일반물리실험 I
일반물리실험 I # 강의및실험내용 과제및기타참고사항 0 Orientation: Lab. Safety Training, Error Analysis, Measuring Introduction 1 Thickness Measurement Using Optic Lever Measurement 2 Newton's Law of Motion Straight Motion 3 Free Fall and Projectile " 4 Coefficient of Friction " 5 1-D and 2-D Collision " 6 Understand of Angular Motion: Centripetal Force Angular Motion 7 Moment of Inertia and Rotational Motion " 8 Mechanical Energy conservation including Rotational Energy " 9 Material Stress Strain Equilbrium 10 Viscosity Fluid Mechanics 11 Hooke's Law and Simple Pendulum Vibration & Waves 12 Vibrating String " 13 Ripple Tank " 14 Chladni's Figure " 15 Speed of Sound in Air " 16 Microwave Experiment " 17 Thermal Expansion of Solid Thermodynamics 18 Electrical Equivalent of Heat " 19 Specific Heat " 20 Latent Heat of Transformation " 21 The Ideal Gas Law "
1. Orientation Measuring 실험실내에서의안전에관련된사항을숙지 실험을통해얻어지는데이터를다루는법을앎 실험리포트작성요령및평가에대한안내 실험실안전교육, 데이터처리법, 에러처리법, 실험리포트작성법설명 (1) 실험실안전교육 물리적인위험에대한대처법 ( 불, 물, 전기, 모터, 포사체등 ) ( 생 ) 화학적위험에대한대처법 ( 고온의증기, 화학물질다루는법등 ) 안전시설의위치및사용법설명 ( 위험에노출되었을때의행동요령 ) (2) 데이터처리법 유효숫자의개념 평균과표준편차에대한계산법및그의미 에러처리법 (Error Analysis) 데이터조작의비윤리성강조
(3) 간단한측정을통한실습 시간재기, 길이재기등의간단한실험을통한측정유효값얻기 길이측정을통해부피를계산또는부피와질량을측정하여밀도를계산하는과정을통해계산유효값얻기 자, 버니어캘리퍼스, 마이크로미터, 저울, 스톱와치등의아날로그기기 2. Thickness Measurement Using Optical Lever Measuring 물리량의기본중하나인길이단위의측정방식을이해 빛의경로차이를이용한길이측정방식이해 3) 실험내용및절차 이실험은오리엔테이션의일환으로실행하는것을전제로함 거울에반사되는빛이스크린에도달하는위치의변화를통해얇은막의두께를측정하는방식 기본적인물리량중하나인길이의측정을위해직접물질의길이를
측정하는방식이아닌빛을이용하는간접적인방법론을통해측정이다양화될수있음을확인 그림출처 http://www.google.co.kr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=2&ved=0ceqqfj AB&url=http%3A%2F%2Fwww.listen2will.net%2Fxe%2F%3Fmodule%3Dfile%26act%3DprocFile Download%26file_srl%3D684%26sid%3D16f2304acd02319221fefcdd4ddc33c9&ei=mguKUP3xGq 6RigfBqYDABA&usg=AFQjCNEQRBGkOulIHSaim-HEOOpidHbaSg&sig2=vgIQfvhNk33AW2Qpt d80sa&cad=rjt 레이저, 거울, 스크린을하나의세트로구성
