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[물리][보고서] 물체의 충돌운동 실험

물리 실험 보고서실험자 :공동실험자 :일시 :1. 서론모든 물체는 운동을 한다. 자세히 말해서 모든 물체는 0이거나 0보다 큰 값의 속력을 가진다. 운동량은 이 속력에 물체의 무게를 곱해준 값으로 운동을 하고 있는 물체가 가지는 운동의 크기를 나타내는 값이다. 따라서 속력이 0인 물체의 운동량은 0이 되고 속력이 증가할수록 운동량도 비례하게 증가하는 것이다. 그리고 물리학자들은 운동량 보존이라는 새로운 개념을 만들어 냈다. 운동량 보존은 두 개 이상의 물체가 충돌을 했을 때 충돌 전과 후의 속력은 바뀌어도 운동량의 합은 변하지 않다는 실험적 측정에서 발견되었다. 우리는 이번 실험에서 운동량 보존의 법칙을 증병해주는 실험을 해보기로 하였으며 만약 운동량 보존이 안 된다면 그에 대해 의견을 내보기로 하였다.2. 이론일반적으로 물체들 사이에 서로 힘이 작용하여 속도가 변하더라도 외력이 작용하지 않는다면 힘의 작용 전후의 운동량은 보존된다. 두 개 이상의 물체로 이루어진 계(system)에서도 성립된다. 만약 질량이 이고 각 물체의 속력이 인 물체가 내력만으로 운동한 결과, 각 물체의 속력이 각각로 변했다면,(처음 운동량의 총합) = (나중 운동량의 총합)가 되고 이 때 물체는 다음과 같은 몇 가지 성질들을 가진다.① 운동량 보존의 법칙은 작용·반작용의 법칙에 따라 성립한다.② 두 물체의 충돌, 한 물체로 합쳐지는 융합, 한 물체가 두 개 이상의 물체로 되는 분열 등과 같이 짧은 시간 힘을 작용하는 순간적인 현상에서 마찰력이나 중력 등의 외력이 작용하지 않을 때 항상 성립한다.즉, 힘의 작용시간이 매우 짧고 마찰력, 중력이 무시될 때 성립한다.③ 물체 계 내부의 물체들 사이에 작용·반작용으로 짝을 이룬 내력은 각 물체의 운동량을 변화시키지만 물체 계의 전체의 운동량의 총합은 보존된다.④ 운동량은 벡터량 이므로 합성, 분해는 평행사변형법이나 삼각형법으로 계산한다.3. 실험방법준비물 : Pasco Motion Sensor, Collision Cart, Pasco Interface, Rail, 용수철순서 :① Motion sensor가 장착된 rail위에 2개의 cart를 다음 형태와 같이 장치한다.② Cart간에 부착된 용수철을 압축시킨 후, cart사이를 부착시킨다.③ 용수철 풀림 버튼을 누름과 동시에 데이터를 기록한다. (혹은 데이터 기록 중에 누른다.)④ Cart의 무게를 바꾸어 가며 ②~③의 과정을 반복한다.⑤ 정리된 데이터로 결과를 해석한다.4. 실험결과실험 1. 수레 A와 수레 B의 속도 측정 및 탄성 계수수레 A와 수레 B는 용수철로 튕겨내진 후 속도가 각각 다음과 같이 변하였다.횟수수레1수레210.58-0.5820.55-0.5530.54-0.54평균0.556667-0.566667이제 운동량 보존의 법칙이 성립하는지 확인해 보자.따라서 운동량 보존의 법칙이 성립한다.이제 용수철의 탄성계수를 구하여 보자.용수철이 팽창하면서 힘을 가하는 동안은 근사적으로는 탄성 충돌이므로즉, 탄성 계수는 395.30(N/m)이다.실험 2. 수레의 질량과 수레 A, B의 속도 변화500g, 1000g에서의 속도변화는 다음과 같았다.이 때 탄성 계수와 운동량 보존 법칙의 성립여부를 확인하여 보면으로 오차의 원인으로는 마찰력과 중력을 생각해 볼 수 있다.탄성 계수는으로 아까와는 약 4%의 차이가 났다.이 때 충격량을 구하여 보면충격력은 시간에 따른 그래프로 표현될 것이므로 Datastudio의 time-acceleration 를 이용하여 나타내 보면 500g짜리 수레의 t-I graph는 다음과 같았다.다음과 같이, 충격력은 급속히 증가하였다가 감소하는 경향을 보였으며, 다음의 time-velocity table에서, 충격력이 완만히 증가하는 구간은 속도가 완만하게 증가하고, 충격력이 급히 증가하는 구간은 속도가 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다.000.0397670.056670.0794670.270.1191330.486670.1588330.65333다음과 같이 근사해 보기 위하여 꺾은선으로 만들었을 때,0.03980.0142620.07960.0679350.11930.1077610.1590.0948690.19860.041285첫 번째 삼각형의 넓이이다.두 번째 사다리꼴의 넓이이다.세 번째 사다리꼴의 넓이이다.네 번째 사다리꼴의 넓이이다.다섯 번째 사다리꼴의 넓이이다.