물리학및실험1 (6) 운동량 보존 법칙

1. 실험 목적
두 물체의 충돌 전후에 선운동량이 보존되는지 확인하여 운동량 보존법칙을 이해한다. 또한, 충돌 전후의 운동 에너지가 보존되는지 확인한다.

2. 실험 이론
2.1 운동량 보존 법칙
두 물체가 충돌하는 과정을 생각할 때 두 물체는 서로에게 힘을 미치게 된다. 두 힘은 작용과 반작용의 관계를 갖지만, 대부분 충돌에 걸리는 시간이 매우 짧아서 힘의 크기를 측정하기가 어렵다. 또한, 충돌과정에서 받는 힘은 단순히 상대방의 질량이 큰 경우가 질량이 작은 경우보다 크다고 말할 수 없다. 질량이 작은 물체가 큰 속도로 움직이는 경우가 질량이 큰 물체가 작은 속도로 움직이는 경우에 비해 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 이런 충돌과정에서는 각 물체가 갖는 운동량이라는 양을 고려하는 것이 유용하다. 운동량은 물체가 갖는 질량과 속도의 곱으로 정의된다. 운동량의 변화는 물체가 받는 알짜힘과 같다. 따라서 계(system)가 받는 알짜힘이 0이면 계의 운동량은 일정하다(운동량 보존 법칙). 두 물체가 충돌하는 경우 두 물체를 하나의 계로 생각하면, 충돌과정에서 두 물체가 각각 받는 힘들은 작용과 반작용의 관계에 있으므로 두 힘의 합은 0이 된다. 즉, 충돌과정에서 충돌 직전의 전체 운동량은 충돌 직후의 전체 운동량과 같다. 위의 식을 각 성분별로 분해해도 성분별로 운동량 보존법칙이 성립하므로 아래왿� 같은 관계가 성립한다. 두 물체 중 하나가 처음에 정지해있는 경우에는 움직이는 물체의 방향을 축으로 설정하면 (사)식과 (아)식이 훨씬 간결해진다.

2. 실험 방법
(1) 에어 테이블을 설치하고 수평을 맞춘 후, 카메라를 설치한다.
(2) 시스템의 초기 설정을 진행한다.
(3) 퍽 사이에 충돌을 시킨 후 동영상 분석 시스템을 이용하여 충돌 전후의 속력과 방향을 측정한다.
(4) 위의 (사)식과 (아)식을 이용하여 성분별로 충돌 전후에 운동량을 계산하여 운동량 보존법칙이 성립하는지 확인한다.

결론
운동량 보존 법칙 실험을 실시한 결과, 퍽의 처음 운동량과 나중 운동량은 일치하지 않았고, 약 39%에서 43%의 오차가 발생하였다.