3. Newton's Law of Motion Newton's Law of Motion 물체의운동을주관하는뉴턴의법칙을이해 등가속운동을이해하고물체의운동을통해다양한물리량을계산 3) 실험내용및절차 (1) Atwood 방식을이용한실험 이실험은기본적으로도르래의양편에서로다른작은질량을매달아그들이중력에의해운동하는양상을측정하여시간에따른속도변화를측정하여가속도를측정하는방식임 중력가속도의측정으로응용될수있음 동일한장비는추후에도르래의회전관성을고려하여도르래가주는마찰력을계산해보는실험을수행하여보다정밀한운동의분석을해볼수도있음 (2) 에어트랙을이용한실험 에어트랙을기울여마찰력을최소화한상태에서물체의운동을통해뉴턴의법칙을실험해볼수있음. 이경우순수하게운동만을동영상장비를이용하여측정하거나, 에어트랙아래부분에용수철을놓아충돌시용수철의길이변화를통해작용하는힘을유추해보는실험을추가적으로설정할수있음
또다른방식의실험은에어트랙을기울이는대신한쪽에도르래를연결하여도르래의반대편에달린무게에의해물체가에어트랙위를운동하도록하는방법을택할수도있음 세계과학 (SG-M5120), EYECA (EYS-108), PASCO (EX-5501, EX-5503), PHYWE (P2130301/05) 4. Free Fall and Projectile Straight Line Motion, 2- & 3-D Motion 뉴턴의법칙을이해하고속도와가속도의구분 등가속운동인중력에의한운동이해및중력가속도측정 1차원계와 2차원계에서힘과운동의표현방법이해 (1) 동영상분석장비를이용한실험의예 자유낙하하는물체를카메라로촬영한후동영상분석장치를이용하여운동을분석
(2) photogate 를이용한실험의예 두개의 photogate를이용하여두지점을통과하는물체의운동을분석하여속도와가속도의정보를계산 Projectile 실험의경우, 두개의 photogate를가까이에붙여서초기속도를측정하고, 비행거리는자를이용하여측정. 발사각의경우발사체의각도를각도기를이용하여측정하거나수평방향으로발사된포사체의운동을이용하여계산 카메라를이용한측정의경우촬영하는방향의중심에서실험이진행되도록하여야촬영각에따른오차를최소화할수있음 photogate를이용한 Projectile 실험에서는발사각을만들어주는발사대와 photogate사이의거리를최소한으로유지하여발사직후발생할수있는오차를줄여주어야함 충분한반복실험을통해실험장비에익숙해질수있도록유도하고, 평균과표준편차의계산을통한데이터분석유도 사진출처 http://www.eyeca.co.kr/xe/index.php?mid=ey_bd03&document_srl=860 (1) 동영상분석장비및동영상분석프로그램 세계과학 (SG-M100A 시스템 ), EYECA (I-CA 시스템 ), PHYWE (Measuring Software), PASCO (VideoPoint Physics Fundamentals), Vernier (LoggerPro) (2) Photogate Timer 세계과학 (SG-9630S), EYECA (EYS-003), PHYWE (Cobra3 또는
Cobra4 Timer-Counter Sensor), PASCO (ME-9215B), Vernier (VPG-BTD) (3) 발사대 ( 자유낙하, 포사 ) 세계과학 (SG-M7136, SG-M7140), EYECA (EYS-133, EYS-114), PHYWE (P2131100, P2131200), PASCO (ME-9207B, ME-6801) 5. Coefficient of Friction Newton's Laws of Motion, Friction and Drag 힘의분해를통한힘평형이해 정지마찰계수와운동마찰계수의측정및비교 마찰력과수직항력사이의관계이해하고이를통해수직항력계산 주어진물체의질량과비교분석 정지해있는물체를경사면의각을조절할수있는마찰계수측정장비위에올려놓고, 정지해있는상태에서물체가움직이지않는상태를유지할수있는최대까지경사각을변화시켜최대정지마찰계수를측정
