대학물리실험 - 구심력

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보고서는... 이쁘게 내자... 최대한...

오늘은 아직 결과 및 토의 형식이 안 올라오기는 했는데, 뭐 어차피 비슷할 테니까.

 

4. 주의 사항

(1) 실험 진행 중에 전원 공급 장치를 다루는 법을 잘 숙지할 것.

-> FINE이라 적혀있는 다이얼이 미세 조정 다이얼이다. 별도로 실험 책이나 과정에 적혀있지 않기 때문에, 구심력 실험을 진행할 때 어려움을 겪을 수 있다.

(2) 실험 1 진행 이후 실험 2와 실험 3을 다시 보조대를 17cm의 위치로 돌려놓고 실험하는 것을 잊지 말 것.

-> 만약 잊어버리고 눈치채지 못할 시 중대한 오차 요인이 된다.

(3) 회전하고 있는 기구에 머리를 다치지 않도록 유의할 것.

 

7. 결과 및 토의

 

1. 이번 실험의 오차 요인?

 

     이번 실험 1에서는 상대오차가 발생한다. 이러한 오차를 발생시키는 요인으로는

     (1) 보조대의 움직임 그 자체가 있다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는 보조대의 질량 또한 원운동에 영향을 주어 원운동의 중심을 변동시키는 진동을 만들었을 것이기 때문이다. 이는 보조대가 멀리 있을 수록 더 심해졌을 것으로 추측 된다.

         이러한 요인을 개선 시킬 수 있는 방안은 반대편의 회전판의 같은 위치에 보조대를 한 개 더 설치하거나 질량추를 더하는 것이다.[2]

 

     이번 실험 2에서는 상대오차가 발생한다. 이러한 오차를 발생시키는 요인으로는

     (1) 전압장치의 미세조정이 어렵게 되어있는 것이 있다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는, 이번 실험에서는 다른 2개의 실험보다 상대적으로 큰 주기를 측정해야하기 때문이다. 그래서 느린 회전이 필요한데 전압장치가 상대적으로 낮은 전류/전압값에서 조절하기 상당히 어렵기 때문에 어쩔 수 없이 좀 더 부정확한 주기를 측정할 수 밖에 없다.[3]

        이러한 요인을 개선 시킬 수 있는 방안은 좀 더 미세하게 전압 / 전류를 조절하는 장치를 추가하거나(가변 저항 등) 더 좋은 전압장치를 쓰는 것이 있다.

 

     이번 실험 3에서는 상대오차가 발생한다. 이러한 오차를 발생시키는 요인으로는

     (1) 도르래를 제거하는 것을 잊은 것이 있다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는, 도르래의 질량도 회전판의 끝에 더해서 추가적인 병진 운동을 만들어 냈을 것이기 때문이다.

         이러한 요인을 개선시킬 수 있는 방안은 잊지 말고 도르래를 제거하는 것이다.

 

 

     이번 실험이 전반적으로 상대오차가 너무 크다. 이러한 오차를 발생시키는 요인으로는

     (1) r = 0.17, 0.19, 0.21등으로 결정지었는데, 이는 보조대의 위치이지 삼중 고리추의 위치가 아니라는 것을 잊은 것이 있다. 이것을 오차 발생 요인으로 생각한 이유는 다음과 같다. 오차가 제일 심한 것이 실험 2인데, 용수철의 위치를 조정하지 않았기 때문에 추걸이의 질량이 늘어남에 따라 r값도 같이 늘어났을 것이다. 변수 2개를 변동했으므로 오차가 심하게 난다. 오차가 제일 적은 것이 실험 3인데, 이는 M값을 변동한다고 해서 삼중 고리추의 위치가 이론적으로 변할 일은 없기 때문이다. 그래서 삼중 고리추의 오차 r값만큼만 오차가 나기 때문에 다른 실험들에 비해 상대적인 오차가 적다.