이 것의 누적표를 그려보면 다음과 같이 나온다.0.03980.0142620.07960.0821960.11930.1899580.1590.2848270.19860.326112이제 여기에 각각의 평균 시간을 곱하여 시간-충격량 누적 그래프를 그려보면0.03980.0002840.07960.0032710.11930.0113310.1590.0226440.19860.032383그리고 이 값과 뒤의 시간-속도 그래프를 비교해 보면 아래와 같이 된다.000.0397670.0566670.0794670.270.1191330.4866670.1588330.6533330.1984330.653333또, 누적충격량-속도 그래프를 그려 보면이렇게 나오므로, 예상된 식인 I=m(v-v0)=0.5v와 거의 일치했다.즉, 이는 충격량의 누적된 합이 운동량과 같다는 사실을 확인시켜준다.그리고 평균 충격력은 0.3261/(0.1986-0.0398)=2.05N으로 대략 비슷했다.1000g짜리 수레의 t-I graph는 다음과 같았다.그리고 이 때 누적 충격량 그래프는다음과 같다.또 충격량은500g- 1500g운동량 보존을 알아보자오차의 원인으로는 마찰력, 중력 등이 있을 것이다.그리고 질량 중심의 운동을 분석해 보면으로써 500g짜리 수레가 3단위 만큼 움직이는 동안 1500g짜리 수레가 1단위 만큼 움직인다고 보면 된다.이 때, 두 수레가 붙어 있던 지점을 기준으로 하여 질량 중심의 운동을 분석해 보면위 식을 보면 거의 질량중심의 운동은 없다고 보아도 될 것이다.1000g-1000g이 때, 두 수레의 속도 차이는 motion sensor에서 둘을 읽는 시점이 다르다는 점에 기인하는 듯 하다. 예를 들어, motion sensor가 수레가 움직이기 시작한 순간에 읽는다면, 이는 속도가 낮게 측정될 것이다. 이는 특히 우리가 평균을 냈던 점에서 가능성이 높을 것이다.이제 질량 중심의 운동을 측정해 보자.이 운동에서 어느 정도의 움직임이나 실험의 오차가 심하여 여기서 확인하기는 어려울 듯 하다.충돌 실험충돌 전-후로 나누어 생각해 볼 것이다.충돌 전질량 중심의 운동두 수레의 위치는 시간에 따른 함수로 표시 가능하여 각각 (-0.6243t + 1.7193), (0.898)로 표시 가능하다. (두 수레의 질량 중심은 임의로 두 수레의 가운데로 지정했다)이 때, 질량 중심의 운동은이다.한편 충돌 후에는 아래의 그래프와 같이 나온다.여기서 질량 중심의 운동은 아래 식과 같이 나타난다.이 때 오차의 원인은 마찰력과 중력으로 추정된다.그리고 이 때 반발 계수는또한, 충돌 과정에서 손실된 에너지는[오차]오차의 원인으로는 마찰력, 중력, 측정기의 시간차가 꼽힌다.특히 마찰력과 중력의 경우 외력으로 작용하여 완전한 운동량 보존이 일어나지 못하게 하는 주된 원인이며, 이 때 마찰력의 크기를 측정해 보면 (레일을 이동하는 동안 속도변화와 레일의 길이 측정)이며, 이에 의하여 약 0.04N의 가속도가 생겼다(500g 수레 기준).또 중력은 레일의 휘어짐에 의하여 생겼으며, 실제로 그 것을 펴 보려고 무척 애를 썼으나 결국 이 정도의 휘어짐이 발생했다.이 때, 발생한 레일 방향의 힘의 크기는이었다.이 외에도 측정상의 미숙 등이 오차의 원인으로 지적된다.5. 결론이번 실험으로 운동량 보존 법칙을 실험적으로 입증하였다. 데이터도 잘 나온 것이 많았고 그래프도 이론과 비슷한 형태로 나왔다. 우리가 이미 알고 있는 운동량 보존의 법칙과 실험 결과와는 비슷한 양상을 보인 다는 것을 알 수 있었다.수레1과 수레2를 이용해 중간에 용수철을 넣고 실험하는 과정에서, 서로간의 밀어내는 힘과 각 수레의 질량 관계를 알 수 있었다. 500g짜리 수레와 1000g짜리 수레를 이용하여 그래프를 분석하였다. 500g-500g의 서로 같은 무게의 수레를 이용하면 시간당 이동하는 거리, 즉 속력이 비슷하였고, 500g-1000g의 서로 다른 무게의 수레를 이용하면 1000g짜리 수레가 더 느리게 가는 것을 알 수 있었다.또 수레끼리의 충돌 시험에서 충돌 전과 충돌 후 그래프를 비교하였을 때 충돌을 당한 수레는 정지 속력에서 힘을 얻어 속력이 (+)로 변하였고, 충돌을 한 수레는 뒤로 되튕겼다. 또한 이 상황에서의 반발계수가 0.8280 이라는 사실도 구해낼 수 있었다.현재까지 알려진 오차의 원인으로는 마찰력, 용수철 힘의 일정하지 않음, 실험을 반복하면서 생기는 레일 각도, 용수철을 풀 때 가해주는 외력 등으로 추정되고 있다.만약 에어레일을 사용하고, 완전수평 레일에서 실험을 하는 것만으로도 상당한 오차를 줄일 수 있을 것이라 예상된다.