운동마찰계수는앞서얻은최대각이상의각을이루는경사면에서물체가움직이는동안운동을측정하여 2차원운동을분석함으로써계산 다양한질량과재질의물체를이용하여변화에따른상관관계를확인 운동마찰계수의측정을위해움직이는물체의운동은동영상분석장비, phtogate timer, 시간기록계등을사용한다 주의점 : 실험에사용하는경사면이나물체의접촉면을깨끗이유지 세계과학 (SG-5128), EYECA (EYS-115), PASCO (ME-6966) 6. 1-D and 2-D Collision Newton's Laws of Motion, Work-Kinetic Energy Theorem, Conservation of Energy, Center of Mass and Momentum 물체의운동을측정하여그운동에해당하는운동량을정량적으로확인 물체간의충돌을통해운동량보존법칙을이해하고활용 1차원및 2차원운동량보존법칙의적용을확인 탄성충돌과비탄성충돌의경우적용되는보존법칙이해
(1) 1차원실험 에어트랙등마찰력을최소화할수있도록특수하게디자인된표면위에서실험을수행 동영상분석장비등을이용하여, 1개혹은그이상의물체의운동을동시에추적하여, 충돌전과후에나타나는운동의변화를추적 운동량과에너지가보존됨을확인 충돌한두물체의반발계수를구해봄 (2) 2차원실험 에어테이블을이용한실험 동영상측정장비와함께사용. 이경우카메라의위치는위에서부터촬영하여에어테이블을전체적으로한화면에담을수있도록함 카메라의촬영면과운동의방향에대한얼라인먼트에주의 두물체가너무강하게충돌하여다른요인 ( 소리, 물체의운동이 1차원에국한되지않는경우등 ) 에의한에너지손실을최소화할수있도록초기조건을조절해주어야함 에어트랙이나에어테이블사용시너무강한공기압을사용하는경우그위에놓이는물체가정지해있지않고지속적으로떠돌아다닐수있음 (1) 1 차원충돌실험 세계과학 (SG-5120), EYECA (EY-108), PHYWE (P2130505 또는 P2130511), PASCO (ME-6961), Vernier (KSP-DYN)
(2) 2 차원충돌실험 세계과학 (SG-5124), EYECA (EY-130) 7. Understand of Angular Motion: Centripetal Force Rotational Motion 원운동과직선운동사이의차이를이해 원운동의반지름, 속력, 그리고구심력사이의관계를실험을통해구현 원운동을통한중력가속도의측정방식을이해하고, 다양한실험을통해얻어지는하나의물리량을비교하여측정값의정밀도를높여갈수있음을이해 힘의평형을이루어줄수있는용수철의용수철상수를먼저확인
측정하고자하는물체를회전하는축에연결된회전봉에고정시킨후용수철을이용하여힘평형을이루도록함 동영상분석장비를사용하여원운동을하는물체를추적하여구심력과각운동량을계산. 사진출처 http://www.eyeca.co.kr/xe/index.php?mid=ey_bd03&document_srl=278 PHYWE (P2131601), EYECA (EYS-117) 8. Moment of Inertia and Rotational Motion Rotational Motion
