[자연과학] 일반물리학 실험 - 길이의 측정

일반물리학 실험 - 길이의 측정

1. 실험 목적

정밀 측정기인 버니어 캘리퍼스와 마이크로미터를 이용하여 주위에서 길이를 재던 도구보다 더 정밀하게 물체의 정확한 길이를 측정하고 그 평균값과 표준 오차를 구한다. 그리고 길이를 재는데 어려움이 있었던 시료들의 길이, 구의 직경, 원통의 내경과 외경 그리고 얇은 판의 두께 등을 측정한다.

2. 실험 이론

(1) 버니어 캘리퍼스

① 버니어 캘리퍼스란 : 기본적으로 버니어 캘리퍼스는 2개의 눈금으로 표시된 쇠자로 되어 있다. 그 하나는 어미자로서, 프레임의 한 쪽 끝에 눈금이 표시되어 있으며, 다른 하나는 프레임을 따라 움직일 수 있는 아들자로서, 슬라이드에 눈금이 표시되어 있다. 이와 같이 버니어 캘리퍼스는 어미자와 아들자가 하나의 몸체로 조립되어 있으며, 측정물의 안지름, 바깥지름 및 깊이 등을 측정할 수 있는 편리한 기기이다. 어미자로 0.05mm, 아들자로 0.02mm 까지 측정이 가능하다. 보통, 버니어 캘리퍼스는 용도에 따라 M₁형, M₂형, CB형, CM형의 네 종류가 있으며, 호칭 치수는 미터식인 경우 대개 150mm, 200mm, 300mm, 600mm, 1000mm의 크기로 구분한다.

② 사용 방법 : 본척(本尺)과 본척 위를 이동하는 버니어[副尺]로 되어 있는데, 본척의 선단과 버니어 사이에 측정물을 끼우고, 본척 위의 눈금을 버니어를 사용해서 읽는다. 보통 사용되고 있는 것은 본척의 한 눈금이 1mm이고, 버니어의 눈금은 본척의 19눈금을 20등분한 것이다. 이것에 의하면, 읽을 수 있는 최소치수는 1/20mm이다. 이 밖에 최소치수가 1/50mm인 것도 있다. 위의 그림에서의 경우 아들자의 0눈금 앞의 가장 가까운 어미자의 눈금을 읽고 어미자의 눈금과 일치한 아들자의 눈금을 읽고 두 값을 합한다.

예…(생략)

③ 원리 : 버니어 캘리퍼스는 어미자와 아들자에 각각 눈금이 새겨져 있으며, 어미자의 눈금을 일정하게 등분한 아들자가 있다. 예를 들면, 어미자 눈금의 길이 9mm를 10등분 한 아들자가 있다면, 이 때 아들자의 한 눈금의 크기는 9/10mm이므로 0.9mm가 된다. 그러므로 어미자와 아들자의 기준 눈금이 서로 일치할 때 어미자의 각 눈금과 아들자의 각 눈금 차이가 0.1mm, 0.2mm, , 1.0mm가 됨을 알 수 있다. 즉, 측정 값은 0이 된다. 그러나 아들자를 오른쪽으로 약간만 이동시켜도 어미자와 아들자의 눈금이 일치하는 부분이 0이 아닌 다른 점으로 이동하게 된다. 즉, 어미자의 눈금 4와 아들자의 눈금 4가 일치되어 있으면 이 두 눈금의 차이 0.4mm가 어미자와 아들자의 기준 눈금에서 나타난다. 따라서, 측정값은 0.4mm가 된다.

① 마이크로미터란 : 마이크로미터는 정확한 피치의 나사를 이용하여 실제 길이를 측정하는 기기로서, 수나사와 암나사의 끼워 맞춤을 이용하여 측정물의 외측 및 내측 길이와 깊이를 측정하는 기기이다. 마이크로미터는 길이 측정용으로 널리 사용되고, 같은 목적의 버니어 캘리퍼스 보다 정밀도가 높아, 미터용은 1/100mm와 1/1000mm 단위까지를 측정할 수 잇고, 인치용은 1/1000 in와 1/10000 in까지 측정할 수 있는 것이 있다. 마이크로미터의 종류에는 그 사용 목적에 따라 외측 마이크로미터, 내측 마이크로미터 및 깊이 마이크로미터가 있다. 각 마이크로미터의 모양은 그 측정면의 형상에 따라 구별된다. 마이크로미터에는 바깥쪽 치수를 측정하는 바깥지름 마이크로미터, 안쪽 치수를 측정