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[일반물리실험2] A+ 회절과 간섭 결과보고서

일반물리실험실험 제목: 회절과 간섭●실험 목적좁은 틈을 지나는 빛의 회절과 간섭 현상을 이해한다.●실험 이론-간섭: 서로 다른 두 파동이 만날 때, 그 알짜 변위는 대부분 개별 변위의 단순 합과 같다. 두 파동의 마루와 마루 또는 골과 골끼리 중첩해 일시적으로 변위가 커지는 현상을 보강 간섭, 마루와 골이 중첩해 변위가 사라지는 현상을 상쇄 간섭이라고 한다. 단일 광원에서 나온 광파가 다른 경로로 진행하다가 다시 결합할 때, 빛의 경로차가 반파장의 홀수배이면 상쇄 간섭, 파장의 정수배이면 보강 간섭이 발생한다.-하위헌스 원리: 파면의 모든 점은 2차 구면파의 점원이 된다.-회절: 파동이 좁은 틈이나 방해물에 도달할 때 그 너머로 전파되는 현상이다. 회절효과는 지나는 틈의 크기가 좁을수록, 파동의 파장이 길수록 잘 일어난다.-이중 슬릿: 빛이 한 쌍의 좁은 슬릿을 통과하면, 두 슬릿이 각각 원통형 파원처럼 파동(빛)을 보낸다. 그 결과 빛이 도달한 곳(스크린)에는 밝고 어두운 띠가 교대로 나타나는 간섭 무늬가 생긴다. 슬릿 사이 거리 , 무늬의 각 위치 , 무늬의 차수(중앙에 가까울수록 낮음) , 빛의 파장 일 때, 보강 간섭이 발생해 밝은 무늬를 보이는 조건은 , 상쇄 간섭으로 어두운 무늬가 나타나는 조건은 이다. 전형적인 이중 슬릿은 스크린 무늬가 촘촘하다. 즉 가 작아 로 어림할 수 있어 무늬의 위치를 다음과 같이 표현할 수 있다. (밝은 무늬), (어두운 무늬)간섭 무늬의 평균 세기는 로 밝은 간섭 무늬들의 밝기는 같음을 알 수 있다.-단일 슬릿: 단일 슬릿을 통과해 회절에 의해 퍼진 빛이 다시 겹칠 때, 간섭현상이 일어난다. 상쇄 간섭이 일어나는 조건은 이다. 가 작아 로 어림해서, 을 상쇄 간섭이 발생하는 위치라고 할 수 있다. 회절 무늬의 위상차가 일 때, 단일 슬릿 회절의 세기는 이다. 가 보다 크면 광선이 중앙으로 모여 회절이 거의 무시되고, 반대 경우에는 광선이 퍼져 회절이 잘 일어난다.●실험 준비물회절 및 간섭 실험 set(레일, 레이저, 회전 슬릿 판), 스크린, 버니어 캘리퍼스 또는 줄자●실험 전 사전 준비(토의)-광원을 직접 관찰하는 것은 위험하니 주의한다.-데이터 측정 도중 실험 장치가 밀려나 값이 왜곡되지 않도록 주의한다.●실험 과정1. 구멍을 통과하는 일반 빛1)실험 방법:슬릿판에 휴대폰의 플래쉬를 비추면 스크린에 어떤 모습이 비추는지 확인한다.2)결과 예측:회절에 의해 빛이 퍼지지만 여러 파장, 여러 방향으로 입사하는 빛이 섞여 있기 때문에 회절무늬는 관찰되지 않고, 빛이 조금 퍼져 나간 형태가 되어 슬릿 모양과 비슷하지만 슬릿보다 조금 더 크기가 큰 상이 스크린에 맺힐 것이다.3)관측 결과: 슬릿과 모양이 비슷하지만 실제 슬릿보다 좀 더 크기가 큰 상이 맺혔고, 슬릿의 너비가 넓을수록 더 선명한 상이 맺혔다.2. 구멍을 통과하는 레이저 빛*레이저 빛과 일반 전등의 차이일반 전등의 빛은 광원에서부터 발생한 다양한 파장을 가지고 다양한 방향으로 퍼지는 편광의 합이다. 그에 반해 레이저의 빛은 한 방향으로 향하는 동일한 파장을 지닌 편광의 합이다.일반 전등의 빛은 백색광에 가깝고 여러 방향에서 빛을 볼 수 있다. 반면 레이저 빛은 한 방향에서만 볼 수 있고 해당 파장에서 나타나는 빛의 색 한 가지만 볼 수 있다.레이저의 빛은 일반 빛에 비해 단순해 빛의 특성을 파악하기가 상대적으로 쉽다.1)실험 방법:레이저 빛이 슬릿을 거쳐 스크린에 도달하게 할 때, 스크린에 맺히는 상을 관찰한다. 휴대폰 플래시를 비출 때와의 차이를 관찰하고, 스크린과 슬릿 사이 거리가 달라질 때 스크린에 맺힌 상의 변화를 관찰한다. (실험에 사용하는 레이저의 파장은 650nm로 앞으로도 같다)2)결과 예측:레이저 빛은 휴대폰의 플래시와 달리 한 파장의 편광으로 이루어져 있기 때문에 여러 파장과 방향을 가진 빛이 섞인 플래시와는 다르게, 이론처럼 회절이 발생하고 회절로 퍼진 빛이 다시 겹치며 간섭현상을 일으키는 회절을 제대로 관찰할 수 있을 것이다. 그리고 상쇄간섭이 일어나는 지점의 위치 에 따라 회절무늬의 폭은 일 것이다. 따라서 회절무늬의 폭은 슬릿과 스크린 사이 거리에 비례할 것이다.3)관측 결과:일반 전등을 비출 때와는 달리, 레이저를 비출 때는 슬릿과 같은 모양의 상이 아니라 회절 무늬를 관찰할 수 있었다.