실험6. 충격량과 뉴턴 제3법칙 결과보고서

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제가 직접 작성했고 물리학실험1 A0 나왔습니다.

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질문 2. 충돌 전 또는 충돌 후의 속도 대 시간의 데이터에서 수레와 트랙의 마찰계수를 예측할 수 있는가?

일-에너지 정리에 따르면 속도가 물체의 유일한 변수일 때 알짜힘이 물체에 한 일 로 정의했었다. 그런데 알짜힘이 한 일은 보존력이 한일+비보존력이 한 일이므로 (=보존력이 한 일, =비보존력이 한 일)로 나타낼 수 있다. 또 보존력이 한 일은 위치에너지의 변화량의 음의값과 같으므로 로 나타낼 수 있다. 비보존력의 종류에는 마찰력, 공기저항 등등 여러 가지가 있지만, 공기저항은 무시해도 될만한 수준이라고 가정하면 마찰력만 있다고 볼 수 있다. 이 때, 수평면에서의 운동이라면 위치에너지의 변화를 0이라고 생각해서 마찰력이 한 일을 구할 수 있고, 이것을 이동거리로 나누면 마찰력을 구할 수 있다. 마지막으로 이렇게 구한 마찰력을 수직항력(수평면에서는 중력과 같다)으로 나누면 마찰계수를 구할 수 있다. 경사면에서의 운동에서는 위치에너지의 변화가 있으므로 운동에너지의 변화량과 위치에너지의 변화량을 구해서 더하면 마찰력이 한 일을 구할 수 있고, 역시 이것을 이동거리로 나눠서 마찰력을 구할 수 있다. 그런데 경사면에서는 수직항력이 중력과 같지 않기 때문에, 경사면의 연직방향으로 향하는 중력의 성분을 구해야 수직항력을 구할 수 있다.

<중 략>

질문 5. 실험 3의 충돌시간의 측정은 힘 대 시간의 그래프에서 측정하여야 한다. 속도 대 시간의 그래프에서 측정하는 것이 적절하지 않은 이유는?

실험 3에서 힘-시간그래프에서 충돌 직전 0인 상태에서 충돌과 동시에 그 값은 증가하여 충돌이 끝나게 되면 그 수치는 다시 0이 된다. 따라서 힘-시간 그래프에서는 0의 값이 아닌 부분이 충돌시간인 것이다. 하지만 속도-시간 그래프에서는 충돌시간을 알아내기 어렵다. 그 이유는 충돌 직전과 직후에 수레는 등속도 운동이 아닌 등가속도 운동을 한다. 이로 인해 속도-시간그래프에서 속도의 기울기가 생기게 되어 충돌이 시작하는 시간과 끝나는 시간을 정확히 파악하기 어렵기 때문에 힘-시간의 그래프로 측정하는 것이 적절하다.

참고 자료

물리학 실험,아주대학교 출판부, 2015년, 김상열, 49~51page
대학물리학I, 북스힐, 2013년, reymond A. serway, 101~104page, 85page~103page