자연과학| 2008.03.31| 15페이지| 1,000원| 조회(385)

운동량, 보존, 충돌, 물체, 속력

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[물리][보고서] 전류에 대한 이해

< 물리 실험 보고서 >전류에 대한 이해실험일시 : 2005년 11월 26일작성자 :공동 실험자 :1. 서론이번에 우리들은 다양한 전기회로를 연결하여 전류를 흘려 봄으로서, 전기회로에 대한 기초적인 법칙을 알아보고, 뿐만 아니라 휘트스톤 브릿지 같은 좀 더 응용될 수 있는 전기회로에 대한 내용에 대해서도 알아 볼 것이다. 이를 통해, 회로에 대한 이해를 늘릴 것이다.2. 이론1) 옴의 법칙'옴형 저항‘에서는 저항의 크기가 어떤 V와 I에 대해서도로 주어진다. 다시 말해, 저항의 크기는 전위차 또는 전류와 무관하다.2) 키르히호프의 법칙- 폐회로에서. - Kirchhoff's Voltage Law- 교차점에서. - Kirchhoff's Current Law(Junction Rule)3) 줄의 실험전기 회로에 연결되어 있는 장치는 일을 한다. 이 때, 단위 시간당 하는 일의 양이다. 특히, 옴형 저항에 대해서는의 관계가 성립한다.4) 키르히호프 법칙퍼텐셜 방법에 의하면 다음의 두 가지 회로 법칙을 얻을 수 있다.(1) 폐회로 법칙- 완전히 닫힌 회로내의 모든 전기퍼텐셜 차의 합은 0이다.(2) 접합점 법칙- 어느 접합점을 들어오는 전류의 합은 그 접합점을 빠져나가는 전류의 합과 같다.5) 휘트스톤 브릿지검류계에 전류가 흐르지 않을 때이를 통해 미지 저항을 구할 수 있다.3. 실험 방법1) 옴의 법칙(1) 준비물 : 전원공급기, DMM2대, 저항 3가지(2) 실험 순서① DMM 1대는 10A전류계로, 다른 하나는 20V전압계로 설정한다.② 저항을 이용하여 그림2와 같은 회로를 구성하고 전원공급기에서 전압을 변화시키면서 전류를 측정한다.③ 전압-전류의 그래프를 그려본다.그림3④ 그림3과 같은 회로에 대해서도 실험한다.그림22) 키르히호프의 법칙(1) 준비물 : 건전지, 저항, DMM(2) 실험 순서① 그림과 같이 회로를 구성한다.② 이때 E1과 E2는 각각 전지 2개 및 3개를 직렬로 연결한 것으로 하고 단자 전압을 측정한다.③ 저항에 걸리는 전압과 각각의 저항에 흐르는 전류를 측정한다.④ 저항 값을 바꾸어서 최소한 3가지 이상의 경우에 대하여 측정한다.3) 휘트스톤 브릿지(1) 준비물 : 건전지, 저항, 가변저항, 검류계(2) 실험 순서① 전지와 저항(R1=100Ω, R2=10Ω)을 이용하여 그림과 같은 회로를 구성한다. rb와 rm은 각각 전지와 검류계의 내부저항이다. 따라서 처음 실험에서는 직접 도선으로 연결한다. 미지의 저항은 니크롬선을 이용하고 VR은 가변저항이다.② 가변저항의 저항을 변화시키면서 스위치를 잠깐 눌러서 전류의 방향을 확인한다.③ rb, rm 부분을 니크롬선이나 다른 저항으로 바꾸어 보았을 때 VR의 값이 어떻게 달라지는가 조사한다.4) 전류의 내부저항 측정(1) 준비물 : 건전지, 저항, DMM(2) 실험 순서① 전지와 저항을 이용하여 그림과 같은 회로를 구성한다.② DMM을 이용하여 스위치가 열렸을 때와 닫혔을 때의 전지의 단자 전압을 측정한다③ 전지를 3개까지 직렬 및 병렬연결을 하면서 실험한다.5) 전류의 열작용(1) 준비물 : 줄의 실험장치, 전원 공급기, 온도계(2) 실험 순서① 줄의 실험장치에 물을 약 200g 넣는다.