강체의회전운동을이해 회전운동을하는물체에서의에너지보존법칙을이해하고계산에적용 관성모멘트측정 다양한물체가회전할때회전운동을나타내주는각속도와물체특유의관성모멘트를이용하면회전운동에해당하는총운동에너지를계산할수있음 실험은측정하고자하는물체를회전시킬수있는회전테이블과이회전테이블에회전에너지를전달해줄수있는중력에의해가속하는질량을실과도르래를연결하여구성됨 동영상측정장비는회전면의수직방향에서회전운동을측정하게됨 먼저회전테이블자체의관성모멘트를결정한후, 회전테이블위에다양한종류의물체를올려놓고실험을반복함 추가로, 관성모멘트를알고자하는물체의질량중심이회전하는축위에놓여있지않은경우의관성모멘트는질량중심이회전축위에놓여있을때의관성모멘트에대비해평행축정리에따라구할수있으므로, 실험을통해이를확인해볼수있음 회전테이블의회전이너무빨라지면이에따른에너지손실문제뿐아니라테이블자체가회전운동에공명해떨리는현상이발생하게될수있다는문제점이있으므로, 회전테이블을회전시키기위해사용하게되는추의무게를너무크게하지않도록해야함. 사진출처 http://www.phywe.com/461/pid/26200/drehmoment-und-drehimpuls-.htm
EYECA (EYS-118), 세계과학 (SG-M5156), PHYWE (P2131500) 9. Mechanical Energy Conservation including Rotational Energy Rotational Motion 강체의미끄러짐없는운동을통해다른형태의운동에너지를이해. 강체의운동을통해병진에너지, 회전에너지, 위치에너지를모두포함한에너지보존을확인. (1) Maxwell Wheel를이용한실험 wheel의축양쪽에줄을감아높은위치에서놓으면, 줄이풀리면서 wheel이회전하며아래로하강하는운동을하게됨. 이때 wheel의운동은회전에너지, 병진에너지, 그리고위치에너지가상호지속적으로변화하는과정을통해이루어짐 wheel의운동을동영상분석장비를이용해분석하여각각의운동을시간에따라분석하여매순간에서의에너지보존을확인할수있음
(2) 경사면을이용한실험 경사면을따라미끄러짐없이굴러내려오는강체의운동을구현하고이운동을동영상분성장비를이용해측정함 위치에너지는구의높이변화를이용해측정하고, 운동에너지 ( 병진에너지 + 회전에너지 ) 의계산에필요한속도는시간에따른위치변화그래프의 2차함수추세선을이용해구할수있음 이실험의결과로부터질량중심의가속도는일정함을알수있고, 결국강체가구를수있는토오크를주는것은마찰력이라하면, 주어진시스템에서작용하는마찰력을계산을통해구해볼수도있음 (3) 가능한추가실험 경사면이끝나는곳의경사를약간의각을위쪽방향으로변화시켜주면, 경사면을구르던구가경사면을떠나포사체운동을하게됨. 이때구의운동은단순히질량중심의운동만을고려하는포사체운동이되기때문에앞서나왔던포사체운동실험의계산과동일한계산을통해다시한번에너지보존을추가로확인해볼수있음 경사면에서스프링에매달린대차의운동을분석하여위치에너지및탄성에너지의보존을실험을통해확인할수있음. 사진출처 http://www.phywe.com/461/pid/873/maxwell-wheel.htm http://www.sgs.co.kr/main.html?tm=product&md=product_detail&cc=100102&gc=gd00000033 (1) Maxwell Disk 를이용한실험 PHYWE (P2131800)
(2) 경사면을이용한실험 EYECA (EYS-116), 세계과학 (SG-5150S) 10. Materials Stress Strain Equilibrium and Elastisity 고체의물리적특성중하나인스트레스와스트레인을이해 스트레스와스트레인의상관관계를통해영률계산 (1) 잡아당기는형태의실험 다양한물체에 1차원방향으로힘을가할때물체에따라다르게나타나는반응을힘을가하는축으로의길이변화를측정하여확인 대부분의경우실험은길이방향으로잡아당기는 ( 물체를늘이는 ) 방향으로의힘을가하게되며, 가해지는힘은 force sensor를이용해측정하게됨 (stress) 이때늘어나는길이는스프링에의해작동하는마이크로미터나 rotary motion sensor 등을이용해측정하게됨 (strain) 영률 (Young's modulus) 는두값의비에의해계산할수있음 실험여건 ( 사용하는물체 ) 에따라 elastic region 뿐아니라 yield
