일반물리학실험 | 회전운동에 의한 구심력의 측정

 

 

 

TIP

 

 

일정한 각속력으로 원 운동하는 물체에 작용하는 구심력을 측정하여, 이 힘의 크기가 회전반경과 회전속도와 어떤 관계인지 알아본다.

 

 

 

구심력

원운동하는 물체의 가속도가 원의 중심을 향하는데, 가속도의 방향과 힘의 방향이 같으므로 원운동하는 물체에 작용하는 힘도 원의 중심을 향한다. 이처럼 물체를 원운동 하게 만드는 힘을 구심력이라고 한다. 원운동에서 가속도의 크기는 이므로 구심력의 크기는 이 된다. 원운동을 하는 모든 물체에는 구심력이 작용한다.

 

구심력이 작용하지 않는 원운동은 없다. 이러한 구심력의 역할 을 하는 힘에는 실의 장력, 마찰력, 만유인력, 전기력이 있다. 먼저, 물체를 실에 매달아 원 운동시킬 때 구심력이 실의 장력이다. 만약 실을 끊으면 구심력인 실의 장력이 사라지므로 원운동을 할 수 없다. 둘째, 자동차가 커브 길을 돌아갈 때의 구심력은 마찰력이다. 마찰력 이 전혀 없는 얼음판에서 자동차는 원운동을 할 수 없다. 지구 주위를 원 운동하는 달이나 인공위성에 작용하는 구심력은 만유인력이다.

 

마지막으로, 원자핵 주위를 도는 전자의 운동 은 전기력이 구심력 역할을 한다. 이러한 구심력을 응용한 것으로, 고속도로나 기차 철로에서 커브를 이루는 지점은 바깥쪽이 약간 위로 경사져 있음을 알 수 있다. 이는 경사가 지지 않은 커브 길을 빠른 속도로 돌면 자동차는 원운동을 하지 못하고 커브의 접선 방향으로 미끄러지거나 굴러 버릴 수 있기 때문이다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 평평한 바닥에 구심력 실험장치와 카메라를 고정한다.

 

2) 카메라가 회전축 중앙에, 구심력 측정 장치가 화면에 최대로 들어오게 한 상태로 세팅한 다.

 

3) 기준자를 이용하여 스케일 및 좌표계를 선정한다.

 

 

4) 구심력 측정장치의 회전봉에 그림 2와 같이 용수철과 회전추를 장착한다.

 

5) 전원을 넣고, 회전추가 등속 원운동을 하기 시작하면 화면을 캡쳐한다. 캡쳐시간은 4～5 초면 충분하다.

 

6) 분석메뉴를 실행하고 위의 캡쳐한 파일을 불러와 분석을 시작한다. 분석은 피사체의 수 를 2로 하고 회전축의 중심을 피사체1, 회전체의 중심을 피사체2로 한다. 분석구간은 회 전체가 잘 보이는 구간으로 설정하여 2～3초 정도를 분석한다. 분석을 통하여 회전 반경 과 회전 각속력을 구한다.

 

7) 전류를 조정, 회전 속도를 달리하여 위의 5)～6)번의 과정을 반복 측정한다.

 

8) 회전추의 질량과 용수철을 바꾸어가면서 위의 5)～7)번의 과정을 반복 측정한다.

 

9) 실험이 끝나면 회전봉을 분리하여, 용수철 상수 측정용 추와 장치를 이용하여 용수철 상 수를 결정한다.

 

10) 용수철의 복원력을 이용하여 구심력의 힘을 확인하고, 이론식과의 차이를 살펴본다.

 

 

 

[일반물리학실험] 회전운동에 의한 구심력의 측정 레포트