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[실험보고서] A+ 받음 물리학 및 실험 1 보고서 - 중력가속도 1

1)목적?마찰 없는 미끄럼판(air track)과 광감지기(photogate)를 이용하여 마찰이 없는 등가속도 운동을 실현해 봄으로써 가속도 운동의 기본개념을 익히고 중력가속도를 실제로 측정해 본 다.2)이론? 마찰을 무시할 때 각도theta 만큼 기울어진 비탈면 위에 있는 물체에 작용하는 힘F _{1} =mgsin theta 이기 때문에 가속도a의 크기는g`sin theta 이다.(단.g=9.8m/s ^{2})이 때 가속도는 시간에 따라 변하지 않으므로 다음 식이 성립 된다.D=v _{o} t+ {1} over {2} at ^{2} (1) (단,t = 경과한 시간 ,D = 움직인 거리,v _{o} = 처음 속도)빗면 위에 물체를 가만히 놓을 때는v _{o} =0 이고 위에서 구함과 같이 가속도a`=`gsin theta 이기 때문에 위식을 다음과 같은 식으로 변형할 수 있다.D= {1} over {2} g`sin theta ``t ^{2} (2) 이 되고, 따라서 거리D 와 시간t를 측정해 중력가속도g 를 측정하기 위해 정리하면 다음과 같은 식으로 변형할 수 있다.g= {2D} over {t ^{2} sin theta } (3)3)실험장치 및 기구에어트랙(air track)/압축공기 공급장치(air supply)포토게이트 타이머(photogate timer),포토게이트(photogate)글라이더(glider),플래그(flag)기타(미터자, 받침목, 수평자)4)실험방법? ? 수평자를 이용하여 에어트랙의 수평을 맞춘다.? 높이h의 받침목을 에어트랙의 한쪽 끝에 괴고 글라이더를 높은 쪽에서부터 한두 차례 미끄러뜨려 보아 마찰이 없이 잘 내려가는지 확인한다.? 포토게이트 타이머를 pulse 모드로 하고 글라이더를 미끄러뜨려 보아 포토게이트 타이머가 주어진 방법대로 동작하는지 확인한다.? 높은 쪽에서 글라이더를 정지 상태에서 출발시켜 거리D를 지나는 데 걸리는 시간t를 측정한다. 이때 포토게이트는 글라이더가 출발하자마자 바로 작동할 수 있도록 최대한 글라이더에 가깝게 놓아야 한다.? 같은 실험을 3회 정도 반복하여 이동시간t의 평균값을 구한다.? 거리D를100cm 의 경우에 대해 실험한다.? 이론 식 (3)을 이용하여 중력가속도g를 계산하고, 이때g에 대한 오차를 설정해 본다.? 앞의 실험 과정을 받침목의 높이h를 바꾸어 반복한다.5) * Air Track 다리 사이의 길이d* Photo Gate 사이의 거리D* 받침목의 높이hDhsin theta = {h} over {D}100 ㎝8 ㎝{2} over {25}횟수1회2회3회4회5회평균시간t1.51231.49861.53271.51501.51401.5145측정값`g= {2D} over {t ^{2} sin theta }오차% {LEFT | g(측정값)-g RIGHT |} over {g} TIMES 10010.899411.2184Dhsin theta = {h} over {D}100 ㎝10 ㎝{1} over {10}횟수1회2회3회4회5회평균시간t1.37621.34151.38591.36751.36791.3679측정값`g= {2D} over {t ^{2} sin theta }오차% {LEFT | g(측정값)-g RIGHT |} over {g} TIMES 10010.68869.6703Dhsin theta = {h} over {D}100 ㎝12 ㎝{3} over {25}횟수1회2회3회4회5회평균시간t1.23981.24511.25331.24631.24591.2461측정값`g= {2D} over {t ^{2} sin theta }오차% {LEFT | g(측정값)-g RIGHT |} over {g} TIMES 10010.73359.52556) 분석 및 토의이번 실험을 통하여 에어 트랙에서의 마찰이 없는 에어 트랙에서의 글라이더의 가속운동을 통하여 마찰 없는 등가속도운동을 실현시켜 가속도운동과 중력가속도의 값을 측정해보았다.매 실험마다 사람의 손으로 하기 때문에 오차가 나겠지만 특히 이번 실험의 경우에는 포토게이트 타이머에서 거리를 측정할 때와 글라이더의 초기속도를 0으로 맞추지 못한 점 매번 글라이더를 떨어뜨릴 때 마다 포토게이트 타이머와의 조정을 새롭게 해주고 받침대의 높이 조절을 손으로 하다 보니 오차가 꽤나 큰 편으로 나왔다. 물론 공기의 저항도 오차의 경우에 속하겠지만 그것 보다 앞에서 언급한 행동들이 측정값보다 더 크게 나온 이유인 것 같다.