슬릿의 폭은 0.1mm로 고정하고 슬릿과 스크린 사이 거리를 바꾸며 회절무늬 폭(가운데 가장 넓은 무늬의 폭)을 측정한 결과거리(m)0.60.70.80.9회절무늬 폭(cm)0.60.7~0.80.91~1.1정확히 눈금 위에 있지 않았던 값들은 육안으로 판단할 때 대략 두 눈금 사이 정중앙에 가까웠다. 따라서 0.7~0.8은 0.75, 1~1.1은 1.05로 가정하고 그래프를 그리면 다음과 같다.측정해서 얻은 네 개의 데이터로 그래프를 그린 결과 1차 함수 그래프를 얻을 수 있었다. 즉 회절무늬의 폭은 예상대로 슬릿과 스크린 사이 거리에 비례한다는 것을 확인할 수 있었다.3. 다양한 폭의 슬릿에 대한 실험1)실험 방법:2번 실험과 같은 실험 장치에서 슬릿과 스크린 사이의 거리(90cm)는 고정한 채로 슬릿의 폭만 변동하며2)결과 예측:회절무늬의 폭은 앞서 언급했듯이 이다. 따라서 슬릿의 폭과 회절무늬 폭은 반비례할 것이다.3)관측 결과:슬릿 폭(mm)0.050.10.2회절무늬 폭(cm)21~1.10.5~0.61~1.1은 1.05로 어림했고, 슬릿 폭이 0.2mm일 대 회절무늬는 눈금 0.5에 더 근접했기 때문에 0.5로 어림하고 그래프를 그렸다.이전 실험에서 이론 상의 그래프를 그린 데이터 중 하나인 슬릿 폭이 0.1mm일 때의 값을 참값이라고 지정하면 이론상 슬릿 폭이 0.5mm일 때 회절무늬 폭은 2.1cm, 슬릿 폭이 0.2mm일 때는 회절무늬 폭이 0.525cm다. 두 데이터 모두 약 4.76%의 상대오차를 보인다. 데이터 상으로 슬릿 폭이 증가하면 회절 무늬 폭이 줄어든다는 것을 확인할 수 있었다. 형태도 y=1/x와 유사함을 확인했다.4. 이중 슬릿 실험1)실험 방법:두 개의 슬릿이 가까이 있으면 그곳을 통과하는 빛이 어떻게 되는지 관찰한다. 또 슬릿 사이 간격에 따라 어떤 변화가 발생하는지 관찰하고 정리한다. (슬릿과 스크린 사이 간격은 90cm로 고정한다.)2)결과 예측:단일 슬릿과는 달리, 이론상의 이중 슬릿을 통과한 빛의 평균 세기 에 따라 빛은 스크린에 일정한 간격, 일정한 밝기의 간섭무늬를 형성할 것이다. 이중 슬릿이 형성한 회절 무늬의 위치 에 따라 회절 무늬의 간격은 슬릿 사이 간격에 반비례할 것이다.3)관측 결과:사진 상으로는 판별이 불가능하지만 실제 실험 당시 예측대로 단일 슬릿 실험 때와는 달리 일정한 너비와 간격의 간섭무늬가 스크린에 투영된 것을 확인할 수 있었다.슬릿 간격(mm)0.250.30.45간섭무늬 간격(cm)0.2~0.30.10.1미만슬릿 간격 0.25mm일 때 무늬 간격은 눈금 0.2에 가까웠으니 0.2로 어림하고, 슬릿 간격이 0.45mm 일 때 눈금이 0.1에 가까웠다는 것만 판별할 수 있었으니 0.09로 어림하고 그래프를 그렸다. 예측대로 슬릿의 간격이 넓어지면 간섭무늬의 간격은 줄어들었다. 그래프도 y=1/x와 형태가 비슷한 것으로 보아 슬릿 간격과 간섭무늬 간격이 반비례라는 예측이 참일 가능성을 높였다.●실험 결과이 실험은 장애물을 통과하는 빛의 회절과 간섭 현상을 이해하고 확인해보는 실험으로 진행된 모든 실험에서 이론과 같은 또는 이론에 가까운 결과를 얻은 실험이었다.●토론-이론상 이중 슬릿을 통과한 빛이 스크린에 투영하는 것은 일정한 밝기와 간격을 지닌 간섭무늬다. 육안으로 확인할 때는 같은 크기의 간섭무늬가 같은 간격으로 배치된 것을 확인할 수 있었다. 하지만 앞서 올린 실험 사진에서 알 수 있듯이 회절무늬의 중심부로 갈수록 더 밝고 강한 빛이 있음을 알 수 있었다. 왜 그런 것일까?하위헌스 원리에 따라 회절을 설명하면 회절은 장애물 근처에서 항상 발생하지만 장애물의 너비가 파동의 파장과 비슷하거나 작을 때 효과가 커진다. 이 실험에서 사용된 레이저 빛의 파장은 650nm이다. 그리고 실험에 사용된 이중 슬릿의 각각 너비를 측정해보지는 않았지만, 다음 사진에서 볼 때 이중 슬릿을 멀리서 보면 단일 슬릿 0.2mm와 비슷해 보이는 것을 알 수 있다. 따라서 이중 슬릿에 있는 각 슬릿은 0.1mm라고 생각해볼 수 있다. 슬릿의 너비는 0.1mm이고 그곳을 통과하는 파동의 파장은 그 보다 작은 650nm이다. 하위헌스 원리를 생각해보면 이 실험에서는 회절이 적게 일어나고 일부 빛이 직진했기 때문에 간섭 무늬의 중앙 부분에 많은 양의 빛이 도달했을 것이라고 가설을 세울 수 있다.●Reference핵심물리학 4판 | Richard Wolfson | 심무경 외 옮김 | 2020.01.30 | pp.711-725

