1. 목적과 이론열팽창(Thermal Expansion)이란 외부 열에 의해 물체를 구성하는 원자 또는 분자들 사이의 평균 간격이 커져서 물체의 길이 또는 부피가 증가하는 현상을 말하는데 열팽창에는 선팽창과 부피팽창이 있다.선팽창은 온도가 올라갈 때 얼마의 길이가 늘어났는지 알 수 있다. 선팽창은 온도에 의존하며 온도가 높을수록 커지고 도가 낮을수록 작아진다. 예를 들면 여름에는 온도가 높아 전신주 사이에 걸려있는 전선이 늘어지고, 겨울에는 온도가 낮아 전선이 팽팽하다. 그리고 모든 물질에 대해서 1℃ 온도 상승 시 길이가 팽창하는 정도의 크기를 선팽창 계수라고 한다.팽창길이 :: 팽창 전 길이: 선팽창 계수: 온도변화량선팽창계수 :: 팽창 전 길이: 길이변화량: 온도변화량3차원적인 열팽창은 부피팽창계수로 정의되는데 부피팽창은 고체나 액체가 온도가 올라가면 모든 방향으로 팽창하는 것을 말한다. 부피팽창 역시 온도에 의존하며 온도가 올라가면 부피팽창 역시 활발하게 일어나고 온도가 내려가면 부피는 수축한다. 예외로 섭씨 4도 이상이면 물은 온도가 증가함에 따라 팽창하지만 0도와 4도 사이에서는 온도가 증가함에 따라 수축된다. 이는 물이 섭씨 4도에서 밀도가 가장 크고, 다른 온도에서는 물의 밀도가 섭씨 4도에서 보다 작기 때문이다.: 팽창 전 체적: 체적팽창 계수: 온도변화량* 생활주변에서 열팽창에 따른 변화를 느끼게 하는 예.- 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 펴진다.(공기의 팽창)- 여름철 자동차 타이어에 공기를 가득 채워 놓으면 터지게 된다.(공기의 팽창)- 여름철에 철도레일이 휘어 기차가 탈선한다.(레일의 팽창)- 온도가 올라가면 수은주가 올라간다.(수은의 팽창)- 불이 나면 경고사이렌이 울린다.(바이메탈을 이용한 스위치의 작동)- 겨울에 수도관이 터졌다.(수도물 얼면서 부피가 팽창)- 냉동실에 넣어둔 맥주병이 깨졌다.(맥주가 얼면서 부피가 팽창)- 자동차의 냉각수를 겨울에는 부동액을 넣어야 한다.(냉각수가 얼어 부피가 팽창되어 엔 진이 깨지는 것을 방지)- 찬물을 담았던 컵에 갑자기 뜨거운 물을 부었더니 컵이 깨졌다.실험방법① 실험 장치를 설치한다. 황동관의 한쪽은 증기발생기와 연결하고 다른 쪽은 고무호스에 연결하여 비커에 놓아둔다.② 황동관의 고정핀과 다이얼 게이지에 고정시키는 자 부분 사이의 처음길이()를 측정한다.③ 나사를 돌려 황동관을 고정시킨다.④ 증기발생기에 물을 3/4가량 채운다.⑤ 다이얼 게이지의 큰 시침 시작점을 0으로 조정하고 작은 시침의 위치를 기록한다. 큰 시침이 1회전하는 동안 작은 시침은 1이 증가한다. 다이얼 게이지의 작은 시침의 단위는 1mm이며 큰 시침의 단위는 0.01mm이다.⑥ 황동관의 처음 온도()를 측정하기⑦ 다이얼 게이지의 포인터가 최고의 변화를 나타낼 때의 위치를 기록하고 동시에 온도를 측정하고 만약 미세한 온도 변화가 있어 시침과 저항에 계속 작은 변동이 생긴다면 측정값은 평균값으로 정한다.⑧ 선팽창계수를 구하는 식을 이용해 선팽창계수()를 계산하여 표에 기록한다.⑨ 황동관을 강철관, 알루미늄 관으로 교체하여 위의 실험을 반복한다. 이때 황동관이 뜨거워져 있으므로 충분히 식은 후에 교체하도록 한다.2. 실험 결과 및 분석Lo(mm)delta L(mm)To(섭씨)Thot(섭씨)delta T(섭씨)선팽창계수오차(%)실험값이론값(단위:10^-5)
