[공학]가속도와 뉴턴의 운동법칙 물리학 실험 6[결과]
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분야
doc[2]계산 및 결과.
[토의]
[종합 토의]
참고 문헌
질문1 실험1에서 글라이더는 등속도 운동을 한다고 볼 수 있는가? 아니라면 그 이유를 설명하여라.
글라이더가 등속도 운동을 하고 있었다면 마찰력이 없다고 생각했을 것이다. 마찰력이 없으면 글라이더는 멈추지 않고 외부에 의한 또 다른 힘이 작용하지 않는 한 계속해서 등속도 운동할 것이다. 하지만 글라이더는 시간이 지남에 따라 속력이 줄어들었다.
계속 그 상태를 유지 시켜서 실험 했다면 글라이더는 어느 시점이 되면 정지했을 것이다. 또한 마찰이 만약 운동마찰력만 존재하고 글라이더 자체가 추진력이 있다고 가정하면 마찰이 있다고 하더라도 등속도 운동을 할 수 가 있다. 그러나 s-t graph 나, v-t graph 를 보면 이 운동이 등속도 운동이 아님을 알 수가 있다. 만약 등속이라면 s-t 그래프는 일차직선으로 모든 위치가 연속적으로 나타나야하고 v-t그래프는 시간에 상관없이 y축에 수직이어야 한다. 그러나 실험 측정 그래프를 보면 이차 함수 곡선이 나타나는 등 등속도 운동과는 거리가 먼 결과를 보여주고 있다.
질문2 이론 값과 실험 값의 비교에서 어떤 해석이 가능한가? 마찰력의 존재는 a를 a’보다 크게 하는가? 작게 하는가?
이론 값과 측정값을 비교해 볼 때 두번의 실험 모두 이론 값이 크게 나왔다. 이는 마찰력 때문에 생긴 차이라고 볼 수 있다 여기서 이론 값을 구할 때는 마찰력을 고려하지 않은 식을 사용했기 때문이다.
예비보고서에 있는 것처럼
마찰력을 고려하지 않고 가속도 a를 구할 때
마찰력을 고려한 상태로 가속도 a를 구할 때
로 구할 수 있다. 그러므로 마찰력의 존재는 측정값(a)의 값이 이론값(a’)보다 작게 만든다. 측정값은 마찰력의 영향을 받는 상태에서 나온 값이다. 따라서 위 식에서처럼 마찰력이 고려된 상황에서는 f만큼의 마찰력이 생겨 그만큼 전체 추진 힘의 감소를 가져왔기 때문에 이론 값 a’보다 작아진다.
[종합 토의]
이번 실험은 운동방정식 중에서 가장 기본적인 식과 마찰력에 관한 약간의 개념에 관한 실험 이었다. 즉 마찰이 거의 제거된 상태에서 그 운동을 보기 위해 에어 트랙을 사용하였다. 이 에어트랙에서 글라이더의 거리 속도 가속도를 측정하였는데, 처음에 센서와 글라이더를 일직선으로 제대로 맞추지 못해서 그래프 모양이 제대로 나오지 않았다.
일단 모든 것이 제대로 작동된다 하더라도 이번 실험은 그 실험을 일상 자연계에서 하는 한 그 자체가 오류를 내포하고 있는 것이다. 실제 등속운동을 하려면 살짝 밀면 그 힘이 언제고 같은 속도로 움직여야 하는데 그러려면 마찰로 인한 힘의 loss가 없어야 한다. 따라서 에어트랙만 가지고는 마찰을 제거하기가 불가능하다.
실험 측정값에서 볼 수 있듯이 금새 멈추어 버리는 글라이더를 보면 에어트랙의 마찰이 크다는 것을 알 수가 있다. 초 전도 현상이 일어나는 곳에서나 등속도 운동을 하게 될 것이다. 게다가 마찰만 있는 것이 아니라 실험실이 진공 상태가 아니기 때문에 초음파의 반사를 위해 달아 논 막대가 공기의 저항을 불러 일으켜 공기의 저항 까지 고려해야 하는 실험 이었다. 따라서 이번 실험에서는 아예 마찰력의 존재를 이미 예상하고 했던 실험이었다.
또한 컴퓨터의 이상인지 측정 장치의 이상인지 거리-시간과 속도-시간의 그래프는 잘 나오나 가속도-시간의 그래프엔 noise가 많이 발생 하였다. 아무래도 다른 그래프는 잘 나오는 것으로 봐서 측정 장치의 이상인 듯했다. 또한 글라이더의 거리 속도 가속도를 측정하는 센서가 초음파로 음파를 발생시켜 그 반사파를 이용하는 것이라서 글라이더와 센서와의 사이 각, 주변의 사소한 바람에 따라서 noise가 나타나는 것을 볼 수 있었다.
실험 2값 분석에서 비록 %오차는 (30.08%, 30.07%) 크게 나왔지만 원래 이번 실험이 마찰과 공기 저항 등 이상적이지 못한 상황에서 하는 실험이라 별 문제가 없다. 오히려 실험 측정값이 첫번째 했을 때와 두번째 했을 때 두 번의 실험의 오차가 완전히 같다고 봐도 될 정도로 비슷하게 나와서 오히려 더 잘된 실험이었다. 만약 마찰력을 측정 할 수만 있다면 위의 %오차가 거의 0에 가깝게 나올 정도로 정밀한 실험 이었다.
흔히 F=ma라 하지만 이 관계를 실험을 통해서 보니 우리 자연계에 질량을 가진 모든 물체에 적용되는 일반적인 식이라는 것을 새삼 알 수가 있었다. 실험시 수평맞추기가 어려웠고, 에어트랙이 구멍이 뚤린 곳에서만 공기가 나오기 때문에 글라이더의 보정이 무척 힘들었다.
2. 두산 대 백과 사전 _ 기본적 용어의 정의.
3. 물리학 실험 교재.
4. E=mc 데이비드 보더니스 …. 자연계에서의 가속도와 운동법칙에 관한 통찰.