공학/기술| 2021.08.18| 5페이지| 1,000원| 조회(110)

실험보고서, 물리학, 물리학및실험, 일반물리학, 물리학 및 실험

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[필기노트] 일반물리학 중간 기말 전체 필기노트 - 인기강좌 교수님 수업이라 공부하기 좋음 평가D별로예요

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기타| 2021.08.18| 46페이지| 10,000원| 조회(646)

시험, 물리학, 일반물리학, 요약노트, 필기노트

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[실험보고서] A+ 받음 물리학 및 실험 2 보고서 - 간섭과 회절

Report간섭과 회절1. 실험제목 : 간섭과 회절2. 실험 목적이중 슬릿 및 단일 슬릿을 이용한 간섭 및 회절을 통하여 파동의 기본적인 특성인 간섭성을 이해한다.3. 관련이론A. 이중 슬릿 간섭위 그림 같이 슬릿 간 간격이d인 이중 슬릿에 파장lambda 의 레이저 빔을 입사시킨다.레이저 빔이 슬릿으로부터 거리D의 스크린에 형성되는 빛의 패턴을 관찰한다.슬릿S _{1}과 S{} _{2}를 통과한 두 빛은 스크린P점에 닿는다.이 두 빛이 이동한 거리r _{1}과r _{2} 사이의 경로 차b=d`sin theta 이 된다.이때 두 빛의 경로차가 파장의 정수배이면 두 빛 간에는 보강간섭이 일어나고그 사이에서는 상쇄간섭이 일어난다.즉, 밝은 무늬가 형성되는 지점은d`sin theta =m lambda 이다. (m=정수)스크린 중앙 부근에서의 간섭무늬를 고려하는 경우theta 가 작아sin theta SIMEQ {y} over {D}이라 할 수 있다.이를 식d`sin theta =m lambda 에 대입하면m번째 밝은 무늬에 해당하는 위치는y _{m} =( {D} over {d} lambda )m로 주어진다.이때d,D와DELTA y를 안다면 주어진 빛의 파장lambda = {d} over {D} DELTA y를 알 수 있다.(DELTA y=밝은 무늬간의 간격)B. 회절위 그림 같이 폭이a인 슬릿인 이중 슬릿에 파장lambda 의 레이저 빔을 입사시킨다.레이저 빔이 슬릿으로부터 거리D의 스크린에 형성되는 빛의 패턴을 관찰한다.이때 슬릿의 각 지점을 통과하여 스크린P점에 도달하는 빛은 중첩된다.또한 그 경로 차에 따라 보강, 상쇄간섭을 하게 된다.슬릿의 각 지점을 지나는 빛에 대한 경로를 계산하여 중첩시키면 다음의 결과를 얻는다.I( theta )=I _{max} {sin ^{2} alpha } over {alpha ^{2}} wherealpha = {pi a`sin theta } over {lambda }따라서 극대점은alpha =0( theta =0)인 중앙이고최초 극소점은alpha = {pi a`sin theta } over {lambda } = pi 에서sin theta = {lambda } over {a}떨어진 지점이다.sin theta SIMEQ {y} over {D}를 이용하면 중앙 극대점에서 첫 번째 극소점까지의 거리y= {D} over {a} lambda 이다.따라서a,`y,`D를 알면 파장lambda =a {y} over {D}를 얻을 수 있다.4. 실험기구 및 장치레이저, 광학대, 이중 슬릿, 단일 슬릿, 스크린, 자5. 실험방법A. 이중 슬릿 간섭① 슬릿은 슬릿 판에 적혀 있는 D, E, F의 세 종류의 슬릿을 사용한다.② 슬릿과 스크린 사이의 거리 D를 측정하고 간섭무늬의 간격을 측정한다.B. 회절실험① 슬릿은 각 슬릿 판에 적혀 있는 A, B, C의 세 종류의 슬릿을 사용한다.② 각 슬릿에 대해 간섭무늬의 변화를 관찰하고 간섭무늬의 간격을 측정한다.