1. 목적과 이론1) 목적 : 일정한 힘을 받는 물체의 운동을 관찰함으로써 가속도의 개념을 이해하고 실험적으로 가속도와 질량과의 관계, 그리고 가속도와 외력과의 관계를 유도함으로써 뉴턴의 제2법칙을 이해한다.2) 이론 : 물체를 일정한 속도로 움직이기 하기 위해서는 밀거나 끄는 힘이 필요하며 그렇지 않으면 물체가 ‘자연적으로’ 멈춘다. 여기서 뉴턴의 제 1법칙과 2법칙을 말 할 수 있다.뉴턴의 제 1법칙 :뉴턴의 제 1법칙은 ‘물체에 힘이 작용하지 않는다면 물체의 속도는 변하지 않는다. 즉, 물체는 가속되지 않는다’라는 것이다.뉴턴의 제 2법칙 :그리고 뉴턴의 제 2법칙은 ‘물체가 얼마나 급격히 속도가 바뀌는가(=가속도) a 는 알짜힘(모든외력의 합)F에 비례하고 질량m에 반비례한다. 즉, F=ma’라는 것이다. 사실 이번 뉴턴의 제2법칙 실험에서는 ‘a = F/m’ 로 표현해야 하는 것이 맞다. 질량에 가속도를 곱하면 힘이생기는게 아니라, 힘의 크기를 질량으로 나눈 값이 가속도의 크기라는 것이다.실험방법1) 먼저 실험 장치를 준비한다. ( Passport Xplorer GLX, Passport 운동센서, 1.2m 트랙, 카트, 클램프가 달린 도르레, 질량세트, 줄 )2) Passport 운동센서와 GLX를 연결하고 운동센서의 선택스위치를 ‘근접(near)’(카트)으로 설정한다. 다음 GLX의 전원을 켠다.3) 트랙, 줄, 도르래를 설치한다.( 단 트랙은 평형계를 활용해 높이를 수평으로 유지한다.)4) GLX의 그래프 화면에는 ‘속도(m/s) - 시간(s)' 그래프를 표시하고 가속도를 구한다.2. 실험결과 및 분석1) 외력이 일정할 경우외력()=0.025kg*9.8m/sec^2=0.245N전체질량실험값이론값퍼센트오차(%)0.2290.02500.25400.8570.96511.150.2790.02500.30400.6630.80617.690.3290.02500.35400.5790.69216.300.3790.02500.40400.5240.60613.540.4290.02500.45400.4990.5407.440.4790.02500.50400.4570.4865.90그래프의 기울기(실험값)=0.2437그래프의 기울기(이론값)=0.2449오차==0.5%2)전체 질량이 일정할 경우전체 질량()=0.329+0.025=0.354kg = 일정전체질량실험값이론값퍼센트오차(%)0.3290.0250.3540.5560.69218.220.3090.0450.3540.9991.24619.840.2890.0650.3541.5421.79914.330.2690.0850.3542.0822.35311.540.2490.1050.3542.7262.9076.220.2290.1250.3543.1253.4609.69그래프의 기울기(실험값) = 0.4273그래프의 기울기(이론값) = 0.3541오차==20.67%3. 오차의 원인 및 결과실험 데이터(힘, 가속도, 질량)를 이용하여 F=ma 식을 유도해 보았다. 이렇게 구해진 F=ma 식에 실험 값(m+ma, a)을 대입해보았을 때는 오차가 발생하고 힘과 가속도와의 관계를 알아보는 실험 데이터에서도 오차가 발생 하였다, 질량과 가속도와의 관계를 알아보는 실험 데이터에서는 오차가 발생하였으며 전체적으로도 오차가 생겼다. 발생한 원인으로 glider와 track 사이에 발생하는 마찰력을 들 수 있다. 그러나 glider의 마찰력을 완전히 없애는 것은 불가능하기 때문에 어느 정도의 마찰은 생길 수밖에 없다고 생각한다. 또한 추와 glider를 연결한 실과 도르래 사이의 마찰력도 오차의 원인이 될 수 있다. 이들 마찰력을 최소화하지 않으면 실이 자유롭게 움직일 수 없기 때문에 glider의 실제 가속도보다 더 느리게 계산될 것이다. 따라서 glider 자체에 작용하는 힘 역시 더 적게 계산될 것이다. 