자연과학| 2022.07.27| 6페이지| 1,000원| 조회(132)

일반물리, 일반물리실험, 전남대학교, A+, 일물실

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[일반물리실험2] A+ 수면파 실험 결과보고서 평가D별로예요

일반물리실험실험 제목: 수면파 실험●실험 목적수면파의 회절과 간섭 현상을 관찰하고 이해한다.●실험 이론-파동의 속력은 파동의 파장과 진동수의 곱으로 나타낼 수 있다.-수면파의 속력: 파동은 특정 매질에서 특정한 속력을 갖는다. 따라서 동일한 매질에서는 파동의 진동수나 파장은 한 쪽이 변하면 그에 반비례해 같이 변해 파동 속력에 영향을 미치지 않는다. 매질에 따라 다르다는 건 매질의 물리적 특성에 영향을 받는다는 뜻이다. 수면파는 매질의 밀도가 높을수록 속력이 빨라진다. 매질의 온도는 매질의 밀도에 영향을 주기 때문에 온도도 속력에 영향을 준다. 매질의 깊이가 깊을수록 수면파의 속력은 빨라지는데 그 이유는 매질의 깊이가 깊으면 밑바닥에 있는 물질과의 상호작용이 줄어들기 때문이다. 하지만 일정 수준에 도달하면 더 깊어져도 속력에 변화가 없다.-간섭: 서로 다른 두 파동이 만날 때, 그 알짜 변위는 대부분 개별 변위의 단순 합과 같다. 두 파동의 마루와 마루 또는 골과 골끼리 중첩해 일시적으로 변위가 커지는 현상을 보강 간섭, 마루와 골이 중첩해 변위가 사라지는 현상을 상쇄 간섭이라고 한다.-하위헌스 원리: 파면의 모든 점은 2차 구면파의 점원이 된다.-회절: 파동이 좁은 틈이나 방해물에 도달할 때 그 너머로 전파되는 현상이다. 회절효과는 지나는 틈의 크기가 좁을수록, 파동의 파장이 길수록 잘 일어난다.●실험 준비물수면파 실험 set, 줄자●실험 전 사전 준비(토의)-파동의 진행 상태에 영향을 끼치지 않기 위해 실험장치가 수평을 이루도록 설치한다.●실험 과정*실험 장치 구성-수조에 물을 붓고, 수면파 발생기의 팔 끝이 물을 첨벙거릴 수 있도록 높이를 조절한다. 수조 밑에 깔린 스크린은 LED에 의해 발생한 수면파의 그림자를 볼 수 있도록 한다.-밝은 부분은 마루부분, 어두운 부분은 골 부분이다. 마루가 볼록렌즈 역할을 해 빛을 모으고, 골은 오목렌즈 역할을 해 빛을 분산시키기 때문이다.-수면파 발생기는 모터의 회전속도와 LED의 깜박임 주기를 조절할 수 있다. 발생하는 수면파의 진동수와 LED 깜박임 주파수가 같아지면 정지한 듯한 수면파 그림자를 관찰할 수 있다. 두 주파수가 같으면 어느 한 점 A가 불이 들어왔을 때 파동의 마루에 있었다고 할 때, 불이 꺼졌다가 다시 들어오면 파동도 한 주기가 지나 A 위치는 여전히 마루에 있다. 그리고 그 깜박임이 빠르기 때문에 사람 눈에는 수면파의 그림자가 정지해 있다고 느끼는 착시 현상이 발생하기 때문에 정지한 것처럼 보이는 것이다.-dipper는 모터의 힘을 수면에 전달하는 매개체로 모양에 따라 수면파의 형태가 달라진다. 굴절렌즈는 렌즈를 배치한 위치의 물의 깊이가 낮아지는 효과가 있다.1. 수면파의 특성1)실험 방법:(1)원형파와 평면파를 발생시킬 수 있는 dipper를 선택해 각 형태의 파동을 형성해 본다.(2)평면파를 형성하는 장치의 진동수를 조절하면 파동에 어떤 변화가 생기는지 관찰한다.(3)파동의 속력을 바꾸는 방법을 고안해 확인해본다.(4)원형파를 일으키는 dipper 두 개를 통해 두 원형파를 일으켜 두 파동이 간섭하며 생기는 특징을 관찰한다.2)결과 예측:(1)하위헌스 원리에 따라 파면의 모든 점이 만든 2차 파원의 합이 평면파를 형성하려면 파원에서부터 평면파 형태가 만들어져야 한다. 따라서 긴 막대형 dipper를 이용하면 평면파가 형성될 것이다. 동일 원리에 따라 파면의 점은 구면파를 형성하기 때문에 원형파를 만들기 위해서는 원형 dipper 또는 아주 작은 점에서 진동하는 dipper를 이용하면 된다.(2)한 매질에서 파동의 속력은 일정하다. 따라서 에 따라 파동의 진동수가 변하면 그에 반비례해 파장이 증가할 것이다.(3)수면파의 속력에 영향을 주는 것은 매질, 수조 바닥과 파동이 상호작용하는 정도이다. 실험실에 다른 매질이 준비되지 않았기 때문에 남은 방법은 렌즈를 이용하거나 물의 양을 조절해 수면의 높이를 바꾸는 것이다. 따라서 물을 더 추가해 물의 깊이가 더 깊어지면 수면과 수조 바닥 사이 상호작용이 줄어 파동 속력이 빨라질 것이다.(4)골과 골, 마루와 마루가 만나는 곳은 보강간섭이 일어나 하나의 파동만 존재할 때에 비해 진폭이 더 커져 전자는 더 어두운 그림자가, 후자는 더 밝은 빛이 스크린에 비칠 것이다. 