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2차원 충돌실험 실험보고서

- 목 차 -[1] 실험 목적[2] 실험 이론 및 원리[3] 실험 기구 및 장치[4] 실험 방법[5] 실험 결과[6] 논의 및 고찰[7] 참고 문헌[1] 실험 목적에어테이블을 이용한 2차원 충돌실험- 마찰이 없는 에어테이블을 이용해 두 개의 물체를 충돌시켜 탄성출돌과 비탄성충돌인지 알아보고 충돌 전후의 선운동량, 운동에너지를 비교하여 운동량 보존법칙을 확인하고, 에너지 변화를 살펴본다.[2] 실험 이론 및 원리[2-1] 운동량운동량()은 운동하는 방향으로 계속 운동할 수 있는 정도를 나타내는 물리량으로 물체의 질량()과 속도()의 곱으로 나타낸다. 단위는 kgm/s를 사용한다.운동량=질량속도[2-2] 운동량과 운동에너지운동에너지는 움직이는 물체가 정지 할 때까지 할 수 있는 일의 크기를 나타낸다. 운동량은 에너지와 다른 물리량이며 방향도 포함하고 있다.공식단위구분운동에너지크기만 있는 양운동량크기와 방향을 가지고 있는 양[2-3] 운동량 보존의 법칙두 물체가 충돌할 때 충돌전의 두 물체의 운동량의 합과 충돌 후의 두 물체의 운동량의 합이 서로 같다. 이것을 운동량 보존의 법칙이라고 한다.충돌 전 운동량의 합은, 충돌 후 운동량의 합은이다. 따라서 운동량 보존의 법칙에 의해 다음이 성립한다.운동량 보존의 법칙이 성립하는 경우 : 외부로부터 다른 힘이 작용하지않고 작용 반작용만 있는 충돌, 분열, 융합, 관통 등[2-4] 충돌의 종류와 운동량 보존1. 완전탄성 충돌 : 충돌할 때 운동 에너지 손실이 없다. 운동량 보존의 법칙과 운동 에너지 보존의 법칙이 모두 성립하는 충돌이다. 실제로는 일어나지 않지만 이론적인 연구를 할 때 많이 사용된다.2. 비탄성 충돌 : 충돌할 때 운동량 보존의 성립되지만 운동 에너지 보존 법칙은 성립되지 않는다. 운동 에너지의 일부가 충돌할 때 빛이나 소리, 열에너지 등으로 바뀐다. 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 충돌이다.3. 완전 비탄성 충돌 : 충돌 후 두 물체가 한 덩어리로 합쳐져서 운동하는 경우이다. 운동량 보존의 법칙은 성립하나 이고는 충돌 후 속력이다. 이 충돌이 탄성충돌이면 충돌 전후의 에너지가 보존되므로 다음의 식이 성립한다.그러나 실제로 역학적에너지는 충돌 중에서 소리나 열 등으로 감소할 것이다.[3] 실험기구 및 장치퍽(puck), 에어테이블, 송풍기(에어블로), 송풍관(에어호스), 카메라, 카메라스탠드, 캡쳐박스, 카메라케이블, USB케이블, AC코드, 컴퓨터 퍽(puck) 에어테이블 송풍기 카메라 캡쳐박스[4] 실험 방법① 평평한 테이블 위에 에어테이블을 올려놓고 최대한 수평이 되도록 한다.송풍기를 연결하여 공기를 공급한 상태에서 퍽(puck)이 한쪽으로 치우치지 않는 상태로 수평을 조절할 수 있다.② 카메라를 세팅한다. 카메라 케이블 연결 카메라 스탠드 연결 캡쳐박스 연결③ 에어테이블에 가로, 세로길이를 각각 측정한후 카메라화면이 그 크기에 맞게 나올수 있도록 조절한다. 에어테이블 길이 측정④ 피사체 1, 2의 질량을 저울을 통해 측정한다. 질량측정⑤ 에어를 주입하고 색상이 다른 두 원형 퍽(puck)이 카메라 중앙 근처에 충돌하게 하고 그 움직임을 동영상으로 촬용한다. 충돌은 충돌 전후의 속도를 분석할 수 있는 포인트를 확보 할 수 있는 정도이어야 한다. 에어의 양이 너무 적으면 테이블과의 마찰이 있을 수 있으므로 너무 크지 않는 범위에서 적당히 조절한다. 피사체의 충돌⑥ 분석메뉴를 실행하고, 충돌 전후의 시점으로 나누어 피사체1, 2 운동 움직임 1차함수 그래프 보기를 통해 피사체1, 2의방향 속력을 구한다. 같은 방법으로방향의 성분을 구한다. 충돌 이후의 시점으로 이동하여 충돌 후 각 피사체의 성분별 속력을 구한다. 1차함수 그래프⑦ 동일한 실험을 5회 이상 반복한다.⑧ 실험체를 바꾸어 ④~⑦번의 과적을 반복하여 비탄성충돌, 완전비탄성충돌 실험을 한다.⑨ 각 성분별 운동량이 보존되는지 확인하고, 차이가 있다면 그 원인을 알아본다.[5] 실험 결과238.35E+11-207162-191-149충돌전248.35E+11-180143-167-127258.35E+11-154135E+11139118113-2378.35E+11169127138-2388.35E+11199137163-323268.35E+11-125-119-204199278.35E+11-102-101-166177288.35E+11-84-82-127151298.35E+11-60-62-85126308.35E+11-38-45-44101318.35E+11-16-25-277328.35E+118-184465338.35E+1127-279166348.35E+1143-3613867358.35E+1161-4418470368.35E+1177-5322871378.35E+1196-6127272388.35E+11111-693167534228.35E+11-189138-177-164238.35E+11-164118-152-144248.35E+11-14099-129-125258.35E+11-11578-104-105268.35E+11-8857-79-85278.35E+11-6137-54-65288.35E+11-3526-27-