가속도를 구하기 위해서는 두 개의 포토 게이트 사이에 glider가 지나가는 시간을 측정해야 하는데 이 때는 v1과 v2를 측정할 때와 같은 조건을 유지해야 한다. 그러나 포토 게이트 2개 중에 하나는 고정이 제대로 되지 않아서 자꾸 움직였다. 이로 인해 두 포토 게이트 사이의 거리가 변하여서 그 사이를 지나는 시간 역시 변하였다. 대체로 거리가 더 멀어 져서 시간이 더 많이 측정되었다. 오차를 줄이기 위해 손으로 고정하였으나 역부족이었다. Glider의 무게를 변화시키기 위해서 glider에 추를 더하였다. 이 때 주의해야 할 점은 추가 움직이지 않게 고정해야 한다는 것이다. 그러나 우리가 실험을 할 때 완전히 고정 시키지 못해서 오차가 발생하였다. 그래프를 보면 대체로 직선 그래프는 어느 정도 직선임을 파악할 수 있지만 그래프에서의 곡선은 사실 제대로 선의 모양을 알아 볼 수 없었다. 그리고 실험값을 더 많이 하면 더 정확한 그래프를 얻을 수 있을 것이다. 또한 실험값의 범위도 너무 좁은 것 같다. 추의 질량을 변화 시켜줄 때 그 변화량을 좀 더 크게 했었다면 그래프를 해석하기 쉬웠을 것이다.
1. 목적과 이론1)목적스피커에 의해 튜브안에 형성되는 정상파의 주파수와 튜브의 길이의 변화에 따른 공명주파수를 찾아내고, 튜브에서 정상파가 움직이는 모습을 마이크폰을 사용하여 진폭을 측정함으로서 관찰할 수 있다.2)이론스피커가 튜브에서 진동할 때 어떤 특정주파수일 경우에 스피커로부터의 소리가 최대가 되는데 이 주파수를 공명주파수라 부르고, 튜브의 길이가 변화되면 공명주파수도 바뀌게 되며 튜브에서 전파되는 소리파는 튜브의 양끝에서 반사되어지고, 원래의 파장과 반사된 파장 모두 서로 간섭하는 정상파 모양으로 나타난다. 주어진 튜브 길이에서는 다양한 공명 주파수가 존재한다.실험 방법※ 열린 튜브와 닫힌 튜브에서의 공명주파수들1. Resonance Tube, 오실로스코프, Function Generator를 설치한다. 마이크폰의 전원스위치가 on이 되어 있는지를 확인한다. 튜브와 스피커의 사이를 약간 떨어지게 한다. 튜브속에 있는 피스톤을 튜브에서 제거한다.2. Function Generator의 주파수단위를 1KHz로 하고 진폭을 작게 하고 출력 주파수가 약 100Hz가 되게 맞춘다.3. 오실로스코프를 켜고 x축을 조정하고 y축을 조정하여 마이크폰의 신호가 나오는 것을 확인한다.4. 서서히 주파수를 증가시키고 조심스럽게 소리를 듣는다. 소리의 수준에서 상대적인 최대 치에 귀를 기울여라. 이 상대적 최대치가 튜브에서 공명상태를 가리킨다. 상대적 최대치 가 나타나는 상태에서 가장 낮은 주파수를 찾도록 조심스럽게 주파수를 조정한다. 이 가 장 낮은 공명 주파수의 값을 기록한다.5. 새로운 공명 주파수를 찾을 때까지 주파수를 서서히 올린다. 주파수를 다시 측정하고 기 록한다.6. 좀 더 높은 공명 주파수를 찾을 때까지 4번 정도 반복한다.7. 피스톤을 사용하여 튜브의 한 쪽 끝을 닫아서 한쪽은 닫힌관, 한쪽은 열린관의 형태로 튜브를 만들어서 위의 과정을 반복하여 공명주파수들을 찾는다.2. 