회절 실험슬릿 종류슬릿크기aDy파장A0.000020.50.0150.00000060.70.0226.28571E-0710.0320.00000064평균6.22857E-07슬릿 종류슬릿크기aDy파장B0.000040.50.0080.000000640.70.01156.57143E-0710.0160.00000064평균6.45714E-07슬릿 종류슬릿크기aDy파장C0.000080.50.0040.000000640.70.00556.28571E-0710.00850.00000068평균6.49524E-076. 실험결과이중슬릿의 간섭 실험슬릿종류슬릿크기dDy파장D0.000040.000250.50.0013636366.818E-070.70.0018181826.494E-0710.00280.0000007평균6.771E-07슬릿종류슬릿크기dDy파장E0.000040.00050.50.0006956526.957E-070.70.0009565226.832E-0710.0013636366.818E-07평균6.869E-07슬릿종류슬릿크기dDy파장F0.000080.000250.50.0013333336.667E-070.70.0018333336.548E-0710.0026666676.667E-07평균6.627E-07A. 회절 실험B. 간섭 실험7. 분석 및 토의이번 실험은 같은 파장의 빛을 내는 광원체를 놓아둔 채, 그 앞의 이중 슬릿과 단일 슬릿을 두어 거리 D에 따른 밝은 무늬 간 간격 y를 측정하는 실험이다. 위의 실험결과를 살펴보면 우선 회절 실험에서 파장을 살펴보면 원래의 광원체에서 나오는 파장인650nm(6.5E-07)에 매우 가깝게 나온 성공적인 실험이라고 볼 수 있다. 즉 회절실험에서의 파장을 구하는 식인lambda =a {y} over {D}이 성립됨을 확실히 알 수 있다. 또한 각각의 슬릿 데이터에서는 D의 크기가 증가할수록 y의 크기도 증가하며, 슬릿 A, B, C를 종합적으로 비교해보면 D가 일정할 때 슬릿크기 a가 증가하면 할수록 y가 작아진다는 것으로도lambda =a {y} over {D}가 성립한다는 것을 확인할 수 있다. 또한 간섭 실험의 실험결과도 살펴보면 파장의 값이650nm(6.5E-07)에 매우 가깝게 나온 성공적인 실험이라고 볼 수 있다. 즉 간섭실험에서의 파장을 구하는 식인lambda = {d} over {D} DELTA y이 성립함을 알 수 있다. 또한 위와 마찬가지로 각각의 슬릿 데이터에서는 D의 크기가 증가할수록 y의 크기도 증가함을 확인할 수 있으며, 슬릿 A, B, C를 종합적으로 비교해 보았을 때 D와 슬릿크기가 일정할 때에는 슬릿 간 간격이 늘어날수록 y값은 작아짐을 확인 할 수 있다. 즉lambda = {d} over {D} DELTA y식이 만족한다는 것을 확인할 수 있다.이번 실험에서 아쉬웠던 점은 우선 실험실이 암실이 아니기 때문에 빛이 간섭 및 회절된 패턴으로 나타난 형태에서 어두운 무늬 근처에서는 뚜렷하지가 않았다. 따라서 무늬 간 간격을 측정하는데 있어서 어려움이 있었고, 무늬 간 간격을 측정할 때에도 사람이 직접 자로 빛을 측정한 것이기 때문에 측정도 어려웠으며 측정치도 정확하지 않았을 것이다. 하지만 그럼에도 불구하고 실험 데이터를 통해서 구한 파장을 살펴보면 원래 주어진 파장의 값과 거의 비슷한 값을 얻은 성공적인 실험이었다고 할 수 있었다.그리고 보통 알려진 붉은 빛의 파장의 길이는 780nm정도 되는데 실험에서 사용한 빨간 광원체의 파장을 실험을 통해 계산한 것과 붉은색 파장의 길이는 비슷하다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 일상생활에서 회절현상을 찾아보면 휴대폰 전파가 있다. 휴대폰 전파는 회절 현상을 통하여 전파가 장애물 너머로까지 잘 전달이 될 수 있기 때문에 우리가 건물 안으로 들어가서도 통화나 데이터 송수신 작업을 할 수 있다. 또 이중 슬릿 간섭을 이용한 일상생활에서의 예로는 초음파 치료기라고 할 수 있다. 초음파 치료기는 담석을 치료하는 경우에 파동의 간섭 현상을 이용한다. 파동의 상쇄간섭과 보강간섭을 이용하여 신체의 다른 부위에는 영향을 미치지 않고 담석만 골라 부술 수 있는 것이다.

