[물리학 실험] 당구의 역학 (충돌을 전후로 한 운동량 보존 여부와 에너지 보존 여부를 조사)

소개글

[물리학 실험] 당구의 역학 (충돌을 전후로 한 운동량 보존 여부와 에너지 보존 여부를 조사)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

물리학 실험 - 당구의 역학[충돌을 전후로 한 운동량 보존 여부와 에너지 보존 여부를 조사]

1. Introduction
1)실험 개요
2)실험 목적
3) 실험 장치
4) 실험 방법

2. Theory

3. Data and Results

4. Discussion
1) 실험 결과에 대해서
2) 왜 그럴까?

5. 결론

본문내용

.14-0.13= 0.01
충돌 후 운동량
X: mAvAcos25˚+mBvBcos48˚= 0.19+0.13= 0.32
Y: -mAvAsin25˚+mBvBsin48˚= -0.090+0.15= 0.06
충돌전 운동에너지
A: ½mAvA²= 0.073J, B: ½mBvB²= 0.066J
충돌후 운동에너지
A: ½mAvA²= 0.057J, B: ½mBvB²= 0.044J
∴f= 0.101/0.139= 0.73
<두 번째 실험-공기 흐름판의 쓸림 곁수 구하는 실험>
이 성립한다고 가정하고 위의 그래프에 있는 추세식을 대응해보면
-0.0796= -b/m이고 m=0.404kg 이므로
b=0.0322이다.
<실험 3-철띠의 용수철 상수 계산과 에너지 보존 실험>
이 실험에서 우선은 철띠의 용수철 상수를 계산해 보았다. 그 결과 k=194.75(N/m)라는 값이 나오게 되었다. 그리고 이 결과를 토대로 에너지 보존에 대한 실험을 하였는데, 그 이론적 근거는
(철띠에 부딪히기 직전 추의 운동에너지(½mv²))
=(철띠의 포텐셜 에너지(½kx²))
=(철띠에서 떨어지고 난 직후 추의 운동에너지)+(철띠의 진동 에너지)
이다. 물론 위의 실험에서 철띠에서 떨어지고 난 직후 추의 속도는 측정하지 않았다. 왜냐하면 철띠의 진동 자체가 불규칙하여서 측정이 어려웠기 때문이다. 어쨌든 이론상으로는 철띠에 부딪히기 직전에 잰 추의 운동에너지 값과 철띠의 포텐셜 에너지의 값이 항상 같아지도록 나와야하는데 그렇지 않음을 알 수 있다. 이것은 실험 장치에서 쓸림힘의 효과와 추의 회전을 생각해주어야하기 때문이다. 그리고 추의 운동에너지가 모두 철띠의 포텐셜 에너지로 바뀌었다고 할 수도 없다. 왜냐면 열 에너지나 소리 에너지 등으로 전환이 이뤄질 가능성도 크기 때문이다. 따라서 철띠에 부딪히기 직전 추의 운동에너지값과 철띠의 포텐셜 에너지 값 사이의 차이가 위의 효과들을 고려해주어야만 하는 값임을 알 수 있다.
2) 왜 그럴까?
<첫 번째 실험-2차원 탄성충돌 실험>
일단 실험 결과를 분석해본 결과 선운동량이 보존되지 않았음을 볼 수 있었다. 이것은 매우 충격적인 결과인데 그 원인을 생각해보면 일단 선운동량이 보존되려면 외부에서 가해지는 힘들이 모두 차단되어야만 한다. 그런데 실험을 하면서 실험 장치를 수평하게 맞추는 것에 소홀했고 또 회전에 대해서도 크게 신경을 쓰지 못했던 것 같다. 그리고 충돌하기 직전과 충돌하고 난 이후에 속도가 일정하게 나오지 않았음도 볼 수 있는데 이것 역시 위의 요인들이 주된 원인으로 작용하였음을 알 수 있다.