실험 결과 및 분석열린 관과 닫힌 관에서의 공명주파수관의 길이 : 8.9m1) 양쪽이 열렸을 때주파수n 값이론값실험값이론값실험값18*************256055832.98374773543.9302) 한쪽만 열렸을 때주파수n 값이론값실험값이론값실험값93.493.4*************45654.88265463876.83084183498.929정상파의 이동관의 길이 : 8.9m1) 양쪽이 열렸을 때 (공명주파수 : 735)소리가 최대가 되는 위치(m)소리가 최소가 되는 위치(m)이론값실험값이론값실험값0.0000.0000.1100.1350.2200.2230.3300.3570.4400.4610.5500.5820.6600.6890.7700.8122) 한쪽만 열렸을 때 (공명주파수 : 834)소리가 최대가 되는 위치(m)소리가 최소가 되는 위치(m)이론값실험값이론값실험값0.0000.0000.0800.0730.1600.1450.2400.2640.3200.3340.4000.3930.4800.4620.5600.5640.6400.6630.7200.7613. 오차 원인 및 결과1) 장치를 잘 다루지 못한 점.실험자가 실험 장치를 다루는 솜씨가 미숙하여 실험 장치를 제대로 다루지 못하였다. 따라서 측정값을 적을 때 약간에 에러사항이 있었으며 이것이 오차의 발생 이유가 될 수 있다2) 측정자의 실수측정할 때 측정자가 본인의 판단이 개입하였기 때문에 기계는 ‘여기에서 공명이 일어난다’고 말해주지 않기 때문에 측정자가 판단할 수밖에 없다. 오차가 발생하였을 것이다. 또 마이크의 위치를 측정할 때 측정자의 눈높이에 따라 다르게 보인다는 점도 오차를 증가시키는 원인이 되었을 것이다. 또한 마이크를 밀어 넣을 때 관과 마찰이 생길 때도 있어 이 때 발생한 소리에 의해 오차가 발생하였을 것이다.
1. 목적과 이론목적비등속 원운동을 하는 물체에서 질량, 속도 및 회전반경에 따른 구심력에 대해 알아본다.1) 추의 질량을 변화시켜 가면서 구심력을 측정한다.2) 회전 반경을 변화시켜 가면서 구심력을 측정한다.이론 : 원운동0) 반지름 r인 원궤도를 따라 등속원운동을 하는 질량 m인 물체가 받는 구심력은 다음과 같다.1) 여기서는 물체의 속도,는 각속도이다. ()2) 속도, 주기 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.3) 따라서, 구심력을 주기의 함수로 나타내면 다음과 같다.구심력 실험의 다른 예 : 구심력의 방향은 항상 구의 중심 방향이다. 그 구심력에 의해서 원운동이 가능하다. 항상 구심력의 방향과 가속도의 방향은 같다. 즉 가속도 방향은 구의 중심 방향이다. 자유낙하 시키면 중력의 방향과 가속도의 방향이 같은 원리이다.구심력F=mv^2/r에서 속력이 일정하면 구심력F와 호전반경r은 반비례한다. F∝1/r 즉 자동차가 급하게 작은 원을 돌 때와 큰 원을 돌 때 구심력은 작은 원을 돌 때 더 크다. 회전반지름 측정의 오차가 가장 크다. 그리고 일정한 속력으로 돌릴 수 없는 것도 오차의 요인이라 볼 수 있다.우선 구심력을 알아내기 위해서는 회전하는 물체의 질량과 속도(혹은 각속도)와 회전반경을 알아야 한다. 질량과 회전반경은 저울과 자를 이용해서 측정 가능하다. 문제는 각속도인데 그것은 photo gate timer를 이용해서 회전하는 물체가 한바퀴 도는데 몇 초가 걸리는지를 측정하면 된다.실험방법1) 구심력 측정 실험에 사용될 추의 질량(m)을 잰다.2) 실험장치를 설치하고 인터페이스에 힘 센서와 회전운동센서를 연결한다.3) 질량중심으로부터 축까지의 길이(L)을 측정한다.4) 진자가 정지상태로 매달려 있을 때 힘 센서의 영점을 눌러 조정한다.5) 데이터를 기록하기 위하여 START 키를 누른다.6) 진자를 대략 30도 각도만큼 뒤로 밀어 위로 올리고 몇 초 동안 진동하도록 한 뒤 STOP키를 눌러 멈춘다.7) 위의 실험결과를 이용하여 진자의 최고 각속도(w)를 측정하고 이를 이용하여 이론 값인 구심력(F)을 계산한다.8) 측정된 장력(T)을 이용하여 실험값인 구심력을 구한다. 