Experiment 2. Motion of Gyroscope (Part I)자이로스코프의 운동에 대해 탐구해보기 위해 자이로스코프의 수평축 균형을 맞춘 후 관성바퀴가 회전하지 않는 상태에서 운동을 관찰하였다. 먼저 관성 바퀴의 수평축 끝을 수평 방향으로 살짝 민 후 어떻게 운동하는지 살펴보았다. 그 결과 바퀴는 수평을 유지하며 회전을 지속하며, 마찰에 의해 회전하는 각속도는 점차 감소하는 양상을 보인다.다음으로 굵은 줄을 감은 후 당겨서 관성바퀴를 회전시킨 후 위와 동일하게 수평축의 끝을 수평 방향으로 살짝 민 후 운동을 관찰했다. 반시계 방향으로 회전시켰을 경우 회전 바퀴의 속력을 변화시켜도 축이 무게추 방향으로 쳐지는 현상이 발생하였다. 시계방향으로 회전시켰을 경우 축은 무게추 반대 방향으로 쳐지며, 미는 힘의 세기를 약하게 했을 때에는 축이 원을 그리며 회전한다.Experiment 3. Motion of Gyroscope (Part II)실험 3에서는 위와 동일하게 장비를 설치하고 나서 관성바퀴를 회전시킨 후 수평축에 지속적으로 힘을 가했을 때 어떠한 운동을 하는지 관찰하였다. 관성바퀴가 시계방향으로 회전하고 있고, 아래쪽으로 힘을 작용할 경우 수평축은 반시계방향으로 회전하게 된다. 반대로 위쪽으로 힘을 작용할 경우 수평축은 시계방향으로 회전하며, 오른쪽으로 힘을 작용할 때에는 수평축 자체가 하강하는 양상을 보인다. 마찬가지로 왼쪽으로 힘을 작용할 때에는 수평축 자체가 상승하는 운동을 보였다.또한 관성바퀴가 반시계방향으로 회전하고 있을 때 위와 같이 힘을 작용할 경우, 반대의 결과가 나타나게 된다. 즉 아래쪽으로 힘을 작용할 경우 수평축은 시계방향으로, 위쪽으로 힘을 작용할 경우 수평축은 반시계방향으로 운동한다는 것이다. 그리고 오른쪽으로 힘을 작용할 때에는 수평축이 상승하고, 왼쪽으로 힘을 작용할 때에는 수평축이 하강하는 양상을 보인다.
8. 토의 및 건의 사항 열 차례의 실험의 오차율을 살펴보면, 9.80%에서 19.8% 사이의 오차율이 났음을 알 수 있다. 특히 주목할 만한 점은 적색 레이저보다 파장이 짧은 녹색 레이저로 실험을 했을 때 오차율이 크게 났다는 것이다. 그리고 모두 오차율이 양수라는 것이다. 이렇게 오차가 난 원인은 여러 가지가 있겠지만 가장 큰 원인은 간섭 무늬의 개수를 셀 때 발생했을 것이다. 수동으로 마이크로미터를 돌리면서 회절 무늬의 개수를 세다가 몇 개를 놓쳤을 가능성도 있고, 간섭 무늬의 어느 지점부터 1개라고 세야 할지 정하지 않아 최대 간섭무늬 한 개 분의 오차가 더 생겼을 것이다. 그리고 m 값을 50 내외로 정한 후 실험을 하였기 때문에 어쩔 수 없이 발생하게 되는 오차가 상대적으로 더 크게 영향을 끼쳤을 가능성이 있다.
7. 결과 분석Experiment 1. Diffraction from a Single Slit실험 1에서는 단일 슬릿의 회절 현상에 대해 조사하여 보았다. 단일 슬릿을 통과한 레이저 빛의 중앙으로부터의 거리에 따른 밝기 변화를 조사하여 실험적으로 얻은 레이저의 파장값을 reference 값과 비교하였다. 단일 슬릿의 폭과 사용한 레이저의 파장을 다르게 하여 총 4회 실험을 진행하였는데 Run #1은 녹색 레이저와 폭이 넓은슬릿, Run #2는 녹색 레이저와 폭이 좁은 슬릿, Run #3 은 적색 레이저와 폭이 좁은 슬릿, Run #4는 적색 레이저와 폭이 넓은 ( mm) 슬릿을 이용하였다. 그 결과는 표 1과 같이 Run #1에서는 -0.81%, Run #2에서는 -15.60%의 오차율을 보였고, Run #3에서는 -14.97%, Run #4에서는 -11.98%의 오차율을 보여 전체적으로 약 -1 ~ -15% 정도로 실제 값보다 파장이 더 짧게 측정되었다. 그리고 녹색 레이저의 경우 보다 적색 레이저의 경우, 그리고 슬릿의 폭이 넓은 경우보다 좁은 경우 오차율이 더 커지는 경향이 발견되었다.또한 슬릿의 폭이 감소할수록 회절 무늬는 조금이지만 넓게 퍼짐을 알 수 있었다. 이론적으로는 sin이므로 값이 작아질수록 sin 값이 커지는 것으로 넓게 퍼짐을 증명할 수 있다. 또한 만약 슬릿의 폭이 빛의 파장 수준으로 감소할 경우, 중앙 ( )의 극대 무늬가 점점 더 넓게 퍼지다가 가 되는 순간 극소점이 사라지게 될 것이다. 이론적으로 그러한 경우 sin이 되는데, 이 정수가 되는 지점이 극소점이 되지만 최솟값인 1을 넣을 경우 가 되어 극소점은 무한히 먼 곳에 위치하게 되므로 따라서 중심부가 가장 밝고 양극단으로 갈수록 점차 어두워지게 나타나게 될 것이다. 또한 가 된다면 무한히 먼 곳에서도 극소점이 나타나지 않게 되지만, 육안으로는 인 경우와 비슷하게 보여질 것이라 예측된다.
