1. 실험제목본 실험은 ‘에너지 보존 법칙’을 알아보는 시험이다.2. 실험목적(Introduction)자동차가 다양한 형태의 트랙을 지나게 하면서, 트랙의 여러 지점에서 자동차의 속도를 측정한다. 자동차의 위치에너지와 운동에너지를 모두 계산한 후, 트랙의 각 지점에 대해 총 에너지를 계산하고 비교해 볼 수 있다.만곡형 트랙을 이용한 실험을 통해 구심력 개념을 이해할 수 있다.3. 방법(Method)3.1 이론 및 원리(1) 에너지 보존 법칙외부 알짜힘이 없는 고립계에 대해 처음의 모든 종류의 에너지의 합과 나중 시간에서의 에너지 총합은 일정하다. 즉, 에너지의 형태는 바뀔 수 있으나 생성되거나 사라질 수 없다. 이 법칙을 수식으로 표현하면 다음과 같다. Δ Δ Δ ΔΔ 계의 역학에너지 변화 Δ 계의 열에너지 변화Δ 계의 모든 다른 형태의 내부에너지 변화Δ는운동 에너지의변화Δ 와퍼텐셜에너지의 변화인 Δ의 합이다해당 실험에서 마찰을 무시한다면, 자동차의 총 에너지는 변하지 않는다.(2) 고립계‘계’가 주위로부터 고립되어 있다면, 그 계에는 에너지 전달이 이뤄지지 않는다.즉 에너지 보존이 성립되어 고립계의 전체 에너지 E는 변할 수 없다.(3) 위치에너지위치 에너지란 보존력이 작용하는 공간 내에 있는 물체가 위치에 따라 잠재적으로 가지는 에너지이다 . 위치 에너지의 공식은 다음과 같다. × × 중력가속도 물체의 질량 기준면으로 부터 떨어진물체의 높이(4) 운동에너지운동 에너지란 운동하는 물체가 정지해 있을 때에 비해 얼만큼의 에너지를 가지고 있는 지를 나타내는 물리량이다. 위치 에너지의 공식은 다음과 같다. 물체의 질량 물체의 속력 해당 실험에서 자동차의 총 에너지 E는 운동에너지와 위치에너지의 합과 같다.
1. 실험제목본 실험은 ‘도르래-역학적 에너지 보존’ 실험이다.2. 실험목적(Introduction)본 실험을 통해, 마찰을 이용해 추를 들어올리는 경우와, 도르래를 이용해 추를 들어 올릴 경우의 역학적 에너지 효율을 비교한다. 기계적 이득을 얻기 위한 복합도르래를 구성해보고 역학적 에너지 보존을 검증할 수 있다.3. 방법(Method)3.1 이론 및 원리(1) 역학적 에너지 보존역학적 에너지(기계적 에너지)란 물체의 운동 상태에 따라 결정되는 위치에너지와 운동 에너지의 합을 의미한다. 마찰이나 공기 저항과 같은 다른 외력이 없다면, 물체의 역학적 에너지는 항상 일정하게 보존된다는 ‘역학적 에너지 보존 법칙’이 성립한다. 하지만 현실에서는 물체가 운동할 때, 물체의 역학적 에너지가 다른 형태로 전환되기 때문에 역학적 에너지 보존이 완벽하게 이뤄지긴 어렵다.(2) 위치 에너지와 운동 에너지위치 에너지란 보존력이 작용하는 공간 내에 있는 물체가 위치에 따라 잠재적으로 가지는 에너지이다. 위치 에너지의 공식은 다음과 같다. × × 중력가속도 물체의 질량 기준면으로 부터 떨어진물체의 높이운동 에너지란 운동하는 물체가 정지해 있을 때에 비해 얼만큼의 에너지를 가지고 있는 지를 나타내는 물리량이다. 위치 에너지의 공식은 다음과 같다. 물체의 질량 물체의 속력 (3) 일일은 물체에 힘을 가했을 때, 힘이 가해진 방향으로 움직인 거리와 힘을 곱한 물리량을 의미한다. 단위는 J(줄)을 이용한다.(4) 도르래도르래는 바퀴에 끈을 달아서 물체에 가해지는 힘의 방향을 바꾸거나 투입되는 힘의 크기를 줄여주는 장치이다. 고정 도르래, 움직 도르래, 그리고 복합 도르래로 구성된다.
<실험1>을 통해 진동수가 커짐에 따라 파장이 작아짐을 확인할 수 있다. ‘줄’이라 는 동일한 매질을 이용했고 매질에서 전파되는 파동의 속도가 일정하므로 진동수와 파장의 곱은 일정해야한다. <실험1>에서는 모든 경우가 일치하지는 않지만 평균값 에 근사하는 값을 가진다. x배 진동이 나타나는 진동수를 정확하게 특정하기는 어 렵다. 따라서 진동수를 특정 짓는 과정에서 실험자의 주관이 개입되었기 때문에 이 와 같은 오차가 발생했다.<실험2>를 통해 줄의 장력이 커질수록 진동수와 , 가 모두 커지는 양상을 확 인할 수 있다. 파동의 속도에 줄의 장력이 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이론값 과 측정값 간의 속도에 대한 오차가 발생하였는데, 줄이 진동할 때 위아래로만 흔 들린 것이 아니라 좌우로도 흔들렸기 때문에, 이상적인 실험의 이론값과 차이가 생 겼다.
첫 번째 실험에서, 측정한 회전디스크의 각가속도를 이용하여 회전디스크의 관성 모멘트를 구했다. 여기서 관성 모멘트의 측정 계산값과 이론값 사이의 오차가 17.6% 발생하였는데, 오차 원인은 다음과 같다. 실험실 내에서는 원판에 가해지는 공기저항이 있다. 따라서 원판의 각속도는 이론값과 달라진다. 따라서 이론값과의 오차가 발생하게된다. 그리고 3단 추세선의 기울기를 구하는 과정이 정밀하지 못했 다. 그래프에서 선형으로 나타나는 부분의 기울기를 측정해야하는데, 선형이 나타 나는 범위를 판단하는 과정에서 오류가 생겼다. 두 번째 실험에서, 세차 운동 각속도의 결과값에서 측정값과 이론값의 오차가 13.3% 발생하였다.