② 줄의 실험장치의 8Ω 단자에 전원 공급기를 연결한다.③ 전류를 1A를 흘려주면서 온도계로 온도를 측정한다.④ 시간에 따른 온도 변화를 측정한다.⑤ 전류를 바꾸어 가면서 실험한다.⑥ 위의 실험을 줄의 실험 장치의 4Ω 단자에 연결하였을 때의 경우로 반복한다.4. 결과 해석실험 1 해석저항 10Ω그림 1-a에서전압(V)전류(A)60.5780.75100.95121.12141.33171.6201.89그림 1-b에서전압(V)전류(A)30.2850.4770.6790.86111.04131.22151.41171.6191.78저항 100Ω일 때저항 200Ω일 때다음에서 보듯이 전압과 전류의 세기에는 명백한 비례관계가 있으며, 이 때 비례상수는으로 나왔다. 따라서 전압의 크기를, 전류의 세기를, 저항의 크기를이라 하면,라는 식을 얻을 수 있었다.하지만 100Ω일 때와 특히 200Ω일 때는 측정 장비의 측정 한계로 인하여 정확한 선형의 모습을 얻을 수는 없었다. 하지만, 전반적으로 완만하고 꾸준한 증가의 모양을 보여 전압과 전류 사이에 선형의 관계가 있을 것이라는 추정은 가능하였다.실험2 해석회로 E1E12.52VEr1-1.24VEr3-1.24V0.04V회로 E2E21.37VEr2-0.06VEr3-1.24V0.7V큰 회로E12.6VEr1-1.32VEr20.06VE2-1.33V-0.01V어떤 회로에서, 각 폐회로에 걸린 각 전압의 합은 0 이라는 것이 키르히호프의 법칙이다.해석 : 모든 회로에서 각각의 전압의 합이 거의 0V 이므로 키르히호프의 법칙 성립I1I2I3I1+I20.01220.00120.01380.0134I1 +I2 = I3이므로 Kirchhoff의 법칙 성립실험 3 해석다음 그림과 같이 회로를 구성한 뒤, (R1=100Ω, R2=10Ω, VR : 가변저항, rb : 전지 내부저항 - 무시 가능, rm : 검류계 내부 저항 - 무시 가능) 하고, 검류계의 전류 값이 0이 되도록 가변 저항값을 조절했더니, VR = 24Ω 이 나왔다. 따라서 공식에 의하여 RX = 41.67Ω이 나왔다.이와 같이 휘트스톤 브릿지를 이용하여 전류를 구하면 검류계의 내부 저항이 무시 가능한 정도로 작다는 가정 아래서 정밀하고 간편히 미지 저항의 크기를 측정할 수 있는 것으로 보인다.실험 4 해석전지 개수전지 전압(V)저항 연결시 전압(V)내부 저항(Ω)11.491.282.1084422.972.244.5602834.352.86.91265전지의 개수전압(V)저항 연결시 전압(V)내부저항(Ω)11.491.282.1084421.481.300.8829031.451.330.58391이번실험에서는 전지의 내부저항에 대하여 알아보았다. 실험 결과가 우리가 알고 있던 기전력 저항, 그리고 내부저항의 관계식과 같은 관계를 보임을 알 수 있었다.또 직렬연결과, 병렬연결에 대한 효과도 볼 수 있었다. 직렬 연결할 경우는 전체 내부저항의 크기가 개당 내부저항의 크기에 n배를 한 것이고, 병렬 연결한 경우는 1/n 배를 한 값을 얻을 수 있는데 이는 같은 저항을 직렬-병렬 연결할 때 얻을 수 있는 결과이다.전류세기(A)1저항크기(Ω)8걸린시간(초)1200초기온도(℃)18나중온도(℃)