공학/기술| 2021.08.18| 7페이지| 1,000원| 조회(131)

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[실험보고서] A+ 받음 물리학 및 실험 1 보고서 - 열전도도

1. 실험제목 : 열전도도2. 실험 목적고체의 열전도도 측정을 통하여 열전도 현상 및 열전도 방정식을 이해하고 고 체 내에서 전도되는 열량의 측정방법을 익힌다. 또 여러 물체로 실험을 해보고 각 물체별 열전도도를 구해보며, 이론값과 실험값을 비교해본다.3. 관련이론 및 원리열전도도 : 열전도율이라고도 한다. 물체 내부 임의의 점에서 등온면(等溫面)의 단위면적을 지나 이것과 수직으로 단위시간에 통과하는 열량과 이 방향의 온도 기울기와의 비를 말한다. 즉, 열의 전달 정도를 나타내는 물질에 관한 상수인데, 온도나 압력에 따라 달라진다. 등방성 물질의 경우에는 스칼라량, 비등방성 물질의 경우에는 텐서량이 된다. 특히 금속은 자유전자에 의한 열전도 때문에 큰 값을 가지며, 열전도도와 전기전도도 사이에는 비데만-프란츠의 법칙이 성립한다. 열전도도는 밀도, 비열, 점도에 의해 영향을 받는다.물질에 따라 열전도도가 차이가 나는 이유비열이 큰 물질은 열전도도가 크지 않다. 서로 다른 비열을 가지는 같은 질량의 두 가지 물체를 가정하면 한 물체는 같은 열을 주었는데 온도가 빨리 변하고 다른 물체는 빨리 변하지 않는다. 이 때, 온도가 빨리 변하는 물체는 비열이 작은 것이고 온도가 서서히 변하는 물체는 비열이 큰물체이다. 비열이 작은 (온도가 빨리 변하는) 물질은 그 원자레벨에서 격자진동이 큰 물질이다. 물체는 원자들이 일정한 형태를 가지고 배열되어 있다. 그런 삼차원 배열구조를 격자(lattice)라고 부르고 원자들의 열을 받았을 때 제자리에서 진동하게 되면 이런 진동이 원자들 사이에서 전달되는 것을 격자진동이라고 한다. 격자진동이 빠르게 이루어지는 물질들이 열전달을 잘 하는 물질이고. 그 결과로 비열이 작은 것이다. 이와는 반대로 비열이 큰 물질(온도가 빨리 변하지 않는)은 격자진동이 크지 않은 물체가 된다. 대부분의 부도체(일반고체)는 격자진동에 의한 열전달만 한다.격자진동 외에 전도전자에 의한 열전달이 있다. 모든 물질은 원자내부에 전자를 가지고 있으며, 금속은 원자배열내부를 자유로이 움직이는 자유전자가 있습니다. 이런 자유전자들은 전기장을 걸어주면 전류를 형성하기도하고, 열을 가하면 열을 받아 그 운동이 커지고 금속의 원자배열내부를 격렬하게 돌아다니면서 이리저리 충돌하면서 결과적으로 열을 전달한다. 금속은 격자진동과 전도전자라는 두 가지 방법으로 열전달을 한다. 따라서 다른 일반고체(부도체) 보다 큰 열전도도를 갖게 된다. 또 격자진동과 전도전자에 의한 열전달을 비교하면 전도전자에 의한 열전달이 훨씬 크다.기체의 경우 열전달은 분자들의 충돌에 의해 이루어진다. 기체는 분자와 분자사이의 거리가 멀기 때문에 열을 받은 분자가 다른 분자와 충돌하는 횟수가 그리 많지 않다. 따라서 금속이나 다른 고체에 비해 열전도도가 매우 낮다. 이런 이유로 삼중보온 메리 같은 여러 겹으로 이루어진 옷이나 이중으로 된 창문이 열전달을 효과적으로 차단하여 보온이 잘되는 것이다.요약해보면, 고체에서의 열전달은 격자진동과 전도전자에 의해 이루어지고, 일반고체는 격자진동을 통해, 금속은 격자진동과 전조전자에 의해 열전도가 이루어진다. 