컴퓨터로 하는 물리학실험 | 뉴턴의 제2법칙

 

 

 

TIP

 

 

힘과 가속도의 관계에 대해서 알아보고 힘과 질량의 관계에 대해 알아본다.

 

 

 

물체의 가속도는 알짜 힘과 같은 방향이며 비례하고 질량에 반비례한다. 식에서 a는 가속도이고, Fnet은 계의 알짜 힘이고, m은 운동하는 물체의 질량이다.

 

 

질량 m을 가진 물체와 실로 연결 된 카트에 적용 되는 힘과 질량 그리 고 가속도의 관계는 식으로 주어진다. 여기서 T는 카트와 물체 사이에 연결 된 실의 장력이며 M은 카트의 질량이고 m은 물체의 질량이며 g는 중력 가속도이고 a는 계의 가속도 이다. 단 마찰력은 무시한다.

 

 

 

실험 방법

1. 실험 준비

① Pasco 550 Universal Interface를 실행하고 컴퓨터에 연결하고 운동센서를 Pasco550 Universal Interface와 연결한다, 그리고 이번 실험은 아날로그 채널 1에 힘 센서를 연결한다.(운동센서의 노란플러그는 1단자에, 검은색플러그는 2 단자에 연결)

 

② 바탕화면의 Pasco Capstone을 실행하고 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup Icon을 클릭하여 하드웨어 설정 창을 디지털 채널에 센서 설정 창에서 운동센서를 클릭, 아날로그 센서 설정 창에서 힘 센서를 클릭!

 

③ 다음 그림과 같이 디스플레이 팔레트의 그래프 아이콘을 클릭하여 그래프 를 실행한 다음 Graph x, y 축의 Select Measurement를 각각 클릭하여 가 속도와 힘을 선택한다.

 

PART 1. push and pull cart 실험

① 동역학 트랙의 왼쪽 에는 운동센서를 장착하고, 트랙 위에 힘 센서와 합 체한 카트를 올려놓는다.

 

② 힘 센서에 있는 테어(tare)버튼을 눌러 준 후, 기록버튼(Record)을 누른 후 힘 센서가 있는 카트를 손으로 잡고 밀기를 반복하면서 힘과 가속도를 측 정한다.

 

③ 측정한 결과로 얻어진 힘-가속도 그래프에서 Linear fit를 통해서 실험적으 로 질량을 측정한다.그래프 상단의 디스플레이 도구막대의 Curve fit 아이 콘을 클릭하여 Linear Fit: ma+b를 선택하여 기울기를 구한다.

 

④ 힘 센서 위에 질량자(500g의 금속막대)를 추가하여 2.과 3.의 과정과 같이 실험을 하고, 기울기를 구한다.

 

PART 2. Constant Force 실험

① Pasco Capstone의 설정은 PART.1과 같으므로 그래도 두고 이전 데이터는 저장을 한 다음 열린 모든 그래프를 닫는다.

 

② 디스플레이 영역에서 Table & Graph를 선택하여 표와 그래프를 동시에 연다.

 

③ 표와 그래프가 동시에 열렸으면, 왼쪽 표 위의 Select Measurement를 클릭 하여 각각 시간(Time)과 힘(Force)을 선택하고 오른쪽 표에서 Select Measurement를 클릭하여 x축을 시간(Time), y축을 (Velocity)로 선택한다.

 

④ 센서 연결은 PART.1과 동일하므로 재설정을 할 필요는 없다.

 

⑤ 동역학 트랙에 카트를 놓고 움직이지 않게 한다, 트랙 오른쪽 끝에 도르래를 장착하고 트랙의 왼쪽 끝에 운동센서를 장착한다.

 

⑥ 힘 센서와 추 걸이를 줄로 연결하고 도르래 위에 올린다. 추 걸이에 질량을 추가해가면서 실험한다.(질량추가는 추를 사용한다. ※추 걸이의 질량은 5g 이다.)

 

⑦ 실험 전 줄이 힘 센서를 잡아당기지 않게, 매달린 질량을 잡고 줄이 느슨한 상태에서 힘 센서의 tare 버튼을 눌러 힘 센서가 0이 되게 한다.

 

⑧ 기록 버튼(Record)을 눌러 측정을 시작한다.

 

⑨ 카트가 도르래 근처에 오면 기록을 멈춘다.

 

⑩ 측정이 성공적이면 시간에 따른 힘의 변화에 대한 표와 속도-시간 그래프가 얻어진다.

 

⑪. 속도-시간 그래프에서 Linear Fit 기능을 사용하여 기울기를 구한다, 이때 기 울기가 가속도(a_exp)이다. 표에서 힘의 평균(Mean)을 구한다.

 

 

 

 

[컴퓨터로 하는 물리학실험]뉴턴의 제2법칙 레포트