자연과학| 2008.03.31| 9페이지| 1,000원| 조회(239)

휘트스톤, 전류, 법칙, 전기회로, 브릿지

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[물리][보고서] 마찰계수 측정

물 리 실 험 보 고 서1. 실험자 :2. 작성자 :3. 실험목적 : 물체의 운동을 통한 마찰계수의 측정4. 실험 실시일 : 2005년 4월 4일서론마찰력은 접촉한 두 물체의 표면 요철과 전자기력에 의해 생기는 힘으로, 우리 주위에서 쉽게 볼 수 있는 힘 중의 하나이다. 그 예로, 우리가 걸을 수 있는 것도 마찰력의 덕분이다.마찰력은 크게 정지한 상태의 마찰력과, 운동 상태의 마찰력으로 나뉘며, 각각 정지 마찰력, 운동 마찰력으로 나뉜다. 또, 마찰력과 외력 사이에는 어떤 관계가 성립한다.따라서 우리는 최대 정지 마찰력과 운동 마찰력의 크기를 구하고, 마찰력과 외력 사이의 관계를 마찰력과 시간 사이의 관계와 비교하여 설명할 것이다. 또, 이 실험은 필연적으로 많은 오차가 수반되므로, 이 오차의 원인을 설명할 것이다.마지막으로 이 실험을 통해 가능하다면 새로운 마찰력 측정 방법을 개발할 것이다.실험 목적1) 시간-마찰력 관계와 외력-마찰력 관계의 비교 및 설명2) 최대 정지 마찰력 구하기3) 운동 마찰력 구하기4) 오차의 원인 설명5) 새로운 방법 개발이론(1) 마찰력마찰력의 정의: 두 접촉한 물체에서 한 물체가 진행하는 것을 방해하려는 저항력.마찰력은 면이 물체에 수직으로 작용하는 힘(수직항력 : N)과 마찰계수에 비례한다.(는 마찰력,는 마찰 계수 (물체와 바닥의 표면성질에 따라 변화하는 상수),은 수직항력)(2) 정지 마찰력정지 마찰력의 정의 : 정지 상태의 물체에 힘이 가해졌을 때 그에 반대되는 방향으로 작용하는 마찰력(3) 운동 마찰력운동 마찰력의 정의 : 물체가 운동하는 동안 작용하는 마찰력, 보통 평균적으로 운동 마찰 계수는 정지 마찰 계수보다 작다.실험 기구모래, felt surface block, cork surface block, acryl surface block, motion sensor, force sensor, 레일, 도르래, 실, 통, 받침대, Science Workshop 750, 컵, 휴지,실험 방법① 사진과 같이 실험 장비를 설치한다(수레-felt).※실험 장비 설치 순서가) 받침대를 탁자 위에 수평하게 설치한다.나) 레일을 받침대 위에 놓은 뒤 Motion sensor와 도르래를 레일 뒤에 설치한다.다) 레일과 Motion sensor, 도르래 위에 수평 계를 놓아 수평을 맞춘다.라) 레일 위에 Felt surface block을 올리고 모래를 넣어 Force Sensor까지 합친 무게가 500g이 되게 한다.마) 밑에 모래가 담긴 수조를 놓고, Force sensor에 끼워져 있는 고리에 실을 연결하여 통과 연결한다.② 레일을 휴지로 닦아 표면이 좀 더 균일해지게 한다.③ 병에 모래를 담아 병이 내려갈 때까지의 관계를 측정한다.④ 병이 내려갈 때의 병의 질량을 측정한 후, 병의 질량을 적당히 어느 정도 더 늘여 가면서관계를 측정한다(5회 반복 측정).⑤ felt surface block을 cork, acryl로 바꾸어 가며 각각에 대하여관계를 측정한다.실험 시 유의사항(1) 실험 시 모래를 쓰므로 모래를 바닥에 떨어뜨리지 않도록 조심한다.(2) 레일은 수평을 맞추도록 한다.(3) 실과 레일 면은 수평을 이루도록 한다.(4) 모션 센서와 수레는 최소한 20cm의 간격을 두어야 한다.(5) 수레는 레일에 수평으로 설치한다.(6) 모래를 뿌리며 무게를 증가시킬 때 힘에 영향을 주므로 주의한다.실험 결과움직이기 직전의 힘의 크기평균 힘수레의 무게마찰계수acryl0.920.980.920.94500g0.1918felt0.551.14391.11.117740.97791500g0.1996cork1.90182.22.0509500g0.4185움직이기 직전의 힘을라고 하고 정지마찰계수를라고 할 때가 된다. 여기서를 구할 수 있다.결론(1). f-t 그래프는 기울기가 1에 가까운 그래프로 그려지다가, 최대정지마찰력 부근에서 갑자기 떨어져 운동마찰력로 일정하게 유지된다.(2) t-f 그래프에서는 position과 밀접한 관계를 가지고 있다. Position의 변화가 있는 t(시간)에서 f또한 변화하는 양상을 그리고 있다.이 때 측정한 f값이 최대정지마찰력의 개형이 됨을 알 수 있다.(3) 실험하면서 모래의 뿌리는 속도가 어느 정도 일정하여 F-f 그래프를 그리게 되면, 변화하는 외력(F)에 대한 마찰력(끌리는 힘,f)를 측정할 경우 기울기 1과 비슷한 양상의 F-f그래프를 유추해 낼 수 있을 것이다.위의 실험을 통해, F-f 그래프와 t-f 그래프는 다음과 같은 차이가 있음을 확인했다.

자연과학| 2008.03.31| 4페이지| 1,000원| 조회(715)