거시적으로 이런 것들은 비열이라는 양으로 나타내어진다. 분자들의 충돌에 의해 열전도가 이루어지는 기체에서는 분자사이의 거리가 멀어 충돌 횟수가 적어지고 결과적으로 열전도가 다른 물질에 비해 낮다.4. 실험 이론* 물체를 통하여 전달된 열량은 다음의 식으로 나타낼 수 있다. 즉△Q = (kA△T△t)h여기서 △Q는 전도된 전체 에너지, A는 열이 통과하는 단면적, △T는 물체의 양 끝면 사이의 온도차, △t는 전도시간, h는 물체의 두께 등을 의미하며 비례상수 k는 주어진 물체의 열전도도로 정의된다. 위의 식으로부터k = (△Qh)(A△T△t)로 나타낼 수 있으므로 우변의 여러 변수를 측정하면 K를 구할 수 있다.측정하고자 하는 고체를 얇은 판 형태로 제작하여 한쪽 면은 수증기에 접하게 함으로써 100°C를 유지하고 다른 면은 얼음에 접하여 0°C를 유지하면 △T=100°C로 만들 수 있으며, 이때 전도된 열량은 녹은 얼음의 양에 80cal를 곱하여 계산할 수 있다. 즉k × {(cal?cm)/(cm2?sec?°C)}= (녹은 얼음의 질량) ×(80cal/gm) ×(고체의 두께)(얼음면적)×(얼음이 녹은 시간) × 100°C로 주어진다.5. 실험방법? 얼음주영(mold)에 물을 채우고 얼린다.? 시료의 두께h를 측정하고 기록한다.? 장치를 오른쪽 그림과 같이 설치하고 steam chamber 위에 시료를 놓는다.? 얼음의 직경d_{ 1}를 측정하여 기록하고 얼음을 시료 위에 놓는다.? 얼음이 녹아서 시료와 완전히 접촉될 때까지 몇 분 동안 기다린다.? 녹은 얼음을 담을 용기의 질량을 측정한 후에 시간t_{ a}(약 3분 정도)동안 녹은 물을 모으 고 전체 질량을 측정하여 기록하면 녹은 얼음의 질량m_{ wa}을 계산할 수 있다.? steam chamber에 증기를 발생시켜서 온도가 안정될 때까지 기다린 후에 용기를 비우고 ?의 과정을 되풀이하여 녹은 얼음 질량m_{ w}, 걸린시간t를 기록한다.? 얼음의 직경d_{ 2}를 다시 한번 측정한다.?d _{1} ,`d _{2} 로부터 평균값d _{avg}를 계산하여 면적A를 구한다.? 증기를 방생시키기 전후의 얼음의 녹는 비율 (R _{a},R) = ({m _{wa}} over {ta},{m _{w}} over {t})를 계산하여R _{0}(온 도 차이에 의한 순수율)=R-R _{0}를 구하면k(cal BULLET cm/cm ^{2} BULLET sec BULLET DEG C)= {R _{0} TIMES 80(cal/gm) TIMES h} over {A BULLET DELTA T} 로 계산할 수있다.6. 실험 결과변수 시료아크릴석고합판유리나무h0.6161.0180.6650.5780.433d _{1}3.5273.2133.1243.72753.0325d _{2}3.39753.1243.03253.62752.8925t _{a}*************00m _{wa}1111111111t*************00m _{w}1711127711d _{avg}3.462253.16853.078253.67752.9625A37.6631.5429.7742.4927.57R _{a}0.040.040.040.040.04R0.060.040.040.260.04R _{0}0.02000.220k0.00000087000.000007980h 시료두께d _{1} 처음얼음 반지름d _{2} 녹은 후 얼음 반지름t _{a} 상온에서 녹는 시간m _{wa} 상온에서 물이 녹은 질량m _{w} 녹은 얼름의 질량d _{avg} 얼음 반지름 평균값A 단면적R _{a} = {m _{wa}} over {t _{a}} 상온에서 녹은양R= {m _{w}} over {t}R _{0} =R-R _{a} 온도 차이에 의한 순수율k 열전도도7. 