일반물리학실험 | 단진자에 의한 중력가속도 측정

 

 

 

TIP

 

 

본 실험은 회전센서에 연결된 단진자의 주기적 운동을 통해 중력가속도를 측정하는 것이다. 단진자는 중력에 의한 복원력 때문에 주기적 운동을 하게 되며, 이 경우 단진자의 주기 및 진동수는 중력가속도와 줄의 길에의 의해 결정된다. 단진자는 단단한 줄에 추를 메달아 중력가속도, g를 결정한다.

 

 

 

위쪽이 고정되어있고, 질량이 무시될 수 있는 끈의 아래쪽에 크기를 무시할수 있는 질량 m 인 추가 매달려 주시운동을 하는 역학계를 단진자라고 한다. 단진자를 통해 역학적 에너지 보존 법칙을 설명할 수 있다. 역학적 에너는 물체의 속력에 따라 결정되는 운동에너지 E_k와 물체의 위치에 따라 결정되는 위치에너지 E_p의 합으로 정의된다. 그리고 위치에너지가 운동에너지로, 또는 그 반대로 전환되기도 한다. 외부의 물리적 작용이 없을 때 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하게 유지된다. 이것을 역학적 에너지 보존이라고 한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 스크린을 설치하고 그 앞에 스탠드를 준비하고, I-CA 시스템을 설치한다.

 

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

 

3) 진자의 길이를 80㎝ 정도로 고정하여 운동시키고 화면을 캡쳐한다. 이 때 형광구가 원궤도로 돌거나 회전하지 않도록 해야 하며, 진동주기로 진동이 안정된 후부터 캡쳐한다. 진폭은 작게 하고 촬영시간은 진자가 4～5회 정도 왕복하면 충분하다.

 

4) 저장된 파일을 분석하여 주기와 진폭, 높이 h를 구한다.

 

5) 진자의 높이가 가장 낮은 지점(속력이 가장 빠른 지점)에서의 속력을 측정한다.

 

6) 거리 구하기 기능을 이용하여 진자의 길이를 구한다. 이 때 진자의 길이는 실의 길이와 형광구의 반지름을 합한 길이이며 5회 측정하여 평균한다. 그리고 버니어캘리퍼를 이용하여 형광구의 반지름을 측정한다.

 

7) 실험 데이터로부터 구한 주기와 진폭, 진자의 길이, 형광구의 반지름을 식 (9)에 대입하여 중력가속도를 구한다. 그리고 표준 중력가속도와 비교 검토한다. 또한 측정한 속력 v와 h를 통해서 역학적 에너지 식 (13)이 성립하는지를 확인한다.

 

8) 진자의 길이를 100 ㎝, 120 ㎝로 변화시켜 주며 실험 방법을 반복한다. (본 실험에서는 진자의 길이 임의 변경하였음)

 

 

 

[일반물리학실험]단진자에 의한 중력가속도 측정 레포트