물리학 실험 보고서_3-1. 힘의 평형과 합성 실험 예비 보고서_Ver1_200516_R0

1. 이 실험의 목적은 무엇인가?

① 힘의 평형이란 무엇인지 이해한다.

② 여러 힘들의 합력을 구하는 합성법에 대해서 이해한다.

 

2. 측정치의 계산에 이용되는 관계식들을 기본 이론에서 찾아 각각의 물리적 의미를 설명하시오.

① F = F1 + F2 + F3 … = 0

1) 두 힘의 평형

- 물체의 한 점에서 방향이 반대이고 크기가 같은 두 힘 F1, F2가 작용할 때 그 합력이 0이면 물체에 대한 힘의 효과는 물체에 힘이 작용하지 않는 것과 같다. 이때 두 힘은 평형이 되었다고 한다. 즉 두 힘의 합력은 F1 + F2 = 0이 된다.

2) 세 힘의 평형

: 물체의 한 점 P에 3개의 힘 F1, F2, F3가 작용하여 그 합력이 0이 될 때, 이 3개의 힘은 평형이 되었다고 한다. 물체에 작용하는 3개의 힘이 평형이 되었을 때, 세 힘 중에서 두 힘의 합력은 나머지 한 힘과 평형이 된다.

F1 + F2 + F3 = F1 + F2,3 = 0

또는

F2 + F3 = - F1

 

② |T| =

아래의 그림에서와 같이 F1과 F2의 합인 F2,3은

(F1+F2cosθ)+F2sinθ

로 나타낼 수 있다. 따라서 F2,3의 크기는 직각 삼각형의 성질에 의하여

|F2,3|^2  = ( |F1| + |F2|cosθ)^2 + ( |F2|sinθ)^2

= ( |F1|^2 + 2|F1||F2|cosθ + |F2|^2cos^2θ) + |F2|^2sin^2θ

= |F1|^2 + |F2|^2 + 2|F1||F2|cosθ

이다.

③

         위의 그림에서

는 F1을 x축 위에 놓았을 때 F2,3의 기울기의 크기와 같다. 기울기의 크기는

이고, F2,3의 x의 변화량은 |F1|+|F2|cosθ이고, y의 변화량은 |F2|sinθ이므로

는

 

이다.

 

3. 본 실험의 수행 과정을 블록 다이아그램(block diagram)으로 작성하시오.

힘의 합성대를 수평하게 조절(수준기 사용)

↓

적당히 힘 Fa, Fb, Fc에 해당하는 추를 추걸이 위에 얹음(추걸이의 무게도 고려)

↓

중앙의 고리를 건드려서 평형이 잘 이루어 졌는지 살핌

↓

하나의 추의 위치를 다소 변경시켜 가면서 평형점을 찾음

↓

평형을 이루면 Fa, Fb, Fc, θa, θb, θ, φ를 측정

↓

Fa, Fb, θ의 값을 이용하여 T, φ를 계산

↓

측정한 Fc, φ의 값과 계산한 T, φ의 값을 비교

↓

Fa, Fb, θ를 모눈 종이 위에 그리고 평형사변형법으로 T를 만듬

↓

T의 길이와 φ의 값을 자와 분도기로 측정하여 위 실험에서 측정한 실험 결과와 비교

 

※ 참고문헌

1. Harris Benson, 대학물리학, (淸文閣, 1998)

2. 김문환 편, 적중물리, (고시원, 1994)

3. 서동원, 새로운 물리, (한빛지적소유권센터, 1997)

4. 최증락, 신병헌 공정, 최신물리, (淸文閣, 1997)