그리고 위의 실험에서 구한 이론 값인 구심력과 비교하여 퍼센트 오차를 구한다.9) 진자의 각도를 대략 30도씩 증가 시켜가면서 위의 실험을 반복한다.10) 질량중심으로부터 축까지의 길이(L)를 변화시켜 가면서 위의 실험을 반복한다.11) 추의 질량을 변화시켜 가면서 위의 실험을 반복하여 측정해 보자.2. 실험 결과 및 분석1) 실험 데이터추의질량(kg)진자의 길이(m)진자의각도(º)장력구심력(N)90도-실험값구심력-이론값오차(%)0.10.47301.2880.3070.26018.08%601.9300.9490.9803.16%902.8781.8971.9603.21%0.45301.2320.2510.2603.46%601.8740.8930.9808.88%902.9061.9251.9601.79%0.4301.2320.2510.2603.46%602.0411.0600.9808.16%902.9902.0091.9602.50%0.150.47301.9180.4460.39014.36%602.8951.4231.4703.20%904.5413.0692.9404.39%0.45301.8910.4190.3907.44%602.8951.4231.4703.20%904.5413.0692.9404.39%0.4301.9180.4460.39014.36%602.9791.5071.4702.52%904.5693.0972.9405.34%0.20.47302.5480.5860.53010.57%604.1102.1481.9609.59%905.9804.0183.9202.50%0.45302.5200.5580.5305.28%604.1382.1761.96011.02%906.0084.0463.9203.21%0.4302.3810.4190.53020.94%603.8631.9011.9603.01%906.0314.0693.9203.80%2) 진자의각도(degree)=90°길이질량0.40.450.470.12.0091.9251.8970.153.0973.0693.0690.24.0694.0464.018그림 1. 구심력과 길이의 관계그림 2. 구심력과 질량의 관계3. 오차 원인 및 결과우선 실험 장치를 설치할 때 수평을 확실히 확인하지 못한 점이 아쉬웠다. 테이블이 기울어져 있더라도 장치는 멈춰있을 수가 있기 때문이다. 따라서 중력 중심을 향하는 추를 가지고 정확히 구심력의 가운데 축을 중력중심에 맞추어야 제대로 수평을 맞춘 것이 된다. 그리고 구심력을 측정하기 위해 회전시킬 때 실험기기를 잘 고정시킨 후 돌려야 수평이 흔들리지 않아서 좀 더 정확한 측정값을 얻을 수 있었다. 실험에 대한 질문을 생각하면서 반경이 작아질수록 오차가 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 반경이 작을수록 각속도가 빨라진다. 또한 추가 운동할 때 흔들림이 없어야 하는데 추의 무게가 증가할수록 흔들림이 심해졌고 실험 장치를 연결하는 선들의 마찰로 인해 저항이 생겨 오차가 발생하였다. 마지막으로 실험자가 직접 손으로 실험을 하기 때문에 정확한 각도를 맞추기도 어려웠으며 포토 게이트의 오차와 공기 저항도 무시할 수 없는 오차의 원인이다.
1. 목적과 이론목 적 : 회전하는 강체의 회전축에 대한 관성모멘트를 역학적 에너지보존법칙을 이용하여 실험적으로 구하고, 이론적으로 계산한 관성모멘트 값과 비교하고, 관성모멘트의 개념을 이해한다.이 론 : 관성능률(慣性能率)이라고도 하며, 물체가 그 때의 상태를 유지하려고 하는 에너지의 크기를 말한다. 회전하는 강체(剛體)의 각 부분의 질량 m1,m2,m3,…에 회전축으로부터 그 부분까지의 거리 r1,r2,r3,…의 제곱을 곱하고 그들 모두를 합한 양을 I라고 할 때, I=M1r12+M2r22+M3r32+… 가 되며, 이 I를 그 축에 대한 관성모멘트라 한다. 