point 나 rupture point 에대한부분까지고려하여실험을할수있음 (2) 막대의가운데에추를다는형태의실험 기본적인방법론은위의경우와유사함. 단, 이경우에는, 공중에매달린막대의중간에추를달고, 추에따라휘는막대의변화를다이얼게이지를이용하여측정하여가해지는힘에대비되는변화를이용하여영률을측정 주어지는물체의길이, 폭, 너비등을정확히알아야하기때문에, 마이크로미터나버니어캘리버등을이용하여물체의크기를먼저측정하도록함 가느다란금속막대형태의물체인경우, tensile force에대한영률뿐아니라비꼬는형태의힘 9torsional force) 에대한영률측정도가능함 단, elastic region이주로고려되어야하기때문에, 실험을할때사용되는물체에따라한계를미리설정하여초과하지않도록지도하거나, 실험의초기단계에서적은힘을가한뒤다시힘을제거하는반복실험을통해학생들스스로가 elastic region을찾아보도록유도할수있음 PASCO (EX-5515), EYECA (EYS-303), PHYWE (P2133000), 세계과학 (SG-5204, SG-5208) 11. Viscosity
Fluid Statics and Dynamics 물체의운동을방해하는저항의개념이해 유체내에서의물체의운동과마찰의이해 점성계수측정을통해유체의성질을이해 온도에따른점성의변화측정 (1) 점도계를이용한실험 점도계를이용하여, torsional shear stress를주었을때용액이회전하는속도를통해 Newtonian 용액과 non-newtonian 용액에서의점성을측정 유체의온도변화에따른점성의변화측정 (2) 유체내에서물체의운동을이용한실험 작은공이유체내에서중력에의해하강하도록하고이때유체의점성에의해물체의운동이받게되는저항을공기중에서의자유낙하속도와비교하여점성을측정 유체의온도변화에따른점성변화측정 점성실험은마찰력실험과함께물리교재에서주로다루는힘이외에일상적으로존재하지만, 많은경우이론적계산에서는무시하는힘을실험을통해확인하는과정임
(1) 점도계실험 PHYWE (P2140300) (2) 유체내에서물체의운동을이용한실험 PHYWE (P2140400) 12. Hooke's Law and Simple Pendulum Equilibrium, Simple Harmonic Motion 다양한형태의단순조화진동의이해 용수철을이용한단순조화진동의구현과 Hooke's Law의적용범위에대한이해 단진자운동이단순조화진동으로이해되는조건에대한이해 단순조화진동이라는가정이가지는물리적가정이해 (1) 용수철을이용한실험
용수철에다양한질량을가지는물체를메달아평형상태를구현하여용수철상수를찾음 평형상태에있던물체를진동하도록하고운동을관찰 물체의운동을단순조화진동으로근사하여운동의주기를계산 (2) 단진자를이용한실험 단진자를작은각만큼진동하도록하여운동을관측 추의질량, 길이, 진동각을변화시키며측정 운동의주기를통해중력가속도측정 (3) 단순조화진동의이해 * 두가지의다른실험이모두단순조화진동으로이해될수있음을확인 단순조화진동이론이적용되지않는한계에대해추론 (4) 추가실험의예 (Damping) 용수철실험을바닥에놓인상태에서할때와의차이점을통해 damping 효과를고려해봄. 물체의모양 ( 추의형태나디스크형태 ) 을통해공기의저항이달라지는상황을이용하여 damping이적용될때의변화를고려해봄. * 실험의중요한목표중하나는물리에서많은경우에사용하는가정의이해에있음. 기본적으로 linear response theory에바탕을둔이가정이가진장점과함께한계점을바르게이해하도록유도하는것이중요함 동영상분석장비를이용하거나초시계또는 photogate timer 를이용하 여운동을측정
