일반물리학실험 | 동영상 장비를 이용한 물리진자

 

 

 

TIP

 

 

진동하는 물리진자의 운동을 관찰하여 선형의 단순조화운동으로 근사할 수 있는 조건과 비선형 효과를 고려해야할 경우를 알아보고 그 주기를 측정하여 이론식과 비교하여 본다.

 

 

 

진동하는 물리진자의 운동을 관찰하여 선형의 단순조화운동으로 근사할 수 있는 조건과 비선형 효과를 고려해야 할 경우를 알아보고 그 주기를 측정하는 실험이다. 가볍고 늘어나지 않는 줄에 매달려 있는 물체를 점 입자라고 하고 매달아 놓은 입자가 가지는 질량과는 무관하다고 할 때의 단진자 운동을 하는 물체의 진동주기를 측정한다.

 

또한 물체가 질량을 가질 경우 물리진자라고 하여 관성모멘트를 고려하며 주기를 측정해본다. 실험에 필요한 장치를 설치한 후 진자를 운동시키고 화면을 캡처한다. 저장된 파일을 분석하여 T-X에 관한 그래프를 그리고 분석결과의 X좌표를 이용하여 주기를 구한다. 진자의 길이는 거리 구하기 기능을 이용하여 값을 얻고 진자가 Y축과 이루는 각도를 구한 후 실험을 마친다. 실험에서 얻은 주기를 이론식과 비교해본다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 스크린을 설치한 다음 그 앞에 스텐드를 세우고 I-CA시스템을 설치한다. 카메라는 구면수차를 감안하여 2～3m뒤에 설치하고 줌을 조절하여 실험하기 좋은 화면을 맞춘다. 스텐드는 수직이 되도록 조정하고 그 면에 카메라를 수직이 되도록 맞춘다. 색상인식 형광구를 스텐드에 걸고 그 선에 맞추어 카메라를 정렬하면 편리하다.

 

2) 카메라 세팅이 끝나면, 기준자를 운동면에 놓고 화면을 캡쳐 스케일 및 좌표계를 설정한다.

 

3) 진자의 길이를 80㎝ 정도로 고정하여 운동시키고 화면을 캡처한다. 진폭은 작게 하고 촬영시간은 진자가 4～5회 정도 왕복하면 충분하다.

 

4) 저장된 파일을 분석하여 주기를 구한다. 분석은 그래프 그리기를 이용하여 T-X에 관한그래프를 그리고, 이때 그래프 형식은 피사체1, 회귀형식은 없음으로 한다. 분석결과의 X 좌표값을 이용하여 주기를 계산한다. 주기는 최대값에서 다음 최대값까지의 시간으로 계산함ㄴ 되지만, 여러 주기가 반복되는 시간을 주기 수로 나누어 계산해주는 것이 보다 엄밀한 방법이다.

 

5) 거리 구하기 기능을 이용하여 진자의 길이를 구한다. 길이는 촬영된 동영상의 각각 다른 시점을 선정하여 구해 평균한다. 진자의 높이가 최대가 되는 지점으로 이동 각도 구하기를 이용하여 진자가 Y축을 이루는 각도를 구한다.

 

6) 진폭의 각도를 4～30℃사이에서 대략적으로 늘려가면서 동일한 실험을 5회 반복한다.

 

7) 선택실험 : 진자의 길이를 바꾸어 반복 측정한다.

 

8) 실험 데이터로부터 단진자 운동을 단순 조화운동으로 근사할 수 있는 영역과 식 12의 보정식을 쓸 수 있는 용욕, 비선형효과를 고려하지 않을 수 없는 영역 등으로 구분하여 본다.

 

 

 

[일반물리학실험]동영상 장비를 이용한 물리진자 레포트