56298.35E+11-1137-1-65308.35E+11144926-74318.35E+11425952-84328.35E+11677179-93338.35E+119383106-101348.35E+1111*************.35E+11-177202-211-109268.35E+11-154185-185-92278.35E+11-130167-160-73288.35E+11-106150-135-55298.35E+11-81130-109-35308.35E+11-54112-80-16318.35E+11-2794-543328.35E+11692-314338.35E+1138101-10-4348.35E+117010810-12358.35E+1110411529-21368.35E+1113712351-29378.35E+1117113172-38112258.35E+112-15-263184268.35E+112-15-246174278.35E+112-15-214160288.35E+113-15-167137298.35E+112-+11-54320-39278.35E+11164352-35288.35E+11394483-30298.35E+116043114-25308.35E+118143144-20318.35E+1110543172-1512228.35E+11-146-141-74111238.35E+11-118-118-5297248.35E+11-91-99-3183258.35E+11-63-79-871268.35E+11-38-601460278.35E+11-9-373548288.35E+1114-256043298.35E+1137-188746308.35E+1159-1211347318.35E+1178-513750328.35E+*************168.35E+112-103-91122178.35E+1124-90-5398188.35E+1145-78-1674198.35E+1171-662251208.35E+1195-556028218.35E+11127-569421228.35E+11158-6312415238.35E+11190-681568248.35E+11221-7418835피사체 질량(g)피사체187.5g피사체287.5g구분항목1회2회3회4회5회충돌전피사체1의 속도피사체2의 속도성분별 총 운동량총 에너지충돌후피사체1의 속도피사체2의 속도성분별 총 운동량총 에너지결과운동량 변화량오차(%)오차(%)에너지 변화량차이(%)피사체 질량(g)피사체187.5g피사체287.5g구분항목6회7회8회9회10회충돌전피사체1의 속도피사체2의 속도성분별 총 운동량총 에너지충돌후피사체1의 속도피사체2의 속도성분별 총 운동량총 에너지결과운동량 변화량오차(%)오차(%)에너지 변화량차이(%)피사체 질량(g)피사체188.5피사체288.5구분항목1회2회3회4회5회충돌전피사체1의 속도피사체2의 속도성분별 총 운동량총 에너지충돌후피사체1의 속도피사체2의 속도성분별 총 운동량총 에너지결과운동량 변화량오차(%)오차(%)에너지 변화량차이(%)피사체 질량(g)피사체188.5피사체288.5구분항목6회7회8회9회10회충돌전피사체1의 속도피사체2의 속도성분별 총 운동량다고 생각한다.&&&에어 테이블은 마찰력을 줄이기 위해 사용된다. 하지만 실험기계의 한계로 마찰력을 전부 없에지 못하여 에너지의 손실이 일어나게 되었다.&&&손실된 에너지는 충돌 전후의 에너지의 차이를 알아보면 된다. 에너지 손실이 발생했으므로 탄성 충돌이 아니다. 그리고 운동량 보존법칙에 따르면, 충돌 전 운동량과 충돌 후 운동량의 합이 다르다. 따라서 운동량 보존법칙은 성립하지 않는다. 먼저 에어트랙의 수평을 완벽하게 맞추는 일이 불가능했었기 때문이고, 또한 피사체가 충돌할 때 소리 및 열에너지로 손실이 생긴다.공기저항력으로 인하여 운동에너지가 감소하고, 퍽이 회전하므로 회전에너지와 운동에너지 간의 어네지 교환이 일어난다.&&&전탄성충돌은 운동량보존비율이 1인데 이것에 맞게 최대한 탄성충돌에 가까운 결과를 얻고자 에어테이블을 사용하였지만 실험결과는 그렇지 못하였다.이는 완전한 수평을 맞추지 못하였으며 마찰또한 완전히 줄이지 못하였고 공기저항으로 인해 운동에너지가 감소되었기 때문이라고 생각된다.&&&탄성계수가 1에 가까운 것으론 당구공이 있다. 하지만 완전탄성충돌을 하는 것은 현실에선 거의 불가능하다. 물체가 충돌할 때 열과 소리에너지가 발생한다. 그래서 운동에너지가 보존하지 않는다. 또한 에어테이블이 완전히 마찰을 없애준다고 보기엔 어렵다.[6-2] 종합의견이번 실험은 에어테이블 위에서 퍽들의 충돌을 통해 총 운동 에너지의 보존 여부를 알아보는 실험이었다. 실험 데이터를 이용해 각 실험별로 사용된 공식에 대입을 하고 결과를 도출해보니 충돌 전후의 운동에너지가 비슷한 경우도 있었으며, 차이가 나는 실험도 있었다. 보통의 경우에 여러 가지 오차의 원인들로 인해 감소하는 것이라 생각하며 오차의 원인을 분석해 보았다. 오차의 원인으로 다음과 같다.① 충돌할 때 소리 및 열이 발생하여 소리에너지와 열에너지로 손실이 생겼다.② 에어테이블이 지면과 완전한 수평을 이루지 못했다. 수평을 이루지 못해 퍽이 저절로 왔다 갔다하는 바람에 오차가 생긴것 같다.③ 에어테이블과 퍽각

공학/기술| 2012.06.16| 28페이지| 2,000원| 조회(6,248)

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