초급 물리실험 매뉴얼

소개글

초급 물리실험 매뉴얼에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. Electrrical Equivalent of Heat (줄열실험)

2. Newton's second Low-Constant Force (뉴턴의 제 2 법칙)

3. Driven Harmonic Motion(강제 조화 운동)

4. Rotational Inertia(회전 관성력)

5. Conservation of Linear and Angular Momentum (선형 및 각운동량 보존)

6. Waves on a string (줄의 진동)

7. Resonance Mode and the speed of sound (음파의 공명모드 및 음속 측정)

8. Heat Transfer (열전달)

본문내용

역학 카트, 질량 물체와 추걸이 세트, 도르래와 클램프
● 실험순서 : 모션센서를 이용하여 도르래 위에 중지되어 있는 매달린 질량을 줄에 의해 끌어당겨지는 카트의 움직임을 측정한다. 힘 센서를 이용하여 그래프와 데이터를 분석한다.
Part 1 컴퓨터 셋팅
1. 사이언스 워크샵 인터페이스를 컴퓨터에 연결하고 인터페이스를 켜라.
그리고 컴퓨터를 켜라.
2. 인터페이스 상의 모션 센서의 플러그를 디지털 채널1과 2에 연결한다.
디지털 채널 1에 노란색으로 둘러진 플러그를 연결하고 디지털 채널 2 에 다른 플러그를 연결한다.
3. 아날로그 채널 A에 힘센서의 DIN플러그를 연결한다.
4. 윈도우의 P11_conf.sws 문서 파일을 연다.
Part 2 센서교정
1. 힘센서 셋업창을 연다. 힘센서를 수직으로 위치 시킨후 추걸이에 아무것도 매달지 않은 상태에서 High Value의 값을 0으로 넣고 Read 버튼을 누른다. 추걸이에 추를 달고 Low Value의 Read 버튼을 누른다. 이것으로 뉴턴질량(9.8N/Kg×추질량)을 구해서 Low Value에 넣는다.
Part 3 실험준비
1. 수평의 표면에 동역학 트랙을 놓는다. 동역학 카트가 스스로 구르지 않도록 수평을 유지
2. 동역학 트랙의 오른쪽 끝에 도르래를 붙인다.
3. 트랙의 왼쪽 끝에 모션센서를 놓는다. 모션센서와 카트의 최소거리를 40cm로 한다.
4. 카트와 힘센서의 총질량을 기록한다.
5. 힘센서의 후크 끝이 모션 센서에서 떨어져 감지할 정도로 동역학 트랙에서 카트를 놓는다.
6. 카트가 도르래의 옆에 있을 때 길이가 마루에 닿을 때 필요한 줄보다 10cm긴 줄을 사용한다. 힘센서의 후크의 끝에 줄을 매단다.
7. 질량 걸이에 2～30 그램의 추를 매단다. 질량걸이와 추의 총질량을 기록한다.
8. 줄의 다른 끝에 질량걸이를 붙이고 도르래의 홈에 줄을 끼운다. 줄이 동역학 트랙과 평행일 정도로 도르래의 높이를 조절한다.
Part 4 데이터 기록
카트가 도르래에 부딪치지 않게 측정하고 측정전에 힘센서의 평형추 버튼을 눌러 힘센서가 0이 되게 한 후 측정한다. REC 버튼을 누르면 데이터가 모인다.
● 데이터 분석
1. 버튼을 누른다. 버튼을 누른다.
2. 속력 대 카트의 움직임을 보여주는 그래프 주변을 클릭 ＆ 드래그 해서 강조
3. 버튼을 누른다. curve Fit -> Linear Fit을 누른다.
4. 데이터가 테이블 상의 선의 적합한 경사를 기록한다.
5. 시스템의 이론적인 가속도를 계산하고 기록한다.
6. 버튼을 누른다.
7. 데이터에서 힘의 의미를 기록한다.
8. 카트 대 힘 센서의 미치는 힘을 계산하고 기록한다.
● DATA
카트+힘센서
추+추걸이
