과의 분석과 오차 원인에 대한 논의, 실제로 위치에너지가 보존되지 않는 이유, 좁은 범위에 대한 진동 운동을 중요하게 배우는 이유에 대한 내용이 들어가 있습니다.

목차

1. 실험 원리
1.1. 단진자
1.2. 용수철의 진자 운동

2. 실험 재료 및 도구

3. 실험 방법
3.1. 단진자 운동 실험
3.2. 용수철 진자 운동

4. 실험 결과
4.1. 단진자 운동 실험
4.2. 용수철 진자 실험

5. 토의
5.1. 각 경우에 대해 실험 결과를 분석하고 오차 원인에 대해 논의하시오.
5.2. 실제로 위치 에너지가 보존되지 않는 이유를 논리적으로 설명하시오.
5.3. 우리는 왜 좁은 범위에 대한 진동 운동을 중요하게 배우는가?

6. 결론

7. 자료 출처 및 참고 문헌

본문내용

2. 실험 재료 및 도구

단진자 추, 용수철 진자 세트, 진자 스탠드, 무게추, I-CA 카메라 및 스탠드, 자, 낚싯줄 및 가위, 전자저울

3. 실험 방법

3.1. 단진자 운동 실험

1. 전자저울을 이용해 단진자 추의 질량을 측정한다.

2. 단진자 추를 잡아당겨 단진자 추의 단진자 운동을 촬영한다.

3. 단진자 추의 길이, 시작 각도를 I-CA 장치를 통해 측정하고 단진자 추의 주기를 측정한다.

4. 각도 또는 길이를 다르게 하여 3회 측정한다.

<중 략>

6. 결론

단진자 운동 실험의 경우 모든 실험에서 이론값보다 실험값이 작게 측정되었다. 이는 단진자가 이론보다 더 빨리 왕복운동 하였음을 의미한다.

이에 대한 오차로는 근사에 의한 오차, 단진자 길이의 측정 오차, 공기저항과 같은 비보존력의 작용, 실 또한 질량을 가진 강체라는 점을 제시한다. 다만 근사에 의한 오차의 경우 이후의 항을 계산하면 이론값이 올라가 실험값과의 오차는 더욱 커짐을 수식을 통해 확인할 수 있었다.

단진자 길이의 측정 오차는 좌표계 설정 과정에서 색상 인식 방식으로 진행한 결과가 정확히 중점이 아니었거나, 두 지점 사이의 거리가 정확히 50cm가 아니었거나, I-CA 카메라의 측정 오차로 인해 오차가 발생할 수 있다. 특히 해당 실험의 오차율이 소숫점 첫째자리 수준으로 매우 적으므로 사소한 측정 오차도 매우 크게 작용할 것이다.
가장 크게 작용한 오차는 공기저항과 같은 비보존력의 작용으로 보인다. 이론값을 구하는 공식에 따르면 단진자 운동의 주기에 영향을 미치는 요인은 진자의 길이와 중력 가속도, 추의 반지름과 초기 각도이며 이 중 초기 각도는 계의 역학적 에너지가 외력으로 인해 감소하면 이후 회차의 초기 각도는 지속적으로 감소한다. 따라서 3회 왕복 운동의 평균을 내었으므로 실제 주기는 점차 감소하였을 것이며 이를 통해 실험값이 이론값보다 작은 이유를 설명 가능하다.

참고자료

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