오차, 실험, 마찰력, 정지, 외력

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[물리][보고서] 전기장에서의 운동

전자기장에서의 실험실험일시 :작성자 :공동 실험자 :Ⅰ. 서론- 이번 실험에서의 목표는 자기장이라는 공간 내에서 일어나는 여러 가지 전자기적 현상들을 관찰하는 것이며 우리는 여기서 총 세 가지의 실험을 하였다. 첫 번째는 전기그네 실험으로 네모 모양의 닫힌 전선회로를 관통하는 자석에서 전류가 흐르면 힘이 어떻게 작용하는지 알아보는 실험이었고 두 번째는 솔레노이드 실험으로 솔레노이드에 자석을 움직였을 때 어떤 변화가 일어나는지 보는 실험이었다. 그리고 마지막 실험은 코일에 자석을 움직여주어서 코일 내에 유도 전류가 생성되게 하는 실험이었다.Ⅱ. 이론1) 암페어 법칙전류와 자기장의 관계를 나타내는 법칙으로, A.M.앙페르가 처음 발견하였다. 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 형성되는데, 자기장의 방향은 오른손으로 도선을 감싸 쥐고 엄지를 전류의 방향으로 할 때 나머지 손가락의 방향이 된다. 전류의 방향을 오른나사의 진행방향으로 할 때 자기장의 방향은 나사의 회전방향으로 나타낼 수도 있으므로 ‘오른나사의 법칙’이라고도 한다.2) 플레밍의 왼손 법칙전류가 흐르고 있는 도선에 대해 자기장이 미치는 힘의 작용방향을 정하는 법칙이다. 전류가 흐르는 도선 하나하나의 부분이 자기장에 의해서 받는 힘은, 왼손의 중지를 전류가 흐르는 방향으로, 검지를 자기력선의 방향으로 향하게 하여, 이것들에 대해 수직으로 편 엄지가 가리키는 방향으로 작용한다. 단, 전류와 자기장의 방향이 평행일 때는 이와 같은 힘은 작용하지 않는다.3) 로렌츠 힘하전입자가 자기장 속에서 운동할 때 받는 힘이다. 입자의 전하량을, 자속밀도를, 속도를라 하면, 이 힘은가 된다. 이 때 전류는 단위 시간당 통과하는 전하량의 양으로 나타낼 수 있으므로이고 시간은 전체 길이를 속도로 나눈 값이므로가 되어로 나타낼 수 있는데, 이를 원래 식에 대입하여 정리하면가 된다.Ⅲ.실험1) 솔레노이드1 솔레노이드를 전지와 연결한다.2 전원 스위치를 올리고, 눈금이 어느 방향으로 움직이는지 확인한다.3 전원장치의 +극과 -극을 바꾸고 같은 실험을 반복한다.4 솔레노이드 안에 자석을 넣어본다. 각각의 극에 대해 눈금이 어느 방향으로 움직이는지 확인한다.2) 전기 그네1 전기 그네 형태로 기구를 장치한다.2 전원 스위치를 올리고, 코일이 어느 방향으로 움직이는지 관찰한다.3 전원 장치의 +극과 -극을 바꾸고 같은 실험을 반복한다.4 자기장의 방향, 전류의 방향과 코일이 움직이는 방향의 관계에 대해 생각해본다.Ⅳ. 실험 결과 및 분석1) 전기 그네 실험- 자석 사이에 코일을 그네처럼 설치해 넣은 후 전류를 흘려보내자 코일이 들어 올려졌다. 이는 전류가 흐를 때 코일과 자기장 사이에 어떤 상호작용이 일어났기 때문이라고 생각할 수 있다. 전류가 흘렀다는 것은 코일과 자석, 그 본질에는 어떠한 영향도 미치지 않는다. 따라서 코일에서 일어난 사건은 다른 상호작용이라고 생각된다. 본래에 세팅되어 있던 대로 실험을 하니 코일은 오른쪽으로 움직였고, +극과 -극을 바꾸었을 때에는 코일이 왼쪽으로 움직였다. 왼쪽 그림은 첫 번째 경우에서 전류, 자기장, 힘의 방향을 나타낸 것이다. 자기장의 방향이 위쪽, 전류의 방향이 뒤쪽으로 향하므로 플레밍의 왼손 법칙에 의해 힘의 방향은 오른쪽임을 알 수 있다. 두 번째 경우에는 전류의 방향만 앞쪽으로 바뀌었으므로 힘의 방향은 왼쪽이 된다.2) 솔레노이드 실험- 솔레노이드 안에 도체가 있는 막대를 반쯤 집어넣고 시소처럼 세팅한 뒤 전류를 흘려주어 힘이 어떻게 작용하는지 보는 실험이다. 전류는 앞쪽 막대에서 눈금의 왼쪽 도선을 지나 뒤쪽 막대로 진행하므로, 솔레노이드 안에 있는 도선의 전류, 자기장, 힘의 방향을 나타내어야 한다. 전류는 뒤쪽으로, 자기장은 왼쪽으로 향하므로 힘은 위쪽으로 작용하게 되고, 그에 따라 눈금이 오른쪽으로 움직이게 되는 것이다. 이 실험은 실험 1에서 얻은 결론이 실제로 적용되는 상황을 살펴 본 것이다. ㄷ자 모양의 도선을 전류가 흐르는 솔레노이드 안에 넣고 도선에 전류를 흘려보내면 위에서 논한 것과 같이 도선이 힘을 받게 된다. 따라서 ㄷ자를 구성하는 세 방향의 도선 모두가 힘을 받게 되는데, 도선 형태의 대칭성 때문에 양쪽 도선에 작용하는 힘들은 상쇄되고 가운데 도선에 작용하는 힘만 남아 시소가 움직이게 된다.

자연과학| 2008.03.31| 4페이지| 1,000원| 조회(537)

