일반물리학실험 | 에너지 트랜스퍼 (Energy Transfer)

 

 

 

TIP

 

 

핸드크랭크 발전기를 통해 역학적 에너지를 전기 에너지로 바꾸고 가열용 저항기를 통해 전기 에너지를 열에너지로 바꾸어 에너지의 형태가 전환되는 것을 살펴보고, 전기 에너지와 열에너지를 비교하여 에너지가 보존되는 것을 확인한다.

 

 

 

실험은 핸드크랭크 발전기를 이용하여 사람이 음식물을 섭취해 얻은 에너지를 운동에너지로, 다시 그것을 전기에너지로, 열에너지로 전환하는 실험이었다. 일을 가해준 것이므로 온도(T)그래프는 시간에 따라 점차 증가하는 그래프였고, 전압V와 전류I는 핸드크랭크를 돌린 속도와 방향에 따라 증가하기도 하고 감소하기도 하였다. P(t)그래프를 시간에 대해 적분하면 E=Pt=VIT에 따라 전기 에너지의 값이 나온다. 그리고 E=Pt=VIT의 단위는 줄(J)이므로 비열의 단위 J/kg·℃를 이용하여 계산할 때, ΔT의 값은 섭씨 온도를 사용하여야 한다.

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실험 방법

1. Electrical set-up

1) 사진 ①과 같이 핸드크랭크의 붉은 단자를 전류 감지기 in line에 연결한다.

 

2) 가열용 저항의 붉은 단자를 전류 감지기의 out line에 연결한다.

 

3) 가열용 저항의 검은 단자와 핸드 크랭크의 검은 단자를 서로 연결해준다. (① 직렬회로 완성)

 

4) 사진 ②와 같이 전압 감지기의 붉은 단자를 전류 감지기의 out line, 즉 가열용 저항의 붉은 단자에 연결한다.

 

5) 전압 감지기의 검은 선을 가열용 저항의 검은 단자와 연결해준다. (② 전압 감지기 연결 완성)

 

6) 그림 1의 큰 사진처럼 접속 장치에 온도 측정기, 전류 감지기, 전압 감지기를 연결한다.

 

2. Calorimeter Set-up

1) 내부 알루미늄 컵의 질량(m_al)을 측정한다.

 

2) 50 g 정도의 물을 내부컵에 담고 질량(m_al+m_w)을 측정한다.

 

3) 충분히 시간을 두어 컵과 물의 온도가 평형이 되도록 둔다.

 

4) 온도 측정기 윗부분에 파란색 튜브를 끼운다. (파란색 튜브는 열적으로 온도 측정기를 외부와 차단하고 측정기의 밑이 컵에 닿지 않게 해 준다.)

 

5) 외부컵에 스페이서를 끼우고, 그 안에 물이 있는 내부컵을 끼운다. 내부컵 위에 뚜껑을 끼우고 뚜껑의 구멍들에 가열용 저항과 온도 측정기를 꽂는다.

 

6) 온도 측정기가 물에 잠겨있는지 확인하고 컵 바닥에 온도 측정기가 닿지 않았는지 확인한다.

 

3. Program procedure

1) 컴퓨터의 전원과 접속 장치의 전원을 켠다.

 

2) 바탕화면에서‘Data Studio' program을 실행한 후, 'Create Experiment'를 클릭한다.

 

3) 접속 장치 그림에서 A, B, C를 눌러 자신이 연결한 센서를 지정해준다. (예: A port에 온도 측정기를 연결했다면 목록에서‘Temperature Sensor(stainless steel)'을 선택한다.)

 

4) 프로그램의 창 상단에 'Calculate'를 누르고 'Definition' 란에 'power = abs(avgfilter(5,smooth(5,I*V)))' 명령어를 입력한다. 'Accept'를 누르면 화면 왼쪽 'Data' 란에 계산기 모양의 아이콘이 생긴다. 아이콘 확인 후 'Calculator' 창을 닫는다.

 

5) 화면 왼쪽 'Displays' 란에 'Graph'를 더블클릭하여 T, I, V에 해당하는 그래프를 실행한다. (graph가 겹쳐서 보이지 않게 모니터 상에 잘 분배한다)

 

6) 'Start' 버튼을 누르고 핸드크랭크 발전기를 'positive' 방향으로 돌린다. (핸드크랭크 발전기에 쓰여 있다.) 전압이 일정하게 되도록 노력하지 않아도 된다.

 

7) Temperature graph의 y축 단위가 너무 크기 때문에 마우스를 숫자 위에 올려놓고 위로 드래그 하여 단위를 축소하여 관찰한다.

 

8) 매 15 초마다 천천히 컵을 흔들어 내부컵 물의 온도가 고르게 되도록 한다.

 

9) 핸드크랭크 발전기를 다 돌리고 멈추더라도 그래프 작성을 멈추지 말고, Temperature graph에서 온도가 다시 내려갈 때까지 기다린 후에 'Stop' 버튼을 누른다. 이때도 15 초마다 컵을 흔들어 줘야 한다.

 

10) 온도가 내려가면 'Stop' 버튼을 누른다. (온도 변화는 화면 왼쪽 'Displays' 란의 'Table'을 통해 확인하는 것이 쉬울 수도 있다.)

 

11) 과정 4)에서 생성한 'Calculator'를 실행하고 'Variables' 란에서 위 ▼ 버튼을 누르고 'Data Measurement'를 클릭한 후, 열리는 창에서 Current에 해당하는 I 그래프를 설정해 준다. 마찬가지로 아래 ▼ 버튼을 눌러 V 그래프를 설정해준다.

 

12) 'Accept'를 누르면 왼쪽 Data 란에 결과에 해당하는 기호로 'Data'가 생성된다. 확인 후 'Displays' 란에서 'Graph'를 누르고 결과에 해당하는 graph를 실행한다.

 

13) graph 창에서 Σ▼ 버튼을 누르고 'Area'를 체크한다. Graph는 x축이 time, y축이 watts이며, 면적은 watts·s이기 때문에 전기 에너지에 해당한다.

 

 

 

[일반물리학실험]에너지 트랜스퍼 (Energy Transfer) 레포트