13. Vibrating String Transverse Waves, Longitudinal Waves 질량을가지는현이정상파가형성되는과정이해 공명현상을이용하여 ( 소리굽쇠의 ) 진동이현에정상파를만드는과정을이해 현에형성되는정상파를통해 ( 소리굽쇠의 ) 진동수를측정 소리굽쇠를현의한쪽끝에연결하고다른쪽끝은현에장력을유지시켜줄수있도록추를연결함 교류전원공급장치를이용하여소리굽쇠를진동시키면공명현상에의해현이진동하게되고이때반대쪽추의위치를조절하여최종적으로현에정상파가형성되도록함 현에형성된배의수와현의양끝단사이의길이를통해현에전달된진동의파장을구하고이를이용해소리굽쇠의진동수확인 소리굽쇠를현과연결할때수직으로연결한경우와수평으로연결한경우를구분하여실험하고그차이점을분석 ( 횡파와종파의구분이아님. (a) 의경우와 (b) 의경우
현의진동횟수와소리굽쇠의진동횟수간의상관관계가서로다름.) 사진출처 http://www.eyeca.co.kr/xe/index.php?mid=ey_bd12&document_srl=1456 PHYWE (P2133300), 세계과학 (SG-5400), EYECA (EYS-204), PASCO (ME-6978) 14. Ripple Tank Fluid Statics and Dynamics, Transverse Waves, Longitudinal Waves 수면파의형성원리이해 수면파를이용하여파의기본성질을이해하고형성된파의속도와주파수사이의상관성을확인 수면파를이용한간섭현상을확인하고파장에따른변화를관찰 (1) 수면파의이해
수조의수평을잘유지한상태에서수조내의수면이떨리지않는상태를유지해야함 수면파발생기를이용하여수면파를형성하고이때형성되는수면파를카메라를이용하여촬영한후분석 한개의수면파발생기를이용하여발생하는수면파의특성을파장과주파수, 속도등의계산을통해확인하고이론과일치하는지확인 속도의계산은동영상으로촬영된데이터의프레임을이동하면서수면파의배의위치가이동하는거리를확인하여계산 (2) 두개이상의파가만들어내는간섭현상실험 두개이상의수면파발생기를이용하여다수의독립적인수면파를발생시키고이들이간섭하는형태를동영상측정장비를이용하여분석 진동수가같은두개의수면파가발생하는경우와진동수가다른두개의수면파가발생하는경우를확인 진동수가서로다른경우나타나는맥놀이현상을통해두파동의진동수를계산 (3) Ripple Tank를이용한다른종류의실험 - 도플러효과 수면파발생장치를이동시키면서수면에파형을만들게되면이동방향전후로도플러효과에의한파장의변화를관측할수있음. 이때관측된파장의변화를통해수면파발생기의이동속도와수면파의파장변화간의연관성을계산 EYECA (EYS-206), PHYWE (P2133500), PASCO (WA-9899), 세계과학 (SG-9420)
15. Chladni's Figure Transverse Waves, Longitudinal Waves 주파수에따라 Chladni 판에형성되는다양한무늬를확인 2차원의판에서형성되는정상파의형태를이해 2차원판에형성되는정상파의모양과주파수사이의상관관계를이해 다양한형태의판 ( 사각형, 원형 ) 의중심에진동발생장치를연결하여판이진동하도록하고그위에모래를뿌려서모래가진동의형태에따라특정한형태의패턴을형성하도록함 판위에특정주파수에의해 2차원형태의정상파가형성되면, 이때진동이큰배부분의모래는튕겨나가고진동이없는골의위치에는모래가남아진동수에따른특정패턴이형성됨 2차원판에형성되는 Chladni 모형은수학적으로는 Bessel 함수와주어진판의모양에의해결정되는 Boundary Condition에크게영향을받게된다. 이러한사실을연계함으로써 Special Function이물리에서중요한이유를생각해보고, 앞으로다루게될수학의다양한측면을확인해볼수있다 사진출처 http://www.phywe.com/461/pid/29141/chladnische-klangfiguren-.htm