실험, 자석, 전류, 솔레노이드, 코일

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[물리][보고서] 등전위선과 전기장 방향 찾기

등전위선과 전기장 방향 찾기실험일시 :작성자 :공동 실험자 :1. 서론현대 사회는 전기가 없이 살 수 없는 세상이 되었다. 에디슨의 노력의 결정체 전구로 빛을 만들어내는 생명체가 되고 나서도 인간은 전기라는 도구를 이용하여 많은 현대 문물을 낳았다. 테슬라가 연구, 실용화 시킨 교류 전기를 비롯하여 전기는 우리 생활에 있어서 꼭 필요한 존재가 되어 버렸다. 만약 세상의 모든 전기가 사라진다면 인간이 다시 원시의 불을 이용하는 원시생활로 돌아가야 함은 물론이고 휘황찬란하게 빛나는 도시의 야경이나 전동기와 같은 물건들도 전부 고물이 되어버린다. 그뿐만 아니라 지구의 전기장이 사라진다면 지구에는 큰 이변이 일어나서 지구 또한 생명체가 살 수 없는 곳으로 변하고 말 것이다.전기는 우리 생활에 있어 매우 중요하다. 그중에서도 전기장은 전기의 기본중의 기본으로 이 전기장의 특성을 이용하여 사용하는 물건들도 매우 많다. 전자석은 이 전기장을 이용하여 자기장을 만들기도 하며 축전기에서는 전기장을 이용하여 전력을 저장하기도 한다. 따라서 우리는 이번 실험에서 전기장에서 위치의 성분인 전위의 크기가 서로 같은 등전위면을 찾는 실험을 하기로 하였다.2. 이론1) 전하(electric charge)- 모든 전기현상의 근원이 되는 실체. 대전되어 있는 물체는 전하를 가진다고 하고, 하전상태에 있다고도 한다. 전하의 크기를 전기량이라고 하는데, 항상 기본전하량 e, 즉(는 쿨롱)의 정수배가 된다. 전하는 음양의 구별이 있으며, 그 분포에 따라 여러 가지 전기현상이 일어난다. 분포상태가 변하지 않을 때가 정전하이며, 전하가 이동하는 현상이 전류이다. 전하의 양, 즉 전기량은 정전하 사이에 작용하는 힘(인력 또는 반발력)의 크기로 측정할 수 있다. 또 전류가 되어 1s 동안에 이동하는 양으로서도 측정된다. 그러나 어떤 경우라도 그 값은 전자가 가지는 전기량(기본전하량)의 정수배가 된다. 이것은 전하라는 것이 전자 또는 그 정수배의 전기량을 지닌 하전입자(이온)에 의해서만 존재하기 때문이다. 따라서 물질이 존재하는 한, 전하의 총량은 변하지 않는다. 이것을 '전하보존법칙'이라 하는데, 모든 상호작용에서 성립한다. 소립자는 종류에 따라 일정한 전기량을 지니는데, 0,＋e,－e 중 어느 하나이며, 이 종류의 전하를 하전이라고도 한다. 보통 물체가 대전되어 있지 않다는 것은 그 어디를 취해도 음양의 전하를 지닌 입자의 수가 같은 경우이며, 대전체는 어떤 원인으로 이들이 음양으로 분리된 것이다.2) 전기(electricity)- 전기 현상의 주체가 되는 전하나 전기에너지. BC 600년경 그리스의 탈레스는 호박을 마찰하면 대전하여 가벼운 물체를 흡인하는 것을 알고 있었다. 이것이 전기 현상의 최초의 발견인데, 이 호박을 의미하는 그리스어의 'electron'이 그 뒤에 전화되어 'electricity'라는 말이 유래된 것으로 전해진다. 그러나 당시는 전기와 자기가 반드시 구별되어 있었다고는 볼 수 없다. 전기와 자기를 명백히 구별한 것은 16세기 말 영국 엘리자베스 1세의 시의였던 W.길버트인데, 길버트는 자기와 마찰전기에 대해 처음으로 과학적 연구를 하였다. 그 후 프랑스의 물리학자 뒤페가 전하에 양음의 구별이 있는 사실을 발견하였고, 프랑스의 토목공학자 쿨롱은 전기를 가진 물체 사이에 작용하는 전기력에 관한 쿨롱의 법칙을 발견하였으며, 또 이탈리아의 물리학자 볼타에 의해 전지가 발명되는 등 전기 현상이 정밀과학으로서의 체계를 갖추게 되었다. 19세기에 접어들자 패러데이와 맥스웰을 비롯한 많은 과학자들이 전기를 연구하게 되어 전기에 관한 법칙이 뒤를 이어 발견되었다. 옴의 법칙, 전자기유도의 법칙, 전기분해의 법칙, 전류의 자기작용 등이 그것이다. 이와 같은 여러 가지 발견은 산업혁명 후의 시장 확대에 수반되는 신속 정확한 통신에의 요망이나, 팽창하는 도시의 조명 문제 등과 같은 배경 하에서, 기술과 결부되어 수많은 전기기기 발명의 모체가 되었다. 또 영국의 물리학자 J.톰슨이 발견한 이른바 '전자의 존재'는 원자물리학의 발전에 의한 물질 구조의 규명과 연결되어, '전자공학(electronics)'이라고 하는 전자의 응용분야 즉, 진공관이나 트랜지스터를 이용하는 길을 개척하기에 이르렀다. 또 현대물리학에서 전기라는 것은 물질을 구성하고 있는 소립자의 속성이라 할 수 있다.3) 전극(electrode)- 전지, 콘덴서, 진공관 등에서 전기장을 만들거나 전류를 빼내거나 하는 막대 모양 또는 판 모양의 도체. 보통 양, 의 2극이 있다. 전지에서는 두 극에 도선을 이었을 때 양전하가 흘러나오는 극을 양극, 양전하가 흘러들어가는 극을 음극이라 한다. 또 전해조나 방전관, 진공관 등에서는 양이온(cation)이 모이는 전극을 음극(cathod), 음이온(anion)이 모이는 전극을 양극(anode)이라 한다. 