§1
실험 개요
두 물체 충돌에서 외력이 무시 가능하면 전체 운동량이 보존된다. 학부에서는 에어트랙으로 마찰을 거의 제거한 환경에서 두 활주차의 충돌 전후 속도를 포토게이트로 측정해 운동량과 운동에너지를 비교한다.
§2
이론 배경
운동량 보존
m₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁' + m₂v₂' (충돌 전후). 외력 충격력의 시간 적분이 0이면 항상 성립.
충돌의 종류
탄성: KE도 보존. 비탄성: KE 일부가 변형·열로 손실. 완전비탄성: 충돌 후 같은 속도로 합쳐짐.
반발계수
e = (v₂' − v₁')/(v₁ − v₂). 탄성 e=1, 완전비탄성 e=0.
§3
실험 장치 및 시약
- — 에어트랙 + 송풍기
- — 활주차 2대 (탄성 스프링·자석·벨크로 부착 가능)
- — 포토게이트 2~4개
- — 디지털 타이머
§4
실험 절차
- 1.송풍기 가동 후 트랙 수평 조정. 한쪽 끝에서 활주차 풀기 시 정지 활주차에 부딪히게 배치.
- 2.스프링 부착(탄성) 또는 벨크로 부착(비탄성) 모드로 충돌 실행.
- 3.충돌 전후 속도를 포토게이트로 측정.
- 4.활주차 질량 비를 1:1, 1:2 등으로 변화시켜 반복.
§5
데이터 처리
p_전 vs p_후, KE_전 vs KE_후 표 작성. 운동량은 두 모드에서 보존, KE는 비탄성에서 감소함을 확인. 반발계수 e 산출.
§6
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
두 모드에서 어떤 양이 보존되고 어떤 양이 손실되는지 표로 정리.
예상 결과
탄성 충돌 KE 보존률 95% 이상이 일반적이라는 기준치를 미리 적어둔다.
§7
자주 하는 실수
- — 에어트랙 수평 조정을 안 해서 중력 가속이 들어가는 것
- — 포토게이트 차단 길이(flag 폭)와 시간으로 속도 계산 시 단위 혼동
- — 탄성 충돌에서 작은 KE 손실(5~10%)을 측정 오차라고 단정하는 것
§8
자주 묻는 질문
Q. 왜 KE는 보존되지 않을 수 있는데 운동량은 항상 보존되나요?
운동량 보존은 외력의 충격량이 0이면 자동으로 성립하는 정리(뉴턴 제3법칙)입니다. KE는 충돌 중 일부가 변형 에너지·열·소리로 변환될 수 있어 보존이 별도 조건(탄성)을 요구합니다.
Q. 에어트랙이 왜 마찰이 거의 없는 시스템인가요?
활주차가 수많은 작은 구멍에서 분출되는 공기 위에 떠 있어 트랙과 직접 접촉하지 않습니다. 표면 마찰이 공기 저항으로 대체되어 약 1/100~1/1000 수준으로 줄어듭니다.
§9
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. — Fundamentals of Physics, 12th ed., Wiley, 2021
- [2]Taylor, J.R. — An Introduction to Error Analysis, 2nd ed., University Science Books, 1997