관성모멘트는 축 둘레의 질량 분포에 따라 정해지는데, 강체의 질량이 회전축으로부터 떨어져서 분포하고 있을수록 크다. 플라이휠의 주변부를 크게 하는 것은 이 관성모멘트를 크게 하기 위한 것이다.또, 각속도를 ω, 회전운동의 에너지를 E, 관성모멘트를 I라 하면, E=1/2(Iω2) 의 관계가 성립된다. 회전에너지는 외부로부터 힘이 작용하지 않는 한 변하지 않으므로, 회전 도중에 관성모멘트가 변화하면 각속도가 변한다는 것을 알 수 있다. 관성모멘트는 강체를 매달아 여기에 진동을 가함으로써 측정할 수 있는데, 형태가 간단한 경우에는 계산에 의해서도 구할 수 있다. 관성모멘트의 개념은 고전적인 강체뿐만 아니라 분자나 변형된 원자핵의 회전에 대해서도 중요하다.관성 모멘트 (慣性 - , 영어 : moment of inertia)는 회전 관성, 즉 회전 운동에서 직선 운동의 질량에 해당하는 물리량이다. 우리가 흔히 말하는 질량은 직선 운동을 유지하려는 관성의 정도를 나타내는 물리량이므로 회전 관성은 자신의 회전 운동을 유지하려는 정도를 나타내는 양이다. 회전 운동의 운동량, 운동 에너지 식은 직선 운동의 운동량과 운동 에너지 식에 질량 대신에 관성 모멘트를 대입하고, 동시에, 힘은 돌림힘, 속도와 가속도는 각각 각속도와 각가속도로 바꾸어 주면 얻어진다.※관성모멘트 유도각속도 ω로 회전하고 있는 강체를 생각하자. 이 강체의 운동에너지의 표현을 구해보자. i번째 입자의 회전축으로부터의 거리를 ri 질량을 mi 속도를 vi라 하면 전체 운동에너지는 입자 에너지의 총합이므로 다음과 같이 된다. 그런데 vi = ωri이므로 여기에서 를 관성 모멘트 I라 한다. 규모가 충분히 커서 물체를 연속체로 취급 가능하면 합의 기호는 적분으로 고쳐 쓸 수 있다.실험방법①관성모멘트 측정 장치의 회전체 위에 수준기를 올려놓고 회전체를 돌려가면서 수평을 조절한다.②추를 낙하 시키면 회전체가 회전하기 시작한다. 추가 낙하하기 시작하는 위치에서부터 실험자가 정한 위치까지 떨어지는 동안의 값을 측정한다.③ 한 번은 추의 무게를 바꿔서 실험을 하고 한 번은 추의 무게는 일정하게 하며 disk의 무게를 바꿔서 실험을 한다.2. 실험 결과 및 분석종류(메인)회전원통반경(m)관성모멘트(kg*m/s)질량(kg)각가속도 실험값 (rad/s^2)각가속도 이론값(rad/s^2)오차메인0.0150.00750.02520.3330.49432.59%0.0150.00750.04520.7290.88517.63%0.0150.00750.06521.0971.27614.03%메인0.020.00750.02520.5110.68525.40%0.020.00750.04521.1521.1792.29%0.020.00750.06521.541.6999.36%메인0.0250.00750.02520.6720.82218.25%0.0250.00750.04521.3371.4729.17%0.0250.00750.06521.9012.11910.29%메인+보조0.0250.01470.02520.2930.4230.24%0.0250.01470.04520.6310.75216.09%0.0250.01470.06520.9851.0849.13%메인+막대0.0250.01050.02520.380.61938.61%0.0250.01050.04520.9081.10918.12%0.0250.01050.06521.371.59814.27%메인+강철링0.0250.009960.02520.4620.58821.43%0.0250.009960.04520.9431.05210.36%0.0250.009960.0652