분석 및 토의시료의 종류에 따른 열전도도를 비교하여라. 열전도도가 가장 큰 시료는 어떤 것인가? 또 열전도도가 가장 낮은 시료는 어떤 것인가?열전도도가 가장 큰 시료는 유리였고 가장 낮은 시료는 나무였다. 이는 유리가 가장 열전달이 잘된다는 것이다.위의 실험에서TRIANGLE T는100 CENTIGRADE인 이유를 설명하여라.고체 시료를 증기로 쌓인 공간 위에 놓았을 때 시료 아래에서는 수증기가 올라와 온도가 100℃가 되고 시료 윗면에는 얼음이 놓여 있어 온도가 0℃가 된다.따라서 온도의 차TRIANGLE T 는100 CENTIGRADE 가 된다.물질의 종류마다 열전도도가 다른 이유는?모든 물질은 각자 자기만의 고유 특성인 비열을 가지고 있다.비열이 큰 물질은 열전도도가 크지 않다. 서로 다른 비열을 가지는 같은 질량의 두 가지 물체를 가정하고, 한 물체는 같은 열을 주었는데 온도가 빨리 변하고 다른 물체는 빨리 변하지 않다고 하면, 온도가 빨리 변하는 물체는 비열이 작은 것이고 온도가 서서히 변하는 물체는 비열이 커서 그렇다. 즉 각 물질마다 비열 값이 다르기 때문에 열전도도가 다르다.※ 실험 결과열전도도는 유리> 아크릴 > 합판 순으로 나타났다. 유리의 경우에는 얼음이 너무 많이 녹았으며 아크릴까지만 해도 어느 정도 열전도가 되었다는 것을 볼 수 있었지만 다른 물질의 경우에는 거의 열전도도가 0에 가까운 값이 나왔던 오류가 많았던 실험이었다. 우선 실험을 시작할 때 시료를 각자 일정한 시간만큼 좀 더 데운 뒤 얼음을 올려야 좀 더 정확한 데이터가 나올 것이다. 하지만 우리 조는 유리시료를 한참동안 데우면서 실험을 어떻게 하는지 판단하느라 유리 시료를 굉장히 오랫동안 데운 상태에서 실험을 하였기에 얼음이 너무 많이 녹았었다. 그리고 상온에서 실험을 하다 보니 얼음이 상온에서도 계속 녹았으며 얼음의 특징인 압력을 가하면 녹는 특성 때문에 얼음을 녹이고 나서 길이를 잴 때 얼음이 온도에만 녹는 것이 아니라 버니어켈리퍼스에서 사람이 재는 압력에도 녹았다. 따라서 얼음이 다 녹기 전 실험을 마쳐야겠다는 생각으로 다른 시료의 경우에는 실험하던 시료를 빼고 갈아 끼운 뒤 바로 얼음지름을 측정 후 올려둔 뒤 시간을 재기 시작했다. 그래서 다른 시료들의 열전도도가 거의 0에 가까운 값이 나왔다. 또 다른 이유로는 아크릴판, 석고판, 합판의 순수한 열전도도를 알 수 없었다. 왜냐하면 실험에 쓰인 판의 둘레에 다른 재질의 물질로 감싸져있었기 때문이다. 수증기가 고체들 사이로 들어오지 못하게 하려고 한 것이지만 보다 더 정확한 실험을 하기 위해서는 그 물질의 열전도도까지 계산하여 결과 값을 적어야 한다. 그리고 얼음이 상온에서 처음 있을 때보다 몇 번 녹인 후 상온에 놓았을 때 좀 더 빨리 녹았다. 왜냐하면 실험하기 전에 얼음은 냉동상태에서 얼마 있지 않았던 것이기에 0℃보다는 작은 상태였기에 온도가 올라가고 있는 도중이라 녹지 않았지만 상온에 오래 있을수록 얼음은 0℃가 된 상태에서 주변의 열을 계속 받고, 실험 할 때도 열을 계속 받기 때문이다.

