일반물리학실험 | 탄동진자를 이용한 운동량 보존 법칙

 

 

 

TIP

 

 

1. 실제로 탄환의 속력을 측정하는 방법을 알아본다.
2. 탄동진자와 충돌 전후의 운동량 보존을 알아본다.

 

 

 

운동량 보존법칙

운동량 보존법칙은 에너지 보존법칙과 함께 자연현상을 지배하는 기초법칙이다. 운동의 제2법칙에 따르면 힘은 질량과 가속도의 곱 또는 운동량의 시간변화율로 나타난다. 따라서 외부의 힘이 작용하지 않거나 합력이 0이면 물체의 운동 상태는 변하지 않고 관성을 유지한다. 이런 관성계에서 운동량의 총합은 항상 변하지 않고 보존된다.

 

여러 개의 물체로 이루어진 계의 경우, 물체끼리 충돌할 때 각각의 운동량은 바뀌지만 결국 전체의 총합은 변하지 않는다. 이것을 이용하여 충돌 후의 속력 변화를 계산할 수 있다. 완전탄성충돌 뿐 아니라 비탄성충돌이 일어나도 전체의 운동량은 보존된다. 반면 운동에너지는 완전탄성충돌의 경우만 보존되고, 비탄성충돌의 경우에는 열에너지, 소리에너지 등으로 전환되어 감소한다. 그러나 이때 열과 소리 등을 모두 더한 전체의 에너지는 보존된다. (에너지 보존법칙)

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 탄동진자를 테이블의 가장자리로 위치시키고 진자가 충분히 연직방향인가를 확인한다. 각도 지시침을 진자와 접촉시켰을 때 지시침이 0을 가리키도록 한다.

 

2) 발사체를 조절하여 진자의 끝과 발사체의 끝이 겨우 맞닫도록 조절한 후 조임나사를 조인다.

 

3) 장전손잡이를 이용하여 발사체의 세기를 1단으로 조정한 후 탄환을 조심스레 발사체 안으로 넣는다.

 

4) 진자와 발사체가 맞닫는가를 확인하고 각도 지시침을 0으로 조절한다.

 

5) 방아쇠를 살짝 들어 올려 탄환을 발사 시키고, 진자의 최고 높이 각도를 읽어 기록한다.

 

6) 이 과정을 5번 반복하여 기록하고, 발사체의 세기를 변화하면서 같은 방법으로 실험한다.

 

7) 저울을 사용하여 실험에 사용한 탄환의 질량과 진자의 질량을 구한다.

 

8) 탄환이 박힌 상태에서 진자의 끝에서 질량중심까지의 거리R을 구한다.(질량중심까지의 거리는 진자 추가질량을 변화시킬 때 마다 변한다. 진자 고정나사를 풀어 진자를 수평으로 놓은 다음 적당한 받침대를 사용하여 질량중심의 위치를 결정한다.)

 

 

10) 이상의 실험 데이터로부터 식 6)을 이용하여 탄환의 초기속도 v_b진자를 계산한다.

 

11) 진자 고정 나사를 풀어 진자를 제거하고 발사체를 1단으로 조절한다. 탄환을 장전하고 발사하여 탄환이 떨어지는 지점을 확인한다.

 

12) 탄환이 떨어진 지점을 중심으로 바닥에 종이를 깔고 테이프로 고정한 다음 그 위에 먹지를 놓는다.(먹지는 고정할 필요가 없다)

 

13) 다시 발사체의 세기를 2단과 3단으로 각각 조절하여 이 실험을 5번씩 반복한다.

 

14) 연직추를 이용하여 발사체의 끝에서부터 바닥까지의 위치를 결정하고, 발사체의 끝에서부터 바닥까지의 높이 H와, 바닥에서부터 탄환이 떨어진 위치까지의 거리 D를 측정한다.

 

15) 이상의 값들을 식(9)에 대입하여 발사체에서 구한 초기속도(v_b발사체))와 진자에서 구한 초기속도(v_b진자))의 값을 비교하여 운동량 보존 법칙이 성립하는가 확인한다.

 

16) 진자의 추가질량을 변화시키면서 이상의 실험을 반복한다.(진자의 추가질량을 변화시키면 질량중심의 위치가 변함에 유의하라)

 

 

 

 

[일반물리학실험]탄동진자를 이용한 운동량 보존 법칙 레포트