마루와 골이 만나는 점은 상쇄 간섭이 발생해 거의 진동하지 않고, 보강 간섭이 일어난 곳보다 어둡지도 밝지도 않은 파동이 없는 곳에 빛을 비출 때 스크린에 비추는 빛과 비슷한 밝기의 영상이 나타날 것이다.3)관측 결과:(1)예측대로 점에서 진동하는 dipper는 원형파를 긴 막대 dipper는 평면파를 형성했다.(2)모터 다이얼5단6단7단8단파동의 파장(cm)1.310.70.5모터의 진동수에 관한 정보가 없어 파동의 속력이 일정한지, 진동수와 파장이 반비례 관계인지 확인하지 못했다. 하지만 진동수와 파장이 반비례 관계라면 모터 출력이 강해질수록 파장은 짧아진다. 실제로 모터 출력을 높이면 파장이 짧아지는 것을 확인할 수 있었다.(3)두 사진 중 전자는 앞선 실험에서의 물의 깊이(약 3mm) 후자는 거기에 물을 더 채운 상태에서의 물의 깊이(약 5mm)이다.모터 다이얼5단6단파동의 파장(cm)1.61.23mm 깊이 물에서 동일 출력으로 파동을 형성했을 때보다 파동의 파장이 더 길어진 것을 확인했다. 진동수는 변하지 않고 파장이 증가하면 에 따라 파동 속도는 증가한다. 따라서 예측과 같은 결과를 얻었다고 할 수 있다.(4)간섭현상에 따라 아주 밝은 곳, 아주 어두운 곳, 그 중간 총 세 가지 밝기의 영역이 관찰될 것이라고 예측했다. 사진 상으로는 관찰이 힘들지만 실제 실험 당시 밝은 부분과 어두운 부분 그리고 그 중간 밝기인 부분을 관찰할 수 있었다. 추가로 중간 밝기인 부분(상쇄 간섭)이 발생할 것이라 예측한 부분은 시간이 흘러도 밝기가 거의 일정한 것을 확인할 수 있었다.2. 수면파의 회절과 굴절1)실험방법:(1)수면파가 진행하는 곳에 장애물로 단일 슬릿을 만들고 파동을 관찰한다. 장애물 배치와 파동 진동수에 따라 어떤 차이를 보이는지 중점적으로 관찰한다.(2)각종 굴절렌즈를 배치한 후, 수면파가 어떤 식으로 진행할지 예측하고 실험으로 확인해본다.2)결과 예측:(1)하위헌스 원리에 따라 파동은 장벽의 모서리(슬릿)에서 굽은 형태로 파동이 진행하게 된다. 파동이 지나는 틈이 파장보다 크면 여러 점 파원에서의 구면파가 쉽게 통과해 여전히 평면파를 이룰 수 있고, 틈이 파장만큼 또는 보다 더 짧아지면 구멍으로는 하나의 점 파원에서 발생한 파동이 겨우 통과할 수 있는 정도가 되 구면파 형태로 퍼지게 된다. 즉, 회절 현상은 파동의 파장이 길거나, 슬릿의 틈이 좁을 때 더 잘 관찰될 것이다.(2)렌즈에 의해 수심이 얕아진 부분은 파동의 진행 속력이 느려질 것이다. 따라서 렌즈가 곧은 막대형이 아니라면 동일 위상에 있던 파도의 일부 점만 먼저 속도가 바뀌며 렌즈의 모양에 따라 파동이 일그러질 것이다.3)관측 결과:(1)모터 다이얼을 6단으로 고정하고 슬릿 틈의 크기를 변동한 결과좌측부터 순서대로 틈의 크기 0.5cm, 1cm, 2cm이다.슬릿의 틈이 커질수록 파동이 점점 구면파에서 평면파에 가까운 형태로 변해가는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 예측대로 틈이 좁을수록 회절이 잘 일어났다는 것이다.두 사진 모두 슬릿 틈 크기는 1cm, 좌측은 모터 7단 우측은 모터 8단이다. 위의 틈 1cm, 모터 6단까지 해서 비교했을 때, 예측대로 파동 진동수가 커질수록(파동의 파장이 짧아질수록) 파동이 구면파에서 평면파 형태로 변해가는 것을 관찰했다.(2)파동을 예측대로 렌즈 모양에 따라 형태가 바뀌어 진행했다.●실험 결과이 실험은 파동의 성질에 대한 이해를 통해 파동의 거동을 예측하는 실험으로 사전에 예측한 파동의 운동 양상을 예측대로 관찰할 수 있는 실험이었다.●토론파동의 진동수, 파장, 속도에 관한 실험에서 데이터의 정확성모터 5단이 만든 파동 진동수를 a, 6단을 b라고 할 때, 에 따라 수면 3mm에서 얻은 데이터로 ‘1.3a = b’를 구할 수 있고 수면 5mm에서 얻은 데이터로 ‘1.6a = 1.2b’를 구할 수 있다. 두 식을 정리하면 a의 값이 다르게 나오는 것을 알 수 있는데 모터의 출력이 변하지 않는 이상 파동 진동수는 변할 수 없기 때문에 이 실험에는 오류가 있었음을 할 수 있다. 무엇이 문제였는가?한 가지 가설은 수조가 기울어져 있어 물이 한 쪽으로 쏠려 위치별로 물의 깊이가 달라 속력이 달라졌을 가능성이 있다는 것이다. 이 경우 완벽하게 똑 같은 위치에서 자의 눈금을 읽지 않는 경우 를 통해 데이터 마다 다른 속력이 나올 수밖에 없다.또 다른 하나의 가설은 단순한 계기 오차가 발생했을 가능성이 크다는 것이다. 파장을 측정할 때, 마루의 위치를 정확히 특정하지 않고 눈 대중에 의존했다는 점과 정지 화면에서 눈금을 읽기 위해 사진을 찍을 때 사진 촬영각도를 고려하지 않았다는 점에서 계기 오차가 크게 생길 가능성은 충분했다.●Reference핵심물리학 4판 | Richard Wolfson | 심무경 외 옮김 | 2020.01.30 | pp. 304-305, 312-313, 722-723

