일반물리학실험 | 철사의 강성률 측정

 

 

 

TIP

 

 

비틀림 진자를 사용하여 그 주기를 측정함으로써 철사의 강성률을 구한다.

 

 

 

강성률

외부에서 가한 힘에 대해 물체의 모양이 얼마나 변하는지를 나타내는 척도로, 외부의 힘에 의해서 모양은 변하지만 부피는 변하지 않는 경우에 모양이 변하는 비율을 나타낸다. 따라서 외부의 힘에 의해서 물체의 모양이 변하기 어려운 정도를 나타내는 것으로, 물질에 따라 고유한 값을 가지며, 이 값이 작은 것일수록 같은 힘에 대해 큰 변형이 나타난다.

 

탄성계수(彈性係數)의 하나. 층밀리기탄성률․전단탄성계수(剪斷彈性係數)라고도 한다. 비례한도(比例限度) 내에서 층밀리기변형(모양의 변화)을 일으키게 하는 전단응력(剪斷應力)과 그 때에 생기는 변형의 크기(각도로 표시되며 단위는 라디안을 사용한다)와의 비(比)를 말한다.

 

큰 강성률을 가진 것이 고체의 특징인데, 이 값이 큰 물질일수록 잘 변형되지 않는다. 액체는 체적을 바꾸는 데도 고체와 똑같은 정도의 힘을 필요로 하지만, 전단응력에 대해서는 자유로이 모양을 바꾼다. 고체가 <단단하다>고 할 때에는, 보통은 큰 강성률을 가진 것과 직결된다고 할 수 있다. 강성률은 물질의 특유한 상수(常數)이다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 길이 1.5m 정도의 철사를 상단 고정대에 스패너를 사용하여 단단히 고정시키고, 위의 그림과 같이 원환을 달아서 비틀림 진자를 구성하고 진자가 흔들리지 않도록 한다.

 

2) 철사가 팽팽한 상태로 유지되게 하며, 또 시료 받침대 정면의 거울에 레이저가 반사된 부분을 기준점으로 택하여 원환을 약간 비틀어 회전진동 시킨다.

 

3) 초시계 혹은 스마트폰을 사용하여 레이저가 거울에 기준점으로 반사가 될 때마다 진동 주기를 측정한다. 매 1회마다 시각을 측정하여 총 5회까지 측정한다.

 

4) 원환 지지대의 나사를 풀어 그림 (a)과 같이 원환을 수직으로 장치한다.

 

5) 위의 실험과정 2)와 3)의 과정을 되풀이한다.

 

6) 철사의 길이 l을 5회 측정하여 평균을 구한다.

 

7) 철사의 직경을 마이크로미터로 5회 측정하여 평균을 구해 철사의 반경 r을 구한다.

 

8) 위의 과정을 철사의 종류를 바꾸어 진행한다.

 

9) 버니어 캘리퍼를 이용하여 원환의 내경 2b, 외경 2c, 두께 d를 5회 측정하여 평균을 구해 내반경 b, 외반경 c, 두께 d를 구한다.

 

10) 8)와 9)의 측정값을 이용하여 관성 모우멘트 I₁과 I₂를 구한다 (I₀는 고리 지지대의 관성 모멘트로서 일정하지만 강성률을 구할 때는 I₁-I₂에서 상쇄되므로 I₀의 값을 영으로 놓아도 무방하다.

 

11) 위의 측정값에서 강성률 η를 구한다.

 

 

 

[일반물리학실험]철사의 강성률 측정 레포트