PHYWE (P2150515 또는 P2150501), PASCO (WA-9607), 16. Speed of Sound in Air Transverse Waves, Longitudinal Waves 음파의공명조건을이해하고, 이를통해 longitudinal wave의특성을이해 공명하는음파의파장과, 진동수그리고속도사이의상관관계이해 음파가공명하는조건으로부터음파의속도를계산 (1) 관을이용한공명장치를이용한실험 유리관의한쪽끝에는음파를발생시키는장치를놓고다른쪽에는음파의공명에따른음파의세기를측정할수있는장치를배치하여다양한주파수의음파가관을통과할때관의크기에따라공명이발생하는조건을찾음 공명이발생하는조건에해당하는주파수와관의길이를통해계산되는음파의파장을통해음파의공기중에서의속도를계산
(2) 기주공명실험장치를이용한실험 관의아래쪽을막아물을가득채운상태에서부터조금씩물을빼가면서실험을진행 주파수가정해져있는하나의소리굽쇠를이용하여물이빠져나간공간에서의음파의공명을측정하여공명이발생하는파장의조건을실험을통해확인 주어진소리굽쇠가발생시키는음파의주파수와실험을통해얻어지는조건에따라결정되는음파의파장의관계를이용하여공기중에서의음파의속도를계산 (3) 실험의변형 음파의속도를알고있다고가정할때, 하나의관을이용하는대신, 소리라는파동을두개의다른길이를가지는금속관을통과시킨후합쳐질때발생하는 interference를이용하여사용된음파의파장을확인하는실험으로대체해볼수있음 실험을대체하는경우, 금속관의길이를변화시키면서음파의중첩을측정하는 interferometry set-up을이용하는실험이됨 PHYWE (P2150615, P2150715), EYECA (EYS-202, EYS-205), 세계과학 (SG-5410, SG-5412, SG-7410), PASCO (WA-9612) 17. Microwave Experiment
Transverse Waves, Longitudinal Waves 마이크로파에서정상파형성원리이해 마이크로파의특성을이해하고이를통해 transverse wave 의특성을이해 transverse wave 의특성인편광이해 파동모델과전자기파사이의연관성을이해 마이크로파발생장치와마이크로파측정장치를마주보게한상태에서둘사이의간격을조절해가면서정상파가형성되는조건을확인하고, 이를통해마이크로파의주파수를계산 마이크로파가정상파를형성하고있을때, 발생장치와측정장치사이에반사판이나격자판등을놓아마이크로파가반사되거나, 완전히막히는등일반적인파동의특성을그대로가지고있음을실험을통해확인 격자판을이용해발생한마이크로파가특정한방향성을가지는진동을가지고있음을확인하고, 그진동방향을찾아봄 광학에서빛을이용한영의이중슬릿실험과같은형태의간섭계를마이크로파를이용하여구현하여간섭현상을확인하고, 이때얻어지는간섭조건을이용해마이크로파의파장을계산 PASCO (WA-9316), 세계과학 (SG-7744), PHYWE (P2450400, P2450600)
18. Thermal Expansion of Solid Thermodynamics, Kinetic Theory of Gas 다양한물체의열팽창의원리이해 고체막대의선팽창계수를실험을통해확인 기체의부피팽창계수를실험을통해확인 선팽창계수와부피팽창계수간의상관성이해 온도변화에따른고체막대의길이변화를적당한온도볌위내에서온도변화대비길이변화의비례상수를측정함으로써확인 이때사용되는금속막대는막대전체에걸쳐고른온도변화를주기위해관의형태를띄며, 이관의내부로적정온도의증기를통과시킴으로써막대의온도를조정함. ( 혹은, 증기를이용하는대신전기에너지를이용하여온도를조절하는방법을사용하기도함.) 선팽창의정도는극히작기때문에마이크로미터단위의길이변화를측정할수있는다이얼게이지를이용하여팽창혹은수축한길이를측정 PHYWE (P2310100), EYECA (EYS-404), 세계과학 (SG-7312), PASCO (TD-8558A 또는 TD-8578)