자연과학| 2022.07.27| 6페이지| 1,000원| 조회(260)

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일반물리실험실험 제목: 기하광학●실험 목적빛의 굴절과 반사를 이해하고 렌즈를 응용할 수 있다.●실험 이론-굴절: 매질에 따라 파동의 속력이 달라지기 때문에 파동이 다른 매질로 각도를 이루며 입사할 때 그 경계면에서 진행 방향이 바뀌게 되는데 이를 굴절이라고 한다. 매질의 굴절률 은 진공에서의 빛의 속력 와 매질에서의 빛의 속력 를 통해 로 정의된다.-스넬 법칙: 매질에 따른 파동의 파장 차이와 입사각과 굴절각을 통해 빛의 굴절은 하나의 법칙으로 정리된다. 처음 매질의 굴절률 , 나중 매질의 굴절률 , 파동의 입사각 , 파동의 굴절각 일 때, 이 성립한다. 스넬 법칙에 따라 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 진행하면 파동은 매질 경계면의 수직선에서 멀어지고, 반대 경우에는 가까워진다.-전반사: 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행하는 빛은 경계면의 수직선과 멀어지는 쪽으로 굴절한다. 이 때 굴절각이 90도 이상이 되면 빛은 원래 있던 매질을 벗어나지 못하는 전반사가 발생한다. 스넬 법칙에서 굴절각이 90도인 경우를 구하면 전반사가 일어나는 최소 입사각인 임계각에 대한 식을 얻을 수 있다.-렌즈 방정식: 렌즈를 통해 물체를 볼 때, 렌즈와 물체 사이거리 , 렌즈와 상 사이 거리 , 렌즈의 초점 에 대한 관계식이 렌즈 방정식이다. . 이 양의 값이면 상은 실상, 음의 값이면 허상이다.●실험 준비물기하광학실험 set(레이저 광선 상자, 다양한 렌즈), 레이저 포인터 3개, 분무기, 일반 렌즈 1개●실험 과정1. 실험 장치의 이해*일반적인 레이저 포인터로 다음 그림과 같은 모습을 만들 수 있는가?일반적인 레이저에서 나오는 빛은 편광이기 때문에 빛이 한 방향으로 진행한다. 즉, 레이저에서부터 렌즈를 통과하고 한 점에 모이기 까지의 위치에서부터 관찰자의 안구로 향하는 가시광선은 없다. 따라서 관찰하고 싶은 경로의 모습은 볼 수 없다.*레이저가 지나는 길을 보기 위해 분무기로 물을 뿌리면 어떤가?레이저의 경로를 확인하고 싶으면 경로상의 빛 일부를 반사할 수 있는 장애물을 두면 된다. 전반적인 빛의 진행을 방해하지 않고 일부만 반사하는 장애물로 분무기로 흩뿌린 물이 적당하다. 하지만 지속적으로 물을 뿌리는 행위는 힘이 들고, 물이 고여 실험실 환경에 영향을 줄 수 있기 때문에 이번 실험에 적절하지 않다.*실험 set의 원통형 렌즈(2번)과 일반 렌즈에 손전등을 비추면 어떤 차이점을 보이는가?좌측 사진이 일반 렌즈, 우측이 원통형 렌즈를 비춘 것이다. 두 렌즈를 통과한 빛 모두 여러 개의 상을 만들었다. 일반 렌즈를 통과한 레이저 빛은 어떤 중심점이 있는 것처럼 원형의 상이 모여 있는 듯한 형태를 보였다. 원통형 렌즈를 통과한 빛의 상은 공통된 점 없이 퍼져서 맺힌 듯한 형태를 보였다.손전등에서 나오는 빛은 비(非) 편광이다. 약간의 굴절이 있더라도 막 퍼진 모습을 보이는게 자연스러운 것이다. 즉, 일반 렌즈는 단순한 굴절 이상의 설계가 있다는 것으로 생각할 수 있다. 따라서, 좀 더 예측 가능한 단순한 실험을 위해 앞으로의 실험에서는 원통형 렌즈를 포함해 실험 set에 든 얇은 렌즈들을 사용할 것이다.*레이저 광선 상자는 일반 레이저와 어떤 차이를 보이는지 알아보고, 처음에 레이저 포인터로 만들려고 했던 것을 만든다.레이저 광선 상자로는 빛의 경로를 확인할 수 있었다. 사진 상에서 본 실험 테이블 면을 xy평면이라고 하고, 상자에서부터 렌즈까지의 레이저 진행 방향을 x축이라고 할 때, 일반 레이저는 빛이 진행해도 z 좌표의 변화가 없다. 이와 달리 레이저 광선 상자는 일반 레이저와 동일한 방향은 물론이고, 그와 x, y좌표는 같지만 진행함에 따라 z좌표가 변하는 빛도 방출하고 있다. 그 결과 광원에서 나온 빛 일부가 바닥면서 반사돼 렌즈로 향한 빛의 진행 방향을 확인할 수 있게 된 것이다.2. 스넬의 법칙과 전반사1)실험 방법:(1)아래 그림처럼 레이저와 렌즈를 배치해 스넬의 법칙이 맞는지 확인한다. (대기에서 유리로 입사)(2)물체의 표면에서 빛이 반사되는 현상을 관찰하고 입사각에 따른 빛의 반사량 차이를 관찰한다. (유리에서 대기로 입사)(3)전반사 현상을 확인할 수 있도록 렌즈와 광원을 배치한다. (유리에서 대기로 입사)2)결과 예측:1)보통 유리를 이용한 굴절 실험에서 사용되는 유리의 굴절률은 약 1.5다. 따라서 측정한 모든 경우에서 스넬의 법칙으로 구한 굴절률은 1.5에 근접할 것이다.2)빛은 일반적으로 경계면에 수직 입사할 때, 가장 적게 반사가 일어나고 입사각이 증가할수록 반사도 증가한다. 빛은 특정 입사각에서 반사 광선으로 정의되는 평면을 따라 전기장이 진동해 반사가 생기지 않는 편광각이 있다. 빛의 진행 방향을 생각할 때, 실험에 쓰인 빛은 입사평면에 수평인 p편광이다. 프레넬 방정식에 따라 p편광은 입각이 증가할 때, 편광각에 도달하기 전까지는 반사율이 감소하고 그 이후부터 증가한다. 따라서 이 실험에서 반사된 빛의 조도가 감소하다가 증가하는 양상을 보일 것이다.3)유리에서부터 대기로 입사하는 빛의 전반사 임계각은 약 일 것이다.3)관측 결과:(1)입사각이 30도, 45도, 60도일 때를 이용해 렌즈의 굴절률을 계산했다. (대기의 굴절률은 1로 계산)입사각굴절각렌즈 굴절률오차율약 1.462약 2.53%약 1.459약 2.73%약 1.510약 0.67%(2)각도기 그림의 원 위에서 반사된 빛의 세기를 측정했다.입사각조도(lx)11854893입사각이 증가함에 따라 빛의 세기는 낮아지다가 다시 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 편광각이 30도와 40도 사이임을 실험적으로 확인할 수 있는데 위에 올린 이론상의 그래프에도 편광각이 그 사이에 있음을 확인할 수 있다.(3)아주 천천히 빛의 입사각도를 변동하면서 전반사의 임계각을 찾은 결과 약 43도가 임계각임을 알 수 있었다. (오차율: 약 2.85%)3. 렌즈의 기본 기능1)실험 방법:(1)1번부터 5번까지의 원통형 렌즈에 레이저 상자의 빛을 입사해서 빛이 모이는 점을 찾아 렌즈의 초점을 구한다.(2)렌즈에 5개의 광선이 통과하면 렌즈의 수차 때문에 빛을 한 점에 모으는 것이 쉽지 않다. 렌즈의 수차를 줄일 수 있는 방법을 여러 렌즈를 조합해서 찾는다. (처음 한 개의 렌즈는 반사 실험에서 사용했던 반원 렌즈)2)관찰 결과:(1)렌즈의 초점 거리렌즈 번호12345초점거리(cm)16.513.522.531.5-17.5(2)왼쪽에서부터, 반원 렌즈만 있는 경우, 오목 렌즈(5번)를 추가한 경우, 볼록 렌즈(1번)을 추가한 경우다. 오목 렌즈를 추가할 때는 오히려 빛이 더 분산되고, 볼록 렌즈를 추가할 때는 수차가 약간 줄어든 것을 확인했다.4. 렌즈 조합1)실험 방법:빛을 두 개의 렌즈에 통과시켜 첫 렌즈의 초점에서부터 뻗어 나온 빛이 두 번째 렌즈를 통과한 후 어디에서 다시 모이는지 예측하고 확인해본다. (첫 렌즈는 2번, 두 번째 렌즈는 1번 렌즈를 사용했다.)2)결과 예측:첫 렌즈를 통과한 후 빛이 모인 초점에서부터 두 번째 렌즈까지의 거리는 27.5cm이다. 두 번째 렌즈의 초점 거리는 16.5cm이기에 빛이 다시 모이는 위치는 렌즈 공식에 따라 두 번째 렌즈에서부터 다시 빛이 모인 점까지의 거리는 약 41.25cm로 예측된다.3)관측 결과:빛이 모인 곳과 렌즈 사이 거리는 39cm로 측정됐다. (오차율: 약 5.45%)●실험 결과이 실험은 빛의 굴절과 반사 이론을 확인하는 실험으로 모든 실험에서 낮은 오차율을 보였다.●토론분무기로 물을 뿌렸을 때 왜 레이저 빛은 직선적인 모습만 보이는가?분무기로 뿌린 물에 의해 편광이 산란했기 때문에 레이저의 경로를 볼 수 있었다. 그런데 물 분자는 레이저 경로 이외의 공간에도 퍼져 있었다. 산란된 빛의 일부가 다른 물분자에 의해 또다시 산란돼도 이상할 것이 없는 상황인데 어째서 레이저 빛의 경로 이외에는 빛이 관찰되지 않는 것인가”?미시 세계의 일이고 과학적 근거를 대지 못한 불확실한 가설이지만 일단 가설을 세워봤다. 1차적으로 빛이 산란될 때는 한 위치에서 비슷한 방향으로 향하게 되는 편광의 수가 비교적 많을 것이기 때문에 눈으로 확인이 가능하지만, 2차적으로 다시 산란이 발생하면 광자의 수가 줄어 편광이 눈으로 향하더라도 보이지 않을 것이다는 가설을 세워봤다.●Reference핵심물리학 4판 | Richard Wolfson | 심무경 외 옮김 | 2020.01.30 | pp.671-676, 692-698위키피디아(영어) | 검색어: Fresnel equations | 2021.11.15

