일반물리학실험 - 선운동량 보존법칙(예비, 결과)

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일반물리학실험 - 선운동량 보존법칙(예비, 결과)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

653,456.16
61.3
710,203.4
8.0
식(8.4)에서 이므로, 로서 충돌 전후의 역학적 에너지가 보존되어야 한다. 실험 결과 상대오차 10% 범위내에서 역학적 에너지가 보존됨을 알 수 있다.
c. 완전 탄성 충돌 - 질량이 다른 두 활차의 경우(가벼운 활차에 힘을 가할때)
활차의 질량 :
활차1
활차2
충돌후 역학적 에너지
상대오차
충돌 전
충돌 후
충돌 후
1
69.9
923,455.9
-14.0
37,044.0
-14.3
38,731.2
53.4
816,544.2
55.6
884,724.7
853,588.2
923,455.9
7.6
2
70.4
936,714.2
-13.6
34,957.4
-14.4
39,287.3
53.4
816,544.2
56.0
897,427.0
851,501.6
936,714.2
9.1
3
65.7
815,816.6
-12.3
28,593.8
-13.5
34,216.6
50.2
721,613.5
52.2
781,600.0
750,207.3
815,816.6
8.0
4
65.7
815,816.6
-12.3
28,593.8
-13.5
34,216.6
50.7
736,059.8
52.2
781,600.0
764,653.6
815,816.6
6.3
5
67.5
861,131.3
-12.8
30,965.8
-13.8
36,117.2
52.0
774,290.4
53.7
825,014.0
805,256.2
861,131.3
6.5
식(8.4)에서 , 이므로, 로서 역학적 에너지가 보존되어야 한다.
실험결과 상대오차 10% 범위 이내에서 역학적 에너지가 보존됨을 알 수 있다.
d. 완전 탄성 충돌 - 질량이 다른 두 활차의 경우(무거운 활차에 힘을 가할 때)
활차의 질량 :
활차1
활차2
충돌후 역학적 에너지
상대오차
충돌 전
충돌 후
충돌 후
1
58.8
990,037.9
13.3
50,652.5
12.0
41,523.8
69.4
910,292.0
70.8
948,514.2
960,944.5
990,037.9
2.9
2
58.1
966,605.9
13.1
49,140.5
11.9
40,541.0
68.9
897,222.7
70.0
926,064.9
946,363.2
966,605.9
2.1
3
59.5
1,013,750.6
13.5
52,187.3
12.2
42,518.3
70.9
950,067.1
71.7
971,232.3
1,002,254.4
1,013,750.6
1.1
4
60.2
1,037,743.9
12.8
46,915.6
12.3
43,524.6
71.4
963,514.4
72.5
994,219.2
1,010,430.0
1,037,743.9
2.6
5
60.6
1,051,580.3
13.5
52,187.3
12.4
44,105.0
72.4
990,692.6
73.0
1,007,475.3
1,042,879.9
1,051,580.3
0.8
식(8.4)에서 , 이므로, 로서 역학적 에너지가 보존되어야 한다.
실험결과 상대오차 5% 범위 이내에서 역학적 에너지가 보존됨을 알 수 있다.
e. 완전 비탄성 충돌 실험
활차의 질량
(%)
(%)
상대오차
1
70.4
936,714.2
30.9
360,918.2
61.5
35.2
468,357.1
50
23.0
2
68.9
897,222.7
30.1
342,471.8
61.8
34.5
448,611.3
50
23.6
3
66.6
838,320.8
29.8
335,679.1
60.0
33.3
419,160.4
50
20.0
4
64.5
786,287.3
29.7
333,430.0
57.6
32.3
393,143.6
50
15.2
5
68.4
884,247.8
30.3
347,038.0
60.8
34.2
442,123.9
50
21.6
,
운동량 보존 (완전비탄성 충돌)
충돌전 에너지 :
충돌후 에너지 :
에너지 손실 :
에너지 손실률 :
두 활차의 질량이 같은 경우 에너지 손실률은 50%이고, 실험결과 상대오차 25%범위 내에서 초기에너지의 50%가 손실됨을 확인할 수 있었다.
8. 결론 및 검토
이번 실험은 마찰이 거의 없는 공기 미끄럼대를 이용하여 1차원 탄성충돌과 비탄성충돌 실험에서 선운동량이 보존됨을 확인하는 실험이다.
완전탄성충돌의 경우 상대오차 5%범위 내에서, 완전 비탄성 충돌의 경우는 상대오차 15% 범위 내에서 운동량이 보존됨을 알 수 있었다.
부수적으로 에너지 보존에 대한 값들도 계산하였는데, 완전탄성충돌의 경우 상대오차 10% 범위내에서 역학적 에너지가 보존됨을 확인하였다. 완전비탄성 충돌의 경우 에너지 손실률은 초기역학적 에너지의 50%가 손실됨을 계산결과 알 수 있었고, 실제 실험결과 초기에너지의 대략 60%가 손실됨을 확인하였고, 이것은 상대오차 25%범위에서 확인할 수 있었다.
기존의 포토게이트를 이용하여 시간과 보조막대의 길이를 측정하여 속도를 계산하는 것보다 smart timer를 이용하여 속도를 직접 측정함으로써 번거러움이 줄어들었고, 두개의 변수를 측정하여 오차가 전파되는 것을 대폭 줄일 수 있어서 비교적 정확한 데이타들을 얻을 수 있었다. 굳이 오차의 원인들 찾아본다면, 공기 미끄럼대의 수평이 정확히 맞지 않아(물론 수평을 맞추기는 했지만 미심쩍다), 중력의 영향을 받았으리라 추측되고, 완전 탄성 충돌을 구현하기 위해서 설치한 고무줄 완충기의 고무줄 탄성계수가 1이 아니기 때문일 것이다. 역학적 에너지 보존 및 에너지 손실률 계산에서 선운동량보존 실험보다 오차가 크게 발생한 원인은 질량과 속도 측정에서 측정한 값들이 어느 정도 오차를 가지고 있고, 이들이 계산과정에서 전파되었기 때문이다. 이것은 선운동량 보존보다 에너지 보존이, 에너지 보존보다 에너지 손실률 계산에서 오차가 크게 발생한 것으로부터 유추할 수 있다.
이번 실험은 교과서에서 늘 볼 수 있었던 이상화된 상황에 대한 가시화된 실험으로서, 대학교 일반물리과정보다는 중등과정에서 해야 실험으로 생각되고, 물리가 자연과 별개로 수식의 나열에 불과하다는 생각들을 어느 정도 없애는데 기여했으면 한다. 그리고 대학과정에서는 2차원 탄성충돌 실험을 하는 것 더 낳지 않을까 하고 생각해 본다.

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일반물리학실험,   선운동량 보존법칙,   운동량 보존법칙