19. Electrical Equivalent of Heat Thermodynamics 에너지와에너지교환의기본개념이해 전기에너지에의해발생하는열량을측정하여열의일해당량을계산 ( 전기 ) 열량계의물해당량을먼저측정함. 열량계의온도를측정하고, 준비된질량과온도의물을 ( 전기 ) 열량계에부은후평형상태에서의온도를측정함으로써 ( 전기 ) 열량계의물해당량을계산할수있음 이후, 일정량의물을넣고, 전원을통해일정한전류와전압을걸어주어전기적에너지가물로전달되는과정이서전기적에너지에의한열량을물에가해준시간과, 이에따른물의온도변화를측정하여열의전기적에너지의일해당량을계산하게됨 실험이진행되는과정에서열량계내부의물이잘섞여빠른시간안에열평형을이룰수있도록천천히저어주는과정을반복해야함 또한, 계산의편의를위해서는전류계를지속적으로관찰해서변화하는전류를계속같은값이되도록유지시켜주는것이좋음 전기를이용하는것이아닌좀더고전적인줄의실험과유사한역학적에너지에의해발생하는열량을측정하는방식을사용할수도있음. 이경우는크게물을사용하는경우와금속사이의마찰을사용하는경우로나뉨
PASCO (EX-5525), EYECA (EYS-401, EYS-402), PHYWE (P2330200), 세계과학 (SG-5320) 20. Specific Heat Thermodynamics, Kinetic Theory of Gas 물체의열에너지와온도사이의상관관계를이해 물열량계의작동원리이해 금속의온도변화에따른열에너지변화를물과의열평형을통해계산하고이를이용해금속의비열측정 물열량계를이용한실험 먼저주어진물용량계의물해당량을측정하여확인함 정확한질량을알고있는금속과정확한질량과온도를알고있는일정량의물을준비한후, 온도를높인금속을물에잠기게하면둘사이에열에너지가교환되어열평형을이루게됨. 이때의온도를측정하여금속의비열을계산. 비열의계산은앞서측정된물해당량값을이용하게됨.
물용량계는단열이잘되어있어야에너지의손실을최소화할수있음. 금속의온도를올릴때는증기를이용하거나전기적인방법을사용하게되며, 물에담그기전에는금속의온도가특정온도에서열평형상태를이루어더이상금속의온도가변화하지않을때까지기다린후에물에넣도록함. 금속대신기체의비열을측정하는실험으로대체가능함. 세계과학 (SG-5306U), EYECA (EYS-403), PHYWE (P2320201, P2330101 또는 P2330111) 21. Latent Heat of Transformation Thermodynamics, Kinetic Theory of Gas 숨은열의개념이해 얼음이물로위상이변화하는과정을통해얼음의융해열측정 상전이를하는과정에서열평형이이루어지는온도에따른열에너지의계산방식을이해
온도계가달린열량계에정량의물을준비하고, 그안에온도를알고있는소량의얼음을넣어최종적으로열평형이되었을때의온도를통해얼음의융해열을계산 2-3 회의반복실험을통해얼음의숨은열을얻게되면이를이용해주어진온도와질량의물을이용해녹일수있는얼음의양을추론해보고, 실험을통해이를확인 단열이잘되는기본적인형태의열량계와온도계를이용 22. The Ideal Gas Law Thermodynamics, Kinetic Theory of Gas 기체의상태방정식을실험을통해확인 실험을통해얻어지는관계식을이용해이상기체상수를확인 실험은사용하는기체의압력, 온도그리고부피를측정할수있는실험장비를이용하지만, 실제의실험은이세개의변수중하나의변수를고정한상태에서수행하고그결과를취합하여최종적으로이상기체상수를계산함
(1) 보일의법칙실험 기체의온도를고정시킨상태에서부피와압력을변화시켜가면서두물리량사이의관계를실험을통해확인 (2) 샤를의법칙실험 기체의부피를고정시킨상태에서압력과온도를변화시켜가면서두물리량사이의관계를실험을통해확인. (3) 가이 - 루삭의법칙실험 기체의압력을고정시킨상태에서부피와온도를변화시켜가면서두물리량사이의관계를실험을통해확인. 실험의여건상세가지실험이모두가능하지않은경우에는이중두가지의실험을통해이상기체상수를계산하여도됨. 추가실험의예 : C V 와 C P 의측정을통해두값의비인 g 를계산하고다른종류의가스에대해값이달라지는이유에대해고찰해봄. PHYWE (P2320101), EYECA (EYS-405), PASCO (TD-8596A)