자연과학| 2022.07.27| 6페이지| 1,000원| 조회(169)

일반물리, 일반물리실험, 전남대학교, A+, 일물실

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[일반물리실험2] A+ 전자기파의 특성 결과보고서

일반물리실험실험 제목: 전자기파의 특성●실험 목적전자기파의 투과 및 전파 특성을 이해한다.●실험 이론-전자기파: 패러데이 법칙에서 자기장 변화가 전기장을 유도한다는 것을 보여주고, 앙페르 법칙은 전기장 변화가 자기장을 유도한다는 것을 보인다. 각 유형의 장 변화는 지속적으로 다른 장을 유도하며 공간을 통해 전파되는 전기적 교란을 형성한다. 이런 전기장과 자기장의 상호작용에 의해 발생한 교란이 전자기파다.-전자기파의 특성(속력): 진공에서 전자기파의 파동의 속력은 로 전기와 자기 상수에만 의존한다는 것을 알 수 있고, 추가로 빛이 전자기파라는 것을 알 수 있다. 전자기파의 속력은 빛의 속력으로 일정하기 때문에 전자기파의 진동수와 파장은 반비례 관계임을 알 수 있다.-국소 파원: 국소 파원에서 발생하는 전자기파의 파면은 팽창하는 구면이다. 이 때 파동의 에너지는 거리의 제곱으로 증가하는 구면으로 퍼진다. 따라서 전자기파의 단위 면적당 일률(세기)는 거리의 제곱에 반비례한다.-회절: 파동이 좁은 틈이나 방해물에 도달할 때 그 너머로 전파되는 현상이다. 회절효과는 지나는 틈의 크기가 좁을수록, 파동의 파장이 길수록 잘 일어난다.-전자기 차폐: 특정 공간을 도체 또는 강자성체로 둘러싸면 외부와 내부의 전자기파의 상호작용이 차단되는데 이를 전자기 차폐라고 한다. 전자기파의 진동수가 높을수록 차폐는 더 잘 발생한다.●실험 준비물스마트폰 2개, 알루미늄 박막, 종이, 줄자●실험 전 사전 준비(토의)-스마트폰에 내장된 통신용 부품의 위치를 정확히 알 수 없기 때문에 통신 부품 사이 거리 대신 스마트폰 사이 거리를 사용했음을 유의하고 실험 데이터를 정리해야 한다.-알루미늄 박막을 이용해 실험할 때, 알루미늄 표면이 매끄러운 정도에 따라 거울 반사가 일어날 수도 있고 확산 반사가 일어날 수도 있다는 점을 유의한다.●실험 과정1. 휴대폰 통신용 전자기파1)실험 방법:스마트폰 하나를 특정한 물질로 감싸고 통신이 가능한지 확인한다. (사용 물질 종이, 알루미늄)2)결과 예측:도체인 알루미늄 박막으로 둘러 쌓인 스마트폰은 전자기 차폐 현상에 의해 통신이 불가능할 것이다. 종이는 도체가 아니기 때문에 전자기 차폐 현상이 거의 일어나지 않을 것이다. 따라서 통신이 가능할 것이다.3)관측 결과:알루미늄 박막으로 스마트폰을 완전히 감싼 결과 전화를 걸어도 착신음이 들리지 않았다.종이로 스마트폰을 완전히 감싼 결과 전화를 걸면 착신음을 제대로 들을 수 있었다.*빛은 종이를 투과하지 못했는데 스마트폰의 전자파는 통과한 이유는 무엇인가? (보고서 작성자의 주관적 견해)실험에 쓰인 스마트폰의 통신 대역에서 전자기파의 파장은 약 138~139mm이다. 가시광선의 파장 대역은 약 400~700nm다. 가시광선은 파장이 짧아 회절 효과가 작았고, 그에 비해 파장이 긴 통신용 전자기파는 회절이 상대적으로 잘 일어났기 때문에 종이 너머의 스마트폰까지 도달한 것이다.2. 거리에 따른 전자기파의 세기cf) 단위 변환W 단위dBm 단위1 mW0 dBm100 mW20 dBm200 mW23.0 dBm1 W30 dBm1 W-30 dBm*통신에 사용한 스마트폰의 블루투스 장치는 모두 버전 5.0으로 최대 통신거리는 사무실 같은 환경 기준으로 약 23m다.1)실험 방법:약 2.4GHz의 주파수 대역에서 통신을 하는 블루투스 통신으로 두 스마트폰이 주고받는 신호의 세기를 측정해 최대 통신 거리가 대략 얼마인지 확인한다.2)결과 예측:전자기파의 세기는 로 표현할 수 있다. 따라서 거리를 조금씩 벌리며 측정 데이터를 모으면 역제곱 함수에 가까운 그래프를 얻을 수 있다. 그렇다면 제대로 통신할 수 있는 거리는 그래프가 역제곱 함수를 그리기 않게 된 시점(신호 교란이 심해지는 시점) 또는 신호가 완전히 끊긴 시점이라고 할 수 있다.3)관측 결과:줄자 범위를 넘어 임의의 거리에서 측정했음에도 블루투스 신호가 잡히는 것을 확인했다. 따라서 신호 세기의 추세가 역제곱 형태를 띄우지 않는 시점을 측정했다.*스마트폰 사이 거리에 따른 신호 세기W단위로 전자기파의 세기를 표시하고 그래프를 그린 결과 추세는 역제곱 함수의 그래프와 유사함을 확인할 수 있었다. (데이터 상에 표기한 거리는 실제 통신 장치 사이의 거리가 아니라 위 사진처럼 스마트폰 본체 사이 거리를 측정한 값이다. 따라서 오차 범위를 구하기 위한 계산에 쓰일 수 없다.)이론상 전자기파의 세기는 역제곱 함수이기 때문에 파원으로부터 거리가 멀어질수록 세기는 약해져야 한다. 하지만 데이터 상에서 80cm 거리에서 그 직전 데이터보다 신호가 강해졌고, 그 다음 데이터도 신호가 강해진 것을 관찰했다. 이로써 실험실과 비슷한 환경에서 신호 교란을 많이 받지 않고 블루투스 통신이 가능한 거리는 60~80cm 사이임을 확인할 수 있었다.3. 알루미늄 박막과 전자기파1)실험 방법:(1)스마트폰을 알루미늄 박막으로 감싸고 어느 정도 크기의 틈이 있을 때 2.4GHz 전자기파로 통신이 가능한지 확인한다.(2)알루미늄 박막을 활용해 블루투스 세기를 증폭시킬 방법을 생각한다.2)결과 예측:(1)알루미늄 박막으로 스마트폰을 완전히 밀봉하면 전자기 차폐 현상에 의해 블루투스 통신이 불가능할 것이다. 주파수 2.4GHz의 전자기파는 약 125mm의 파장을 가지고 있다. 파장 138~139mm의 전파를 쓰는 음성 통신 실험을 할 때 육안으로는 스마트폰이 밀봉됐다고 생각될 정도로 작은 틈이 있을 때 통신이 가능한 것을 확인했다. 따라서 파장이 더 짧아서 파장에 의한 회절 효과가 음성 통신 전파보다 더 작은 블루투스 통신은 통신이 가능하도록 회절효과를 높이기 위해 음성 통화 때의 경우보다 아주 조금 더 넓은 틈을 만들면 통신이 가능할 것이다.(2)물질의 표면에서 파동이 반사된다는 성질을 이용해 무의미한 공간으로 퍼지는 전자기파를 모으기 위해, 두 스마트폰을 직선으로 이을 수 있는 방향을 제외하고는 스마트폰 주변을 알루미늄 박막으로 둘러싸면 블루투스 신호를 증폭시킬 수 있을 것이다.3)관측 결과:(1) 스마트폰을 알루미늄 박막으로 완전히 감싸면 다른 스마트폰이 박막에 접촉하지 않는 이상 블루투스 신호를 전혀 감지할 수 없음을 확인했다. 그리고 1차적으로 자로 측정할 수 없을 정도로, 육안으로 틈이 있다는 판별이 안될 정도로 아주 좁은 틈을 알루미늄 박막에 만들었다. 그 결과 즉시 통신이 가능했다. 따라서 음성 통신 때보다 틈의 넓이가 더 넓었는지는 확인할 수 없었다.(2)설계 없이 주위를 알루미늄 박막으로 둘러싼 결과, 신호가 전혀 증폭되지 않았다. (어떻게 설계했으면 성공했을 지에 대한 이야기는 ‘토론’에서 다루겠다.)●실험 결과이 실험은 전자기파의 성질을 이해하는 실험으로 이론을 통해 예측한 모델과 흡사한 모델을 얻을 수 있는 실험이었다.●토론알루미늄 박막으로 어떤 구조를 만들어야 통신 신호를 증폭시킬 수 있는가?알루미늄 박막이 이용되는 이유는 매끈한 도체 표면은 파동을 반사(거울 반사)할 수 있기 때문이다. 전자기파가 반사될 때 그 입사각과 반사각의 크기는 동일하다. 목적을 이루기 위해서는 이런 반사된 파동의 성질을 이용해 통신에 사용되지 않고 퍼진 전자기파를 어느 한 점으로 모을 수 있는 구조물을 제작해야 한다. 이를 만족할 수 있는 성질을 지닌 도형을 생각하고 하나 떠오른 것이 타원이었다. 타원은 두 개의 초점을 가지고 있는데 각 초점에서부터 타원 위 임의의 한 점에 선분을 그리면 각 선분이 그 점에서 타원의 접선과 이루는 각도가 동일하다는 성질이 있다. 이는 접선에 수직인 직선이 두 초점과 한 점이 만든 두 선분이 이루는 각의 이등분선임을 보이게 된다. 즉, 타원의 한 초점을 지나서 타원에 충돌한 입사 광선은 또다른 타원 초점을 지나게 된다는 말이 된다. 즉 두 스마트폰의 블루투스 통신 부품을 타원의 초점으로 생각하고 타원형 벽을 만들어 세우면 신호를 증폭시킬 수 있다.지오지브라로 모델링한 타원그렇다면 3차원 공간에 퍼지는 모든 전자기파를 한 점에 모아 신호 손실이 없는 이상적인 구조물을 만들 수 있을까? 어떤 입체도형을 만들면 되는 것인가? 두 블루투스 통신 장치를 모두 지나도록 도형의 단면을 만들 때 어떤 단면이든지 타원이 되면 된다. 이런 입체도형은 다음 사진과 같다. 이는 2차원 평면에 그려진 타원의 두 초점을 지나는 직선을 축으로 만든 회전체다.지오지브라로 모델링한 회전체●Reference핵심물리학 4판 | Richard Wolfson | 심무경 외 옮김 | 2020.01.30 | pp.641-659. pp.671-672위키피디아 | 검색어: 회절 | 2021.10.18위키피디아 | 검색어: 전자기 차폐 | 2021.04.06블루투스 SIG 공식 사이트 | https://www.bluetooth.com/ko-kr/learn-about-bluetooth/key-attributes/range/