7. 결과 분석Experiment 1. DC R-C Circuit 실험 1에서는 직류 RC 회로에서 충·방전을 반복할 때 그려지는 전압 그래프를 가지고 이론과 부합하는 지 확인하는 작업을 진행하였다. 8. 토의 및 건의 사항 비록 이번 실험에서는 큰 오차율을 보이지는 않았지만, 여러 가지 오차의 원인이 존재한다. 먼저 해결할 수 없는 오차로는 전선과 전기 장치 자체의 저항에 있다. 계산하여 실험 데이터 분석 시 실제로 반영된 인덕터의 자체 저항값은 실제로 약 5.5943 Ω으로 적지 않은 값을 보였지만 전선이나 다른 전기 기구 등에 대한 자체 저항값은 없다고 가정하고 분석하였기 때문에 오차가 발생하였을 것이다. 그 다음으로 측정에서의 오차가 있다. 실제로 Experiment 1과 2에서 Kirchhoff 법칙을 계산할 때 을 4 V로 설정했음에도 최댓값은 3.9 V 전후로 측정되어 실제로는 대략적으로 평균을 내어 그것의 63.2%, 36.8% 값을 내었다. 하지만 이 대략적으로평균을 낸 값이 실제 평균값이나 이론값과는 차이가 있어 여기에서 오차가 발생했을 가능성이 있다. 게다가 Experiment 2에서는 Run #3의 경우 전압이 충분히 최댓값이 도달하기 전에 입력 전압이 바뀌어 조금 더 큰 오차가 발생했을 것으로 추측된다. 그리고 세 종류의 저항의 실제 저항 값은 실험 종료 후 멀티미터로 측정했는데, 이때 측정값과 실제 실험을 하는 도중 저항 값이 약간 달라질 수 있어 여기서 오차가 발생할 수 있다. 그리고 Experiment 6에서는 전류 값이 일정하게 공급되지 않고 시간에 따라서 계속 요동치고, 데이터 간 전류 값의 차이도 작기 때문에 이전 데이터와 다른 경향성을 가지는 것이 흔하게 발생한다. 만약 정확히 측정되었다면, 114 Hz 이후 조금 더 증가하다가 감소하는 양상을 보여야 하는데 그렇지 않아 오차가 발생하였다.
5. 실험 결과Experiment 1-1. Experimental Conditions 실험 1-1에서는 밀리컨의 유적(油滴, 기름방울)실험을 통해 기본 전하량을 측정하기에 앞서서 기본 조건에 대해 측정했다. spacer의 간격을 나타내는 는 버니어 캘리퍼스로 측정한 결과 1.00×10-2 m로 측정되었고, 멀티미터를 통해 계산한 결과 thermistor의 저항값은 평균적으로 8.73 kΩ이었다. 그리고 사용한 기름의 밀도는 886 kg/m3이었으며, 축전기 전극간 전위차는 300. V로 맞춰놓고 실험을 시작하였다. 또한, 1주차 실험 매뉴얼에 기재된 thermistor 저항-온도 변환 표에 가장 비슷한 저항값이 없었기 때문에, thermistor의 온도를 결정짓는 저항-온도 관계식을 찾아 선형화시킨 후 저항값을 대입하였다. thermistor의 저항값은 는 상온 (단위는 켈빈)에서의 저항값, 는 thermistor 상수일 때 다음과 같이 표현할 수 있다. 이 식의 양변에 자연로그를 취하면 ln ln가 되는데, 이는 그림 1과 같이 x축이 이고 y축이 ln인 경우에서 기울기가 이고 y절편이 ln인 직선과 같다. 이 때, 온도가 상승할수록 저항값이 작아지기 때문에 이 직선의 기울기는 양수임을 알 수 있다. 매뉴얼에 주어진 데이터를 통해 값과 값을 구할 필요 없이 바로 저항값을 대입해서 온도를 구하면 약 28.52℃라는 값이 도출된다.그림 1 thermistor의 저항과 온도의 관계Experiment 1-2. Mesured Values 실험 조건을 확인한 후 본격적으로 실험을 실시하였다. 먼저 전기장을 생성시키고, 기름방울을 주입한 후 대전시켜 적절한 기름방울을 선택하여 0.5mm (눈금 다섯 개)를 자유낙하하는 시간을 재고, 전기장을 반대로 걸어 상승하는 시간을 재는 것을 5회 반복한다. 이것을 다른 방울을 찾아 10회 반복한다. 실험하는 도중에 전원 공급기가 제공하는 전력의 전위차가 실험시마다 바뀌었고, 실험 결과는 아래의 표와 같다.