대학물리실험 - 뉴턴의 제2법칙

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4. 주의 사항

 

(1) 낙차 거리를 고려하여 줄 길이는 수레의 초기 위치로부터 도르래까지의 거리보다 조금 더 길게 한다.

(2) 수레의 최초 운동 위치를 운동 센서에서 20cm 정도에 놓는다.

(3) 운동 센서 앞을 가리지 않는다.

 

7. 결과 및 토의

 

1) 이번 실험에서 측정한 질량과 기울기로 얻은 질량을 비교하면 상대오차가 발생한다. 이러한 오차를 발생시키는 요인으로는

     (1) 실의 질량이다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는 낙하를 하면 할 수록 실의 질량이 카트에 주는 힘이 미세하게 추가되기 때문이다. [2]

         이러한 요인을 개선 시킬 수 있는 방안은 아주 가벼운 실을 쓰는 것이다.

     (2) 도르래에 추가로 주어야 하는 힘이다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는 처음에 도르래가 움직이지 않다가 나중에 움직이기 시작하면서 도르래에게 주어야 하는 일종의 토크가 있는데, 도르래가 관성 모멘트를 가지고 있다고 생각했을 때 이것이 실의 움직임을 방해함으로써 결과적으로 카트의 움직임을 방해했기 때문이다. [3]

         이러한 요인을 개선 시킬 수 있는 방안은 도르래의 질량과 지름을 최대한 작게 하는 것이다. 관성 모멘트를 줄이면 더 이상적인 값을 낼 수 있다.

     (3) 카트가 트랙에 대해서 평행하게 움직이지 않는 것이다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는 트랙의 수평면에 대해서 평행하게 만들었고, 도르래의 위치를 조작해서 줄이 트랙에 평행하도록 만들었지만, 카트 자체가 트랙에 대해서 좌우로 움직일 수 있기 때문이다. [4]

         이러한 요인을 개선 시킬 수 있는 방안은 측정을 시작하기 전에 한번, 카트가 정중앙에 있는지 확인하는 절차를 추가하는 것이다.

     (4) 운동 센서가 완벽히 카트의 이동경로를 보고 있지 않는 것이다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는 가속도를 완벽히 측정하기 위해서는 위의 조건이 필수이지만, 눈대중으로 그 작업을 하기 때문에 오차가 생길 수 있기 때문이다. [4]

         이러한 요인을 개선 시킬 수 있는 방안은 측정을 시작하기 전에 한번, 각도기를 이용해서 트랙에 대해 완벽히 90도인 상태를 만드는 것이다.

     (5) 힘 센서의 줄에서 작용하는 힘이다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는 힘 센서가 운동을 방해하지 않기 위해서 줄을 들고 있어도 줄에서 꽤 큰 힘이 작용하기 때문이다.

         이러한 요인을 개선 시킬 수 있는 방안은 힘 센서를 무선으로 연결하거나, 그렇게 하기 어려운 경우 같은 실험 장치를 1개 더 옆에 설치해 거기에 전선을 올려놓아서 힘을 조금이라도 덜 받게 할 수도 있다.

 

2) 이번 뉴턴의 제2법칙 실험에서의 중요한 핵심은

     (1) (주관적으로 봤을 때 중요하게 초점을 두어 진행해야 하는 부분은) 저울로 카트의 질량을 재는 부분이다. 그렇게 생각한 이유는 단 한번만 측정하는 것에 비해서 힘 센서의 줄 때문에 오차도 생기고 측정하는 것도 어렵기 때문이다.

     (2) (이번 실험에서의 중요한 핵심이나 key point는) 질량이 "힘이 가속도를 변화시키는 것을 방해하는 정도"라는 정의를 갖고 있는 것을 확인하는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 이 실험을 통해 무게나 중력 등은 질량과 다른 물리량임을 알 수 있기 때문이다. F=ma라는 공식을 통해서 m을 확인하기보다는 m이 무엇인지 느껴볼 수 있다.

     (3) (이번 실험 주제를 실생활이나 산업 현장에서 활용할 수 있는 방안은) 운반 수단을 만들 때 목표하는 엔진의 최대 출력을 계산하는 방법을 배우는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 F=ma라는 공식에 의해서 m만큼의 질량에 a라는 가속도를 부여하기 위해 만들어야 하는 힘 F를 계산할 수 있기 때문이다. 여기에 지난 실험에서 얻은 마찰력에 대한 이해를 더하면 실용적으로 단위 시간당 얼마나 많은 힘을 내는지 확인할 수 있다. (다만 엔진 자체는 "일 = Fscos()"을 많이 하는 것이 중요하므로, 계산해낼 때 얼마나 움직이는 지도 같이 측정할 필요는 있다.) [5]

 

8. 참고문헌

 

1) 김병배 외 5명, 대학 물리실험(북스힐, 2020) P.143~148

-> 실험 목적, 방법, 원리, 실험값 계산의 과정 등을 참조하였음.

 

2)

ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9E%A5%EB%A0%A5#%ED%98%84%EB%8C%80_%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%95%99%EC%97%90%EC%84%9C_%EC%8B%A4

장력 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

-> 오차의 원인에 대한 아이디어를 장력의 소개 부분에서 얻었음. (1번째 오차 원인의 기술에 참조함.)

 

3)

ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B4%80%EC%84%B1_%EB%AA%A8%EB%A9%98%ED%8A%B8

관성 모멘트 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

-> 회전 운동의 성질과 관성 모멘트가 무엇인지에 대해서 간략한 설명을 참조했음. (2번째 오차 원인의 기술에 참조함.)

 

4) Raymond A. Serway, John W. Jewett / 대학 물리학교재편찬위원회(역), 대학물리학 I(북스힐 / CENGAGE, 2019) P.112

-> 29번 문제를 문제점으로써 참고함. (3번째 및 4번째 오차 원인의 기술에 활용함.)

 

5)

ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A7%88%EB%A0%A5

마력 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

-> 이번 실험 주제를 실생활이나 산업 현장에서 활용할 수 있는 방안의 기술에 참고함.