예컨대 건전지에서는 중앙의 탄소 막대가 양극이고 아연통이 음극, 납축전지에서는 과산화납(갈색)으로 덮인 극판이 양극, 납(암회색)의 극판이 음극이다.4) 전류(electric current)- 전하가 연속적으로 이동하는 현상. 전류를 흐르게 하는 원동력이 되는 전원의 능력을 기전력, 전류가 흐르는 통로를 전기회로, 전류에 의하여 에너지를 공급받는 장치를 부하라 한다. 전류의 세기는 도선의 임의의 단면적을 1s 동안 1C의 정전하가 통과할 때의 값을 단위로 하여 1A라 하며, 정전하의 이동방향을 전류의 양의 방향으로 정한다. 도선 내의 전류는 자유전하에 의해 이루어지고, 도선 내에서는 전류와 반대방향으로 자유전자가 이동한다. 즉, 1A의 전류가 흐르는 도선에는 1초마다 약 6.25×1018개의 자유전자가 이동하고 있다. 전류에는 이와 같이 도선 내의 자유전자가 이동할 때 생기는 전도전류와 전하를 가진 물체인 하전체 자체가 액체 또는 기체 속을 이동하는 대류전류 및 절연공간을 흐르는 변위전류 등의 세 가지 형태가 있다.5 )등전위면(equipotential surface)- 전기장 내에서 전위가 같은 점을 연결할 때 이루어지는 곡면. 등퍼텐셜면이라고도 한다. 일반적으로 전하는 전기장 E 속에 놓이면 힘를 받기 때문에 위치에너지를 갖는다. 이때 단위 양전하에 대한 위치에너지를 전위라 한다. 따라서 같은 전위의 점들의 모임이 곧 등전위면이다. 점전하에 의한 점에서의 전위는 다음의 식과 같이 표현될 수 있다.(은 점와 점전하사이의 거리).또 이 등전위면은이 일정하다. 즉 점전하를 중심으로 하는 구면을 나타낸다. 점전하를 원점으로 하는 좌표축 O-xyz를 취하고, O-xy면 내의 전위를 세로축에 전위를 잡아 ［그림 1］과 같이 나타낼 때, 등전위면은 전위에 대하여 등고선이 된다. 따라서 등고선의 간격이 좁은 곳일수록 전위기울기가 급하고 전기장이 강하다. 또 전기력선의 방향은 곧 전기장벡터의 방향과 같으므로, 전기장벡터는 항상 등전위면에 수직이다. 즉 전기력선과 등전위면은 항상 수직으로 교차한다. [그림 2］는 평행인 무한히 긴 철사로 전위차를 주었을 때의 등전위면을 나타낸다.3. 실험준비물- 카본지(각종 전극이 만들어져 있음), 전기탐침, 직류전원장치, 전류계, 전지, 전선, A4용지(좌표가 그려져 있는)4. 실험방법① 카본지에 전지를 연결하여 어느 정도 전류가 흐르도록 전원을 조정한다.② 카본지 위에 기준점을 한 점 잡는다.③ 이 기준점에 전류계읜 한쪽 극을 접촉시킨다.④ 전류계의 다른 한쪽 극을 카본지의 다른 위치에 가져다 접촉시킨다.⑤ 이동하는 쪽의 전류계 극을 움직여가면서 검류계의 바늘의 이동 상태를 본다.⑥ 이동 검침봉의 끝점을 적당히 이동하면서 검류계의 바늘의 이동상태를 본다. 바늘이 심하게 이동하지 않는 곳은 두 전류계 끝이 가리키는 부분의 전위가 비슷하다는 뜻이다.⑦ 정밀하게 근처에서 움직여 가며 전류계의 바늘이 영점이 되는 위치를 찾는다.⑧ 여러 개의 등전위점을 찾은 후 연결하여 하나의 등전위선을 그린다.⑨ 고정시킨 전류계 극의 위치를 달리하여 위의 ③~⑨의 과정을 반복한다.5. 실험결과- 후면 첨부자료 참고6. 결과분석전위는 어떤 위치에 하전입자가 존재할 때 이 입자의 전하당 전기적 퍼텐셜 에너지로 정의된다. 사실 이 전위라는 개념보다는 두 위치에서의 전위의 차이, 즉 전위차가 좀더 실용적으로 사용된다. 이번 실험에서 우리는 네 가지 경우의 전극에 대해 전위가 어떻게 분포하는지를 측정을 통해 확인해 보았는데, 이를 해석한 결과는 다음과 같다.먼저 첫 번째 경우인 전극이 동심원의 형태일 경우에 대해 생각해 보자. 가운데의 전극을 기준으로 같은 거리에 있는 점까지의 전위차는 거의 일정한 것을 볼 수 있다. 다시 말해, 원의 중심으로부터 원 위의 모든 점까지의 전위차는 일정하고 이 때 이 원이 등전위면이다. 이 때 이 전극을 하나의 점이라고 생각한다면 점전하가 만들어내는 전기장에 의해 생기는 전위의 크기는 거리에 반비례한다는 것을 알 수 있다(평면으로 퍼져나가기 때문). 만약 원점에서부터 등전위면에 수직하게 선을 연결하면 점전하가 만드는 전기장의 역선을 얻을 수 있는데, 이로부터 전기장은 등전위면에 수직한 방향으로 존재한다는 것을 알 수 있다.두 번째 경우는 두 개의 원형 전극이 존재하는 경우이다. 이 경우에는 전극 근처에서는 첫 번째 경우와 같이 전위차가 전극을 기준으로 같은 거리에서는 거의 일정하지만, 두 전극의 사이로 갈수록 등전위면이 두 전극을 잇는 선에 수직하게 나타난다. 이는 위에서의 결과를 그대로 적용시키면 쉽게 해석되는데, 서로 다른 극을 가진 두 전극, 다시 말해 서로 다른 부호를 가진 두 점전하가 각각 전기장을 발생시키기 때문에 이들의 상호작용에 의해 전위의 분포가 이러한 형태로 나타나기 때문이라고 보인다. 역시 이 경우에도 등전위면에 수직하게 선을 연결하면 두 점전하가 있을 때 만들어지는 전기장의 역선을 얻을 수 있다.

자연과학| 2008.03.31| 7페이지| 1,000원| 조회(533)

등전위선, 전기, 원시, 전기장, 등전위면

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