그리고 충돌 전과 충돌 후의 운동에너지 변화도 살펴보았는데 완전 탄성 충돌일 경우에는 충돌 전후의 운동에너지 총합이 항상 같아야하나 이번 실험의 경우에는 그렇게 되지 않음을 알 수 있다. 따라서 탄성계수의 값이 거의 0.75로 나옴을 알 수 있었다. 따라서 이번 실험에서는 완벽한 탄성 충돌 실험이 이뤄졌다고 할 수 없으나 충돌에 영향을 주는 요인에 대해서는 생각할 수 있었다.
<두 번째 실험-공기 흐름판의 쓸림 곁수 구하는 실험>
이 실험에서는 고정된 추를 중심으로 또 다른 추가 그 주위를 원운동하면서 생기는 쓸림힘의 쓸림 곁수를 구하는 실험인데 측정 데이터를 보면 logv(t)의 그래프가 일차 그래프로 정확하게 나오지 않음을 볼 수 있다. 이것은 움직이는 추의 속도가 제대로 측정이 되지 않았기 때문이다. 이렇게 되는 원인으로 생각할 수 있는 것이 중심에 놓여있는 추가 움직였을 가능성인데 실제로 실험을 하면 가운데 놓여있는 추가 약간씩 움직임을 볼 수 있다. 이것으로 인해서 속도가 중간에 갑자기 커지게 되는 경우도 생기게 되어 측정이 부정확하게 되었음을 알 수 있다. 또 다른 이유로는 실험 장치를 수평하게 맞추는데 소홀했던 점이다. 실험에 앞서 실험 장치가 수평하게 유지되어있는지 여부를 알아야 하는데 그것을 하지 않아서 판이 약간 기울어져 있을 가능성도 배제할 수 없다. 결국 이런 요인들 때문에 그래프의 모양이 들쑥날쑥하게 되어버렸고 결과가 부정확하게 나와서 아쉬움이 남았다.
<실험 3-철띠의 용수철 상수 계산과 에너지 보존 실험>
이 실험은 이미 “1) 실험 결과에 대해서”란 난에 언급하였으므로 생략하겠다.
5. 결론
우리는 실험을 통해 충돌을 전후로 한 운동량 보존 여부와 에너지 보존 여부를 조사할 수 있었다. 이론상으로 내력만이 작용하는 닫힌 계에서 운동량은 보존된다는 것을 이론적으로 알고 있는 것도 의미가 있는 일이지만, 실험을 통해 이러한 사실을 확인한다는 것은 더욱 의미가 있는 일이며, 오차를 줄이는 과정에서 에너지 보존과 운동량 보존에 대해 더 알 수 있는 계기가 된다. 역학적 에너지의 보존 여부는 완전 탄성 충돌이 아닌 이유로 보존되지 않았음을 확인했고, 그 밖에 소리나 열등으로 변환되는 에너지로 이야기 할 수 있는 오차값 때문에도 보존된다고 할 수 없다는 것을 알았다. 물론 소리나 열등의 외부 에너지로 전환되는 역학적 에너지의 양을 오차로 간주 할 수 있을 것이다. 그러나 우리의 실험결과는 소리나 열등으로 전환되는 에너지 양의 오차 범위를 넘어서는 실험결과를 내었기 때문에, 역학전 에너지는 보존되지 않는다고 결론 내릴 수밖에 없다. 두 번째 쓸림 곁수 측정에서 알루미늄 추와 실험대와의 마찰이 존재한다는 것을 이론적으로 구해낼 수 있음을 알 수 있었다. 세 번째 실험의 운동에너지의 탄성 퍼텐셜 에너지로의 교환에 대한 실험은 과정과 결과 모두 대체적으로 만족할 만한 수준이었다. 약간의 오차는 철 띠에 부딪히면서 손실된 에너지라 할 수 있지만, 대체적으로 구해낸 k 값을 신뢰할 수 있을 것이다.
이 실험을 하면서 다시 한 번 느낀 것이지만, 우리가 배워왔던 것은 매우 이상적이고 한정적인 환경에서만 성립한다는 것이다. 실제로 어떠한 법칙을 살펴보기 위해 실험을 하는 경우에 원하는 결과를 얻는다는 것은 매우 힘든 일인 것을 알았다. 하지만 그렇다고 해서 우리가 알고 있는 기본 법칙들이 중요하지 않은 것은 아니다. 그러한 기본 법칙을 토대로 해야만 더욱 복잡하고 정밀한 실험을 할 수 있을 것이다. 다음 실험에서는 오차를 극소화시킬 수 있도록 노력해야 하겠다.

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