자연과학| 2022.07.27| 6페이지| 1,500원| 조회(301)

일반물리, 일반물리실험, 전남대학교, A+, 일물실

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[일반물리실험2] A+ 모터와 발전기 결과보고서

일반물리실험실험 제목: 모터와 발전기●실험 목적전류로 자기장을 만드는 모터와 자기장의 변화로 전류를 만드는 발전기의 원리를 이해한다.●실험 이론-전류가 만드는 자기력: 크기가 B인 자기장 안에서 전류 I가 흐르는 도선이 받는 자기력은-전자기 유도: 영구 자석 등을 통해 만든 자기장 속에 회전을 만들 회전 고리를 배치하고, 고리에 전류 공급으로 자기장을 형성해 자기력-자기 다발: 어떤 닫힌 표면을 지나는 자기 다발은 다음과 같이 정의된다. cf)편평한 표면에서의 자기 다발-패러데이 법칙: 회로의 유도 기전력은 회로로 속박된 표면을 지나는 자기 다발의 변화율에 비례한다. 식으로 표현하면 , 유도 기전력은 자기 다발 변화의 반대 방향으로 생기기 때문에 음의 방향으로 표시된다.-모터: 회로에 전류를 흘려 회로에서 발생한 자기장과 영구 자석의 자기장 사이의 상호작용에 의해 회로의 회전자가 자기력을 받아 돌림힘을 만들어 회전하는 현상을 이용한 장치로, 전기 에너지를 역학적 에너지로 전환하는 기계다. 전류가 계속 한 방향으로 흐르면 고리의 면이 자석의 자기장과 수평이 될 때 정지한다. 따라서 지속적인 회전을 위해 직류 전원에 연결된 경우 고리가 180도 회전할 때마다 교환자라는 부품이 전류의 방향을 바꿔 고리가 지속적으로 회전할 수 있게 한다. 정상 전류가 아닌 교류 전류를 이용하면 별도의 변환 과정 없이 지속적인 회전을 만들 수 있다.-발전기: 모터와 비슷한 구조를 가지고 있고, 역학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 역할을 한다. 자기장 속의 고리가 회전하면 고리의 면을 통과하는 자기 다발의 크기도 변하게 된다. 자기 다발의 변화의 반대 방향으로 유도 기전력이 발생한다는 점을 이용한 것이다. 고리를 통과하는 전기 다발은 시간에 따라 사인 함수로 변하기 때문에 고리가 180도 회전할 때마다 전류의 방향이 바뀌는 교류 전류가 생성된다. 모터처럼 교환자를 이용하거나 다이오드를 이용하면 직류 전류를 생성할 수 있다.●실험 준비물모터/발전기 set, 집게 전선, 멀티미터, 원형의)-전압계는 회로에 병렬연결해 회로에 영향을 최소화한다.-모터 실험에서 코일이 잘 회전하도록 하려면 전원을 연결하기 전에 코일의 고리가 둘러싼 면이 자석의 자기장과 평행 또는 수직 방향이 되지 않도록 유의한다.●실험 과정1. 코일에 흐르는 전류가 만드는 자기장실험 장치에는 양쪽에 고정된 영구자석이 있고 그 중간에 회전하는 코일이 있다. 두 영구 자석 사이에서는 균일 자기장이 형성된다. 그렇기 때문에 회전고리는 다음 그림처럼 힘을 받는다.고리가 받는 모든 힘의 합력은 0이다. 하지만 회전 축 위에서 고리를 바라볼 때의 경우에서 알 수 있듯이 고리는 돌림힘을 받아 회전운동을 하게 된다.1)실험 방법:회전축의 브러쉬를 아래 그림과 같이 배치하고 회로에 5V 이하의 전압을 가한다. 이 때 코일이 받을 힘을 예상해 코일의 움직임을 예측하고 실제 움직임과 비교 관찰한다.2)결과 예측:처음 전압을 가하면 회전코일이 회전하기 시작한다. 위 그림처럼 브러쉬를 배치하면 회전 코일이 얼마나 회전하든지 코일 내의 전류 방향은 변하지 않는다. 따라서 코일이 자기력에 의한 돌림힘으로 회전하다가 코일 면이 자기장에 수직이 될 때 돌림힘이 0이 되었다가 그 지점(이 지점을 A라 하겠다)을 넘어서면 돌림힘 방향이 처음과 반대가 된다. 따라서 코일은 A를 지난 후 가진 운동에너지에 따라 감쇠운동을 하다가 정지하거나 즉시 A에서 정지할 것이다.3)관측 결과:좌측 사진은 초기의 장치 사진이고, 우측 사진은 5V 전압을 가해 회전하다가 정지한 코일의 사진이다.예상대로 코일은 움직이다가 코일면이 자기장과 수직이 되는 지점에서 정지하는 것을 관찰할 수 있었다.2. 모터의 원리*실험 1의 장치와 달리 코일이 한 방향으로 계속 회전하도록 만들려면 어떤 장치가 필요할까?실험 1의 경우와는 달리 어떤 경우에도 돌림힘의 방향이 바뀌지 않는 장치를 만들면 된다. 즉, 위 실험에서 코일에 흐르는 전류 방향 또는 자기장의 방향이 A지점을 지날 때 바뀌면 된다. 이를 실현하는 방법은 다음과 같다.-실험 장치에 원형 (자기장 방향을 바꾸는 방법)-주기가 장치의 회전코일의 회전 주기와 동일한 교류전류를 연결한다. (전류 방향을 바꾸는 방법)-브러쉬를 교환자에 연결해 회전하면서 코일이 반 바퀴 회전할 때마다 브러쉬가 접촉한 부분이 전환되면서 코일에 흐르는 전류 방향이 바뀌게 한다. (전류 방향을 바꾸는 방법)이번 실험은 이 중 3번째 방법에 대한 이해가 필요하다.*브러쉬, 회전축의 역할회전축을 보면 코일에 전류를 공급할 통로 역할을 하는 금속이 사이에 틈을 두고 둘로 갈라진 것을 볼 수 있다. 브러쉬 A와 B가 있다고 할 때, A와 B는 회전축의 다른 부분에 접촉해 있다. 코일이 회전하면서 회전축에 있는 틈을 기점으로 브러쉬 A와 B가 접촉한 회전축 면을 서로 교환하게 되고 이 때문에 교일 내의 전류 방향이 바뀌어 다음 그림처럼 코일의 돌림힘 방향은 일정하게 유지된다.1)실험 방법:브러쉬를 다음 그림과 같이 배치한다. 