일반물리학실험 | 에어테이블을 이용한 2차원 충돌

 

 

 

TIP

 

 

마찰이 없는 판 위에서 두 입자의 충돌 과정은 두 입자에 가해지는 힘이 내력뿐이므로, 계의 운동량은 충돌 전후에 보존되어야 한다. 본 실험은 에어테이블에서의 2차원 충돌 실험을 통해 운동량 보존의 법칙을 확인하고, 에너지 변화를 살펴본다.

 

 

 

2차원 충돌을 하는 입자의 경우 충돌 과정에서 이 계에 작용하는 힘은 서로 밀치는 힘으로 두 입자에 같은 크기, 그러나 서로 반대 방향으로 작용하여 계 전체로는 상쇄된다. 이러한 힘을, 내력(internal force)이라고 부르며 이 특성은 물체에 가해지는 힘의 작용 반작용의 법칙(law of action and reaction)에서 기인한다. 내력만이 작용하는 계(즉, 고립된 계)의 선운동량은 보존되므로, 두 입자의 충돌 전후에 입자 계의 총 선운동량은 같다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 평평한 테이블 위에 에어테이블을 올려놓고 최대한 수평이 되도록 한다.

주의) 수평은 수평계 등으로 확인하거나 송풍기를 연결하여 공기를 공급한 상태에서 원형 Puck이 한쪽으로 치우치지 않는 상태로 수평을 조절할 수 있다. 실험에 주는 영향이 크므로 주의한다.

 

2) 카메라를 세팅한다.

 

3) 에어테이블에 기준자를 올려놓고 영상을 저장, 스케일 및 좌표계를 설정한다.(화면캡처 - 저장 - 좌표계 설정)

 

4) 에어를 주입하고 아래 그림과 같이 색상이 다른 두 원형 Puck이 카메라 중앙 근처에서 충돌하게 하고 그 움직임을 동영상으로 촬영한다.(화면캡처 - 파일명 - 캡처시작 - Puck 충돌 - 캡처 끝 - 저장)

참고) 충돌은 충돌 전후의 속도를 분석할 수 있는 포인트를 확보할 수 있는 정도이어야 한다. 에어의 양이 너무 적으면 테이블과의 마찰이 있을 수 있으므로 너무 크지 않는 범위에서 적당히 조절한다.

 

5) 분석메뉴를 실행하고, 그림과 같이 충돌 전후의 시점으로 나누어 피사체 1,2 T-X 1차함수 그래프 보기를 통해 충돌 전 그래프가 1차 함수로 주어지는지 확인하고 추세선을 이용하여 피사체 1,2,의 X 방향 속력을 구한다. 같은 방법으로 Y 방향의 성분을 구한다. 충돌 이후의 시점으로 이동하여 충돌 후 각 피사체의 성분별 속력을 구한다. (분석-분석지점 선정[다음 - 다음 - 피사체 1,2 선정 - 다음]- 충돌 전 시점 드래그 - 그래프 보기 - TX 그래프 피사체 1,2 1차함수 - 이후 충돌 후 시점 드래그 - 동일방법)

 

6) 동일한 실험을 2회 반복한다.

 

7) 실험체의 질량을 바꾸어 5)～6)번의 과정을 반복한다.

 

8) 각 성분별 운동량이 보존되는지 확인하고, 차이가 있다면 그 원인을 알아본다.

 

 

 

[일반물리학실험]에어테이블을 이용한 2차원 충돌 레포트