물리학및실험 | 대충돌

 

 

 

TIP

 

 

일차원에서의 충돌 실험을 통하여 충돌에 대한 개략적인 이해의 방법을 살펴보고 이를 통해 운동량 보존의 법칙을 검증해본다. 그리고 그 안에 포함된 뉴턴의 운동법칙에 대해서도 확인해본다.

 

 

 

운동량 보존의 법칙

어떤 질량 m인 물체가 v의 속도로 운동하고 있을 때,

 

F = ma = m․dv/dt = d(mv)/dt = dp/dt

 

의 식으로 표현될 수 있다. 이것은 “F = ma” 라는 ‘뉴턴의 제2법칙’에 따른 것이며, 이것에 가속도의 개념(a = dv/dt)을 대입하여 운동량(p)을 이용해 나타낸 것이다. 이 식에 따르면 한 물체의 운동량의 시간에 따른 변화율은 그것에 작용하는 총 힘의 크기와 같으며, 방향 또한 같다. 만약, 총 힘의 합이 Ftot= 0일 때, 즉 외부에서 작용하는 힘이 없을 때,

 

F = ma = dp/dt = 0

 

이 된다. 즉 운동량의 시간에 대한 미분이 0이므로, 운동량은 일정한 상수값이다. 이것이 바로 운동량 보존의 법칙이다.

 

추가적인 내용으로 충돌하는 물체들 사이의 상호작용에 의하여 속도가 변하더라도 물체를 묶어서 생각한 하나의 '계' 의 외부에서 힘이 작용하지 않으면 상호 작용 전의 운동량의 총합은 상호 작용 후의 운동량의 총합과 같다. 이것을 ‘운동량 보존 법칙’이라고 한다. 운동량 보존 법칙이 적용되는 상호 작용의 보기로는 충돌, 분열, 융합, 관통 등이 있다.

 

 

실험 방법

1. 실험 도구 장치하기

1) 무마찰 운동대에 연결되어 있는 송풍기와 빛살문 검출기 두 개의 전원을 연결한다. 이때 110V인지 220V인지 잘 확인하여 연결하여야 한다.

 

2. 무마찰 운동대의 수평 확인하기.

1) 무마찰 운동대에 글라이더 하나를 올려놓는다.(글라이더 머리에 날개를 꽂아야 하는데, 나중에 속도를 측정해야 하므로 날개의 길이를 재야 한다.)

 

2) 무마찰 운동대의 한쪽 끝에서 글라이더를 밀어보아, 두 개의 빛살문 검출기를 모두 지나게 하여 검출기에 나타난 시간을 읽는다.

 

3) 두 검출기에 나타난 시간의 차이가 많이 난다면 수평이 맞추어져 있지 않은 상태이므로 되도록 두 검출기의 시간이 같아지도록 높낮이를 조정한다.

 

3. 실험 1 – 글라이더 하나를 운동대에 충돌시키기

1) 글라이더에 고무줄 반발대를 양쪽에 매달아서 좌, 우 균형이 맞도록 한다.

 

2) 글라이더를 살짝 밀어서 운동대에 충돌시키는데, 충돌하기 전에 빛살문 검출기에 나타난 시간을 읽고, 충돌 후에 나타난 시간을 읽는다.(충돌 후의 속력을 구하기 위해 두 시간의 차를 이용한다.)

 

3) 글라이더의 충돌 전후의 속도를 구하고, 운동대의 충돌 전후의 속도를 모두 0으로 놓아 반발계수를 구한다.

 

4. 실험 2 – 멈춰진 글라이더에 다른 글라이더로 충돌시키기

1) 실험 1에 사용하였던 글라이더를 무마찰 실험대의 두 빛살문 검출기의 사이에 올려놓는다.

 

2) 다른 글라이더를 실험대 한쪽에 올려놓아 손으로 살짝 밀어서 ①의 글라이더와 충돌하도록 만든다.

 

3) 충돌 전과 후에 나타난 빛살문 검출기의 시간을 읽는다.(실험1과 마찬가지로 움직인 글라이더의 충돌 후 속도는 두 시간의 차를 이용한다.)반발계수를 구한다.

 

5. 실험 3 – 양쪽에서 두 글라이더를 밀어서 충돌시키기

1) 실험 2에서와 같은 글라이더를 이용한다. 두 빛살문 검출기 바깥쪽에 각각 글라이더 하나씩을 놓는다.

 

2) 양쪽에서 살짝 밀어서 충돌 전 후에 나타난 시간을 기록한다.(방향도 기록해야 함)

 

3) 각각의 충돌 전후의 속도를 구해 반발계수를 구한다.

 

6. 실험 4 – 비탄성 충돌(멈춰진 글라이더에 다른 글라이더로 충돌시키기)

1) 두 글라이더에 비탄성 충돌용 연결부품 암수 1쌍을 각각 하나씩 꽂는다.

 

2) 실험 2와 같은 방법으로 반발계수를 구해낸다.

 

7. 실험 5 – 비탄성 충돌(양쪽에서 두 글라이더를 밀어서 충돌시키기)

1) 실험4의 글라이더를 이용하여 실험 3과 같은 방법으로 반발계수를 구해낸다.

※ 모든 실험에서 사용한 글라이드의 질량을 측정해야 한다.

 

 

 

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