공학/기술| 2021.08.18| 6페이지| 1,000원| 조회(217)

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[실험보고서] A+ 받음 물리학 및 실험 2 보고서 - 패러데이 법칙

Report패러데이 법칙1. 실험제목 : 패러데이 법칙2. 실험 목적전자기 유도에 대한 패러데이법칙을 살펴보고, 1차 코일에 의해 유도된 2차 코일의 전압과 전류를 측정해보고, 실생활에 응용된 예를 살펴본다.3. 관련이론패러데이는 유도되는 기전력의 크기가 어떤 요소의 영향을 받는가를 양적으로 연구하였다. 그는 첫째로 그것이 시간에 의존함을 알았다. 즉 자기장이 빨리 변하면 변할수록 더욱 큰 기전력이 유도된다. 그러나 기전력은 간단히 그 자기장의 변화율에 비례하지는 않는다. 오히려 전기선속과 유사하게 정의된 자기선속(Magnetic Flux)PHI _{B} 의 변화율에 비례한다. 자기선속은PHI _{B}=int _{} ^{} {{vec{B}} BULLET d _{} {vec{A}}} (1)으로 정의된다. 이것은 자기장{vec{B}}를 어떤 표면에 걸쳐서 적분한 것이며, 자력선속의 단위는 tesla - meter{} ^{2}이고, 이를 Weber라 부른다. 즉1Wb=1T BULLET m ^{2}이다. 자기장 B는 단위면적당 자기선속(PHI _{B}/A)과 같으므로 자속밀도(Magnetic Flux Density)라고도 부른다.패러데이의 연구결과는 한 회로에 유도된 기전력이 그 회로를 지나는 자기선속의 시간 변화율과 동등하다는 것이다.epsilon =- {d PHI _{B}} over {dt} (2)자기선속의 시간적 변화율{d PHI _{B}} over {dt}의 단위는 Wb/s(T BULLET m ^{2} /s)이며 유도기전력epsilon 의 단위는 Volt이다. 식 (2)를 전자기유도에 대한 패러데이법칙(Faraday’s law of Induction)이라고 하며, 전자기학의 기본관계식의 하나이다. 이 회로가 N회 감긴 원형 도선으로 구성되어 있다면 각 고리에 유도된 기전력을 모두 합해야 한다. 따라서epsilon =-N {d PHI _{B}} over {dt} (3)가 된다. 유도기전력은 항상 회로에 전류를 일으키며, 그 전류에 의해 생기는 자기장은 식 (3)의 ? 부호에서 볼 수 있는 것처럼 원래의 자기선속의 변화에 반대되는 방향으로 일어난다. 이러한 패러데이 법칙을 실제 생활에 응용한 것 중 하나가 바로 변압기이다. 변압기는 교류전압을 올리거나 내리는 장치로, 1차 코일과 2차 코일로 불리는 두 코일로 구성되어 있다. 두 코일은 서로 섞어 감을 수도 있고, 아래 그림과 같이 연철로 된 얇은 철심으로 연결되어 있는 경우도 있다. 어떤 경우이던 1차 코일의 전류에 의해 생기는 자기선속이 모두 2차 코일을 통과하도록 구성되어야 한다.교류전압이 1차 코일에 걸릴 때, 이것으로 생기는 자기장은 2차 코일에 같은 주파수를 가진 교류전압을 유도한다. 그러나 그 전압은 각 코일에 감긴 횟수에 따라 달라진다. 패러데이 법칙에서 2차 코일에 유도되는 전압, 즉 기전력은V _{S} =N _{S} {d PHI _{B}} over {dt} (4)이다. 여기서N _{S}는 2차 코일에 감긴 횟수이고,{d PHI _{B}} over {dt}는 자기선속의 시간에 대한 변화율이다. 1차 코일의 입력전압V _{P}도 자기선속의 변화율에 관계된다.즉V _{P} =N _{P} {d PHI _{B}} over {dt} (5)이다. 이것은 1차 코일에서 자신이 발생시키는 자기선속의 변화 때문에 생기는 역기전력의 크기가 입력전압의 크기와 같기 때문이다. 