다.[4]

         이러한 요인을 개선시킬 수 있는 방안은 중심대의 위 나사를 이용해서 용수철의 위치를 조정해 가면서 실험하는 것이다. 실험 과정 중에 삼중 고리추를 보조대의 위치에 평형을 맞추라는 이야기가 있었는데, 이를 이해하지 못한 채로 과정을 생략한 것이 결정적인 실수가 되었다. 삼중 고리추를 용수철, 추걸이에 전부 제대로 연결했을 때, 보조대의 위치에 정확히 삼중 고리추가 위치하도록 하지 않았기 때문에 오차가 심하게 난 것이다.

 

2. 이번 실험의 핵심은

     (1) (주관적으로 봤을 때 중요하게 초점을 두어 진행해야 하는 부분은) 실험기구의 의미를 파악해보는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 실험 과정에 대한 이해를 얻고 그 이유를 알 수 있기 때문이다. 이번 실험의 구심계의 중심대에는 2개의 나사가 있다. 한 개는 용수철 조임 나사이고, 다른 하나는 표시계 조임 나사이다. 위의 용수철 조임 나사가 어째서 존재하는 것인지 고민한다면, 좀 더 나은 실험 결과를 얻을 수 있다.

     (2) (실험 전체 과정에서 중요하다고 판단되는 부분은) 구심력의 크기를 도르래와 추를 이용해서 간접적으로 측정하는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 원심력은 직관적으로 이해하기 쉽지만, 무슨 구심력이 어떻게 원운동을 유지하는지는 알기 어렵기 때문이다. 원운동 중이 아니라 가만히 멈춰 있을 때, 이 실험과정이 어째서 존재하는지, 왜 구심력의 크기 일지 생각해보는 것이 이런 이해에 큰 도움이 된다.

     (3) (이번 실험 주제를 실생활이나 산업 현장에서 활용할 수 있는 방안은) 반지름을 늘리기보다는 주기를 줄이는 것(혹은 각 속력을 늘리는 것)이 더 구심력을 늘리기 좋다는 점을 이용해서, 인공지능의 궤도 계산에 이용하는 것이다. 그렇게 생각한 이유는 이 공식을 적용해서 최소한의 궤도 유지 속도를 알 수 있기 때문이다. 인공위성도 종류에 따라서 지구 중심으로부터의 거리와 중력의 작용 정도가 다르고, 따라서 필요한 각속도는 크게 달라지기 때문에, 근사적으로 이러한 식이 이용될 것이다. [5]

 

8. 질문

 구심력과 원심력의 차이는 무엇인가?

-> 구심력은 실제로 존재하는 힘이고, 원심력은 실제로 존재하지 않는 힘이라는게 제일 큰 차이이다. 우선, 구심력은 물체를 원운동하게 만드는 힘이다. 원운동의 중심에 대한 관성 기준틀에서 보았을 때, 언제나 원의 중심방향을 향해서 물체를 잡아당긴다. 이는 물체의 운동방향과 언제나 수직이고, 그 결과 나타나는 것이 원운동이다. 원심력은 그 운동하는 물체의 기준틀에서 보았을 때, 느껴지는 가상의 힘이다. 구심력이 존재한다는 사실을 확인하지 못하기 때문에, 기존의 운동 방향에 대해서 원운동의 중심 방향으로 끌어당겨지는 것 또한 알지 못한다. 이 상태에서 물체은 기존의 운동 방향에 대해서 구심력의 반대 방향으로 힘이 작용하고 있다고 느낀다. 사실은 자신이 움직이는 것이지만, 자신을 기준으로 해석했기 때문에 원심력의 도입으로 자신의 움직임을 설명하는 것이다.

 

9. 참고 문헌(동영상)

 

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

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

 

2) (국민대학교 구심력 실험 영상)

www.youtube.com/watch?v=cUxK9MAZx9A

-> 1번째 오차 요인의 기술에 참고함.

 

3)www.happycampus.com/report-doc/4604389/

구심력측정 결과 보고서 레포트

-> 3번째 오차 요인의 기술에 참고함.

 

4)

ph.postech.ac.kr/data/file/edulab/1_04.pdf

-> 4번째 오차 요인의 기술에 참고함.

 

5) Raymond A. Serway, John W. Jewett, 대학 물리학 I(북스힐 / CENGAGE, 2019) P.85

-> 18번 문제를 실생활에서 실험 결과를 이용할 수 있는 것의 사례로써 이용함.