가속도(측정값)
가속도(계산값)
힘(측정값)
힘(계산값)
● 질문
1. 가속도의 계산된 값과 측정된 값 사이의 퍼센트 차이는 어떠한가?
2. 힘의 계산된 값과 측정된 값 사이의 퍼센트 차이는 어떠한가?
3. 이론적인 값과 측정된 값의 사이의 차이점이 있는 것은 어떤 이유에서 인가?
Driven Harmonic Motion(강제 조화 운동)
● 실험목적 : 스프링에 매달린 질량의 운동이 외부힘이 가해지는 강제 조화진동의 경우 스프링계의 고유진동수 근처에서 운동 양상을 관찰하고 물리계의 고유진동수를 이해한다.
● 이론 : 진동계를 진동시키면 계는 고유(자연)진동수로 진동한다. 그러나 이러한 계가 고유진동수로 진동하도록 놓아 두기보다 특정한 진동수로 진동하도록 외부힘을 가하는 경우를 생각해 보자. 계에 외부력( Fext = Focosωt )이 가해질 때 진동의 양상은 달라지게 되고 다음과 같이 표기한다.
F = Mg - kx + FocosωtMx\'\' + kx = Mg + Focosωt
M 으로 나누고 ωo = (k/M)1/2 라 놓고 식을 정리하면
X\'\' + ωo2X = g + (Fo/M)cosωt
질량이 정지 상태에서 강제 조화 진동한 경우, 초기조건 (t=0 일 때 X=X\'=0)
하에 이 미분방정식을 풀면
(1) ω ≠ ωo 일 때 X(t) = Acosωt + Bcosωot
여기서 A=-1/(ω2-ωo2)(Fo/M), B= -Mg/k-A 이다
(2) ω = ωo 일 때 X(t) = -(Mg/k)cosωot + (Fo/2ωoM) + sinωot 이 된다. 즉 외부힘의 구동 주파수가 자연 주파수와 거의 일치할 때 질량의 위치시간의 그래프는 약간 어긋난 위상에서 음파의 간섭 패턴과 비슷하고 이 현상을 맥놀이라 부른다. 이상적으로 구동 주파수가 자연주파수와 정확히 일치할 때 계에 에너지는 흡수되는 방향으로만 흐르고 스프링 질량계의 진폭은 매우 크게 증폭될 것이다. 미분방정식 bx\'성분이 추가되어 X\'\' + bx\' + ωo2X = (Fo/M)cosωt 의 형태가 될것이고 tsin(ωot)와 같은 해가 나오지 않는다.
● 실험장비 : 컴퓨터 및 인터페이스 장치, 파워엠프, 모션센스, A베이스, 원형지지막대, 클램프, 추걸이, 추, 스프링, 파형구동자
● 실험순서
1. 인터페이스박스를 컴퓨터에 연결하고 인터페이스전원을 켠 다음 컴퓨터를 켠다.
2. 모션센서의 디지털 잭 2개를 순서대로 노란색은 채널 1에 검은색은 채널 2에 각각 연결한다.
3. 사이언스 워크샵 프로그램을 실행하고 초기 메뉴에서 디지털 잭 아이콘을 디지털 채널 1로 끌어내면 센서 선택
(1) 스프링 상수의 결정
먼저 스프링의 한쪽 끝에 질량을 매달 때 늘어난 길이를 측정하여 스프링 상수를 결정한다. 질량의 변화에 따른 길이의 변화를 자로 잴수도 있겠지만 더욱 정밀한 자; 모션센서를 사용한 키보드 샘플링에 의한 방법을 생각해 보기로 한다.
① 윈도우 셋업 메뉴에서 sampling option => key board를 선택하면 대화상자 우측에 parameter와 Units가 나올 것이다. 질량의 변화에 따른 길이의 변화를 모션센서가 재어주므로 parameter에는 “질량의 변화” Units에는 “Y\"를 쓰고 샘플링 속도는 1로 설정한다.
② 지지막대와 클램프를 사용하여 스프링을 수직으로 자유롭게 움직일수 있도록 매달고 스프링의 끝에 추걸이를 매단다.
③ 모션센서(DIP 스위치는 wide)의 센서부분을 상향으로

키워드

선형,   줄,   진동,   음파,   공명,   열,   물리,   실험