식 (4)에서 식 (5)를 나누면{V _{S}} over {V _{P}} = {N _{S}} over {N _{P}} (6)를 얻는다. 이 변압기 방정식은 1차 코일에 입력된 전압이 2차 코일과 어떤 관계를 가지고 있는지 말해준다.변압기를 이용하면 전압을 올릴 수 있거나 내릴 수 있지만 에너지는 변화시킬 수 없다. 즉 에너지 보존법칙에 의해 출력전력이 입력전력보다 클 수 없다. 따라서 변압기 내부에서 전력손실이 없다고 하면 입력전력과 출력전력은 같아야 한다. 따라서V _{P} I _{P} =V _{S} I _{S} (7)또는{I _{S}} over {I _{P}} = {N _{S}} over {N _{P}} (8)이다.4. 실험장치 및 기구? interface? current sensor? voltage sensor? helmholtz coil? banana cable? stand & clamp & rotary motion sensor? induction wand? 자석5. 실험방법A. 자기장 크기의 변화에 따른 유도기전력 및 유도전류 측정? Interface 전원공급단자 앞에 current sensor를 setup 한다.? Current sensor를 통과한 라인이 Helmholtz coil을 직렬로 통과하도록 setup 한다.? Helmholtz coil의 중간에 induction wand가 위치하도록 장치를 꾸민다.? Voltage sensor를 interface와 induction wand에 연결한다.? Interface의 전원에 주파수 및 파형을 변화시키면서 induction wand에 유도되는 유도기전력의 파형과 회로에 흐르는 전류의 파형을 확인한다.B. 일정한 자기장을 통과하는 폐회로의 곡면의 변화에 따른 유도기전력 및 유도전류 측정? Induction wand를 rotary motion sensor에 연결하고 스탠드에 고정시킨다.? 두 개의 자석 사이로 induction wand가 통과할 수 있도록 장치를 꾸민다.? 자석 사이의 자기장이 일정하도록 최대한 가까이 위치하도록 조절한다.? Voltage sensor를 interface와 induction wand에 연결한다.? Interface wand를 단진자운동을 시키고, 이때 유도되는 유도기전력을 확인한다.6. 실험결과패러데이 법칙 (Faraday‘s Law) data box1. 자기장 크기의 변화에 유도되는 기전력 및 전류 측정1)f=100 Hz 일 때, 유도기전력 및 회로에 흐르는 전류 확인(2가지 파형 : 정현파, 삼각파)정현파삼각파2)f=1 kHz 일 때, 유도기전력 및 회로에 흐르는 전류 확인 (2가지 파형 : 정현파, 삼각파)정현파삼각파2. 일정한 자기장에 통과하는 폐회로의 곡면의 변화에 따른 유도기전력 및 유도전류 측정1) Induction wand를 단진자 운동을 시켰을 때 유도되는 유도기전력 확인7. 분석 및 토의이번 실험은 자기장 크기의 변화에 따른 유도기전력 및 유도전류를 측정해보고 각 입력파형과 유도된 파형을 비교해보는 실험과 일정한 자기장에 Induction wand를 단진자 운동을 시켜 발생되는 유도기전력을 확인 하는 실험이다. 우선 첫 번째 실험의 결과를 살펴보면 입력파형과 유도된 파형의 위상이 비슷하다는 점을 찾아볼 수 있다. 우선적으로 입력파형에 대해 유도되는 파형이 존재하는 것으로 전자기 유도에 대한 패러데이법칙을 살펴 볼 수 있었고 입력파형과 유도된 파형의 위상이 비슷한 것으로 보아 유도기전력은 자기선속의 변화율에 영향을 끼친다는

공학/기술| 2021.08.18| 8페이지| 1,000원| 조회(184)

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