그 후 전압을 가할 때 코일의 움직임을 관찰하고, 전압이 바뀌면 움직임이 어떻게 바뀔지 예측하고 관찰한다.2)결과 예측:전압을 가했을 때는 브러쉬의 역할에서 언급했듯이 회전 코일이 받는 돌림힘의 방향을 일정하기 때문에 회전 코일이 지속적으로 회전하는 모습을 보일 것이다. 을 통해 코일의 회전 각속도는 에 따라 전류의 크기에 비례함을 알 수 있다. 그리고 거시적 옴의 법칙 에 따라 전류는 전압에 비례하기 때문에 결과적으로 코일의 각속도는 전압에 비례한다. 즉, 전압에 대한 코일의 각속도는 전압이 커질 수록 증가하면서 선형성을 띌 것이다.3)관측 결과:전압을 5V, 5.5V, 6V, 6.5V, 7V, 7.5V로 바꾸면서 관찰했고, 시간이 8분의 1배가 되는 슬로우 모션 모드로 실험 기구를 촬영했다. 영상에서 1초(현실 1/8초) 동안 회전 코일의 회전 각도를 Tracker 프로그램을 통해 읽어내 회전 속도를 구했다.예상대로 전압을 가한 실험 장치는 한 방향으로 지속적인 회전을 보였다. 연결된 전압에 커질수록 회전 속도가 커진다는 것도 확인했고 그래프로 표현한 결과림에서 자석이 왕복 운동하면 코일에 전압이 유도된다. 그 전압은 직류인가 교류인가?자기장선의 밀도는 자석에 가까울수록 크다. 따라서 자식이 코일에 다가갈 때는 코일의 면을 투과하는 자기장선이 증가하고, 멀어질 때는 감소한다. 자석이 왕복 운동하면 자기장선의 변화 방향은 주기적으로 변하기 때문에 패러데이 법칙 에 따라 코일에는 교류전류가 형성된다.두 자석사이에 놓인 회전 코일을 회전시키면 자기장선이 통과하는 코일의 면적이 늘었다 줄었다 하기를 반복하면서 코일에는 교류전압이 형성된다. 모터와 마찬가지로 브러쉬와 교환자를 잘 활용하면 발전기로 직류전압이 형성될 수 있다.1)실험 방법:브러쉬는 직전 실험과 동일하게 배치한다. 손으로 직접 코일을 회전시키면서 유도기전력이 실제로 직류 전압인지 확인하고, 얻을 수 있는 최대 전압을 확인해본다.전압의 방향은 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있는 p-n접합 다이오드(발광 다이오드)를 통해 관찰할 것이다. 이 실험장치에서 코일면을 통과하는 자기 선속은 으로 자기 선속의 순간 변화율도 삼각함수 형태일 것이기에 유도 기전력은 0이되는 순간이 있을 수 밖에 없다. 따라서 다이오드 한 방향으로만 연결해보는 것으로는 전압이 직류인지 교류인지 판별할 수 없기 때문에 회로에 다이오드를 연결한 방향을 바꾸며 두 번 관찰한다. 회로에 교류전류가 형성된다면 두 번의 경우 모두 빛이 깜박이는 것을 관찰할 것이고, 직류전류가 형성되면 둘 중 하나의 경우에서는 빛을 전혀 관찰할 수 없을 것이다.2)결과 예측:이 실험 장치에서는 직류 전압이 형성될 것이라고 예측했기 때문에 다이오드를 연결한 두 가지 경우 중에서 한 가지 경우에서만 빛을 관찰할 수 있을 것이다.3)관측 결과:예측대로 불이 들어온 경우에서 다이오드 방향을 바꿔서 연결하니 빛이 나지 않았고, 이로써 발전기에서 생성된 전압이 직류 전압임을 확인했다.순간 최대 전압은 12.35V였다.*발전기로 꼬마전구 또는 모터 작동하기순간 최대 전압이 약 12V였기 때문에 1.5V전구는 어렵지 않게 켤 수 있 발전기의 작동 원리에 대해 이해하고 확인하는 실험으로, 패러데이 법칙과 자기력의 정의를 통해 예측한대로 장치가 작동함을 확인할 수 있는 실험이었다.●토론전구의 빛은 왜 끊기지 않았는가?발전기 실험에서 패러데이 법칙에 따라 유추했듯이 발전기를 돌릴 때 유도 전압이 0인 순간이 있어야 한다. 발광 다이오드를 연결했을 때는 빛이 켜지고 꺼지기를 반복하는 모습을 관찰했다. 멀티미터로 전압을 측정했을 때도 전압이 0으로 측정되는 순간이 존재했다. 하지만 전구를 연결했을 때는 빛의 세기가 강해졌다 약해지기를 반복하는 모습은 관찰했지만 전구가 꺼지는 순간은 없었다(현실 시간의 32분의 1배속인 슬로우 모션으로 촬영한 결과). 이론상 유도기 전력이 0인 순간은 존재하는데 전구는 왜 발전기를 돌리고 있는 동안에는 계속 빛을 방출했을까?전구가 빛을 방출하는 방식을 생각해보며 가설을 하나 세웠다. 전구의 필라멘트는 전기에너지가 열에너지로 전환된 후 2000도 이상의 고온에 의해 빛이 발생한다. 그 말은 순간적으로 회로에 전류가 끊겨도 고온 상태만 유지된다면 잠깐이나마 발광 상태를 유지할 가능성이 있다는 뜻이 된다. 순간 회로에 걸린 유도 기전력이 0이 되도 그 이전에 걸렸던 유도 기전력에 의해 발생한 열에너지가 발광 상태를 유지했기 때문에 빛이 끊이지 않았을 것이다. 이 가설은 다음 방법으로 확인해보면 참인지 확인해볼 수 있다. 먼저 이번 실험에서 사용한 발전기를 돌리다가 손을 놓는 순간부터 전구의 빛이 완전히 사라지는데 걸리는 시간을 측정해본다. 그리고 발광 다이오드를 연결해 발전기를 돌리고 다이오드에 빛이 들어왔다 꺼지는 걸 한 주기라고 할 때 반 주기는 얼마인지 측정한다. 발광 다이오드의 반 주기가 전구 빛이 꺼지는데 걸리는 시간보다 짧다면 온도 때문에 전류가 끊겨도 빛이 바로 끊이지는 않았기 때문에 전구가 꺼지지 않았다는 것이 증명된다.●Reference핵심물리학 4판 | Richard Wolfson | 심무경 외 옮김 | 2020.01.30 | p.566, 572-579

자연과학| 2022.07.27| 6페이지| 1,000원| 조회(163)

일반물리, 일반물리실험, 전남대학교, A+, 일물실

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