[자연과학]실험보고서 - 선운동량 보존법칙

선운동량 보존법칙

1. 목적

두 개의 쇠공을 충돌시켜 충돌 전후의 속력을 측정함으로써 충돌 전후의 선운동량을 비교하여 선운동량 보존법칙을 이해한다.

2. 기구

2차원 충돌장치, 질량이 같은 쇠공 2개, 수직기, 클램프, 갱지와 먹지, 자와 각도기, Vernier Caliper

3. 이론

정지하고 있는 질량 인 입자에 질량 인 입자가 속도 으로 충돌하면 이 두 입자는 충돌 후 다음과 같이 운동한다.
이 충돌에서 외력은 0이므로 선운동량은 보존된다. 즉,

(1)

이다. 식 (1)을 입사방향을 축, 이와 직각방향을 축으로 하는 좌표계에서 성분으로 표시하면

(2)

이다. 또 이 충돌이 탄성충돌이라면 충돌 전후의 계의 운동에너지가 보존되어야 하므로

(3)

이다.
만약, 입사입자 과 표적입자 의 질량이 같다면( = ) 식 (3)은

(4)

이 되어, 충돌 후 두 입자의 진행방향은 직각을 이루게 된다. 즉,

(5)

이다.

4. 방법

a) 2차원 충돌장치를 실험대 끝에 클램프로 고정하고, 수직기, 갱지 놓고 장치한다.

b) 질량이 같은 두 개의 쇠공을 준비하여 하나는 표적구로, 또 하나는 입사구로 사용한다.

c) 표적구 없이 입사구를 일정한 높이의 기준점에서 굴러내려 떨어진 장소와 수직기 끝점이 지시하는 지점과의 수평거리를 를 5회 측정하여 평균을 구한다.

d) 입사구가 낙하한 수직거리 를 구한다.

e) 과정 c), d)의 측정값으로써 입사구의 속력 을 구한다.

f) 표적구를 입사구와 약 40°의 각을 유지하도록 올려 놓고, 과정 c)에서 정해논 기준점에서 입사구를 굴러내려 충돌시킨 후 두 공이 떨어진 지점의 수평거리 과 , 입사방향과 이루는 각 과 를 측정한다. 이와 같은 과정을 5회 반복하여 평균을 구한다. 이 때 벡터의 시작점은 아래 그림을 참고로 하여 정해야 한다.

g) 표적구와 입사구의 각을 약 55°, 70°로 놓고 과정 f)를 반복한다.

h) , , 및 로부터 충돌 후 입사구와 표적구의 속도 와 를 계산한다.

I) 입사구와 표적구의 질량과 반경을 측정하여 기록한다.

5. 계산과정

`…(생략)

6.75

a) 충돌 전 입사구속력

b) 충돌 후 입사구, 표적구 속력