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관성의 법칙 실험
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관성의 법칙 실험
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관성의 법칙 실험 보고서 레포트
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[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 11.관성
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![[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 11.관성](https://dimg.donga.com/a/510/0/90/5/wps/NEWS/IMAGE/2016/05/10/78009357.1.jpg)
관성 법칙(law of inertia) | 과학문화포털 사이언스올
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관성의 법칙
관성 (inertia)
• 물체에 작용하는 힘의 총합이 0일 때, 운동의 상태를 유지하려는 경향 (=운동 상태를 바꾸지 않으려는 경향)
• the resistance of any physical object to any change in its state of motion
관성의 법칙 = 운동의 1법칙 = 뉴턴의 1법칙
• 외부의 힘이 작용하지 않으면 정지해 있는 물체는 정지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 계속 같은 속도로 운동하려고 한다.
하지만, 책상 위에 있는 책은 계속 정지하려고 한다. 내가 힘을 가할 때 비로소 움직이고, 힘을 가하지 않으면 바로 정지한다. 그러니 외부의 힘이 작용하지 않으면 ‘운동하고 있는 물체는 결국 정지하려고 한다.’가 맞는 말이 아닌가?
이렇게 관성을 정지하려는 경향으로 잘못 생각하는 사람도 많다. 위의 비디오를 보면 구슬이 굴러가는 실험도 구슬이 결국 정지하는 것을 보면서 그게 관성의 법칙이라고 착각할 수도 있겠다.
구슬이 굴러가는 실험 = 갈릴레이 관성 실험
갈릴레이 실험은 그림처럼 A,B,C 가 점점 더 멀리가는 걸을 볼 때, D 는 무한히 가야한다는 생각이다.
우리가 힘을 주지 않아도 움직이는 물체 즉, 운동하고 있는 물체는 계속 움직인다고 생각하는 게 맞다는 주장이다.
그 주장이 맞다면 운동하고 있는 물체가 정지하는 이유가 무엇인가라고 반문할 수 있다. 그건, 우리가 힘을 주지 않아도 자연의 법칙속에서 우리가 모르고 있는 힘이 작용하여 운동상태를 변화시키고 있다는 설명한다. ( 이미 물리를 제대로 배운 사람이라면 마찰력이란 힘이 작용하기 때문이라고 알고 있을 것이다.)
물체는 관성이란 성질이 있기 때문에 운동의 상태를 유지하려고 하며,
정지하고 있는 물체가 정지해 있고, 운동하고 있는 물체는 계속 같은 속도로 운동하려고 한다는 운동의 법칙(관성의 법칙)이 있다는 것이다.
관성의 법칙을 이해하는데 혼란을 주는 것은 실제 세계에서는 ‘외부의 힘이 작용하지 않으면’이란 조건이 대부분 맞지 않기 때문이다. 관성의 법칙의 예로 설명하는 것들도 대부분 외부의 힘 때문에 나타나는 변화들이 많이 포함되어 있는데, 그런 설명이 빠져 있는 것이 많다.
‘외부의 힘이 작용하지 않으면’에 가장 잘 맞는 것은 아마도 지금도 계속해서 우주를 향해서 날아가고 있을 보이저 1호, 보이저 2호 탐사선이 아닐까 싶다. (이 탐사선들도 태양의 아주 약한 힘을 받고는 있다.)
(다른 예들은 중력, 마찰력, 장력의 영향들이 복합적으로 섞여 있어서 설명을 잘 하지 않으면 여전히 관성의 법칙을 오해하기 쉽다. 관성의 법칙의 오해는 별도로 다루어 볼 생각이다.)
나중을 위해 한 가지 더 강조할 것은 ‘같은 속도로‘ 이다. 속도가 같으려면 속력도 같고 방향도 같아야 한다. 따라서, 직선으로 움직여야한다. 원운동하던 물체가 외부의 힘이 작용하지 않는다면 관성의 법칙으로 원운동을 유지한다고 생각해도 틀린 생각이다.
관성이 크다면 정지하고 있는 것은 (관성이 작은 것에 비해) 더 안 움직이려고 할 것이고, 일정한 속도로 움직이고 있는 것이라면 속도가 (관성이 작은 것에 비해) 더 안 변하려고 할 것이라는 것이다. 그런 관성의 크기에 관한 이야기가 뉴턴의 2법칙이다.
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관성의 법칙 실험 보고서 레포트
소개글 “관성의 법칙 실험 보고서”에 대한 내용입니다.
목차 Ⅰ. 실험 목적
Ⅱ. 이론
1. 뉴턴의 제1법칙(Lex Prima) : 관성의 법칙
2. 등속도 운동(uniform motion)
3. 마찰력
Ⅲ. 실험 과정
Ⅳ. 실험 조건
Ⅴ. 측정 값
Ⅵ. 실험 결과
Ⅶ. 질문에 대한 검토
1. 카트의 속도가 점차 느려져 멈춘 구간의 속도 구간의 가속도를 확인해 본다.
2. 이제 세번째 실험 결과(마찰패드가 트랙에 닿은 실험)를 나타낸다. 이 실험의 카트의 가속도는 처음 실험의 카트의 가속도와 어떻게 다른가?
3. 마찰 패드가 트랙에 닿지 않을 때 카트의 속도 변화율이 0이 되지 않는 사실을 어떻게 설명할 수 있는가?
Ⅷ. 토의
본문내용 Ⅰ 실험 목적
1. 일반형 카트에 달린 마찰 패드의 변화를 주면서 관찰하고, 이를 통해 관성의 법칙을 이해 할 수 있다.
2. 시간당의 위치, 속도, 가속도의 그래프에서 기울기가 무엇을 의미하는지 알 수 있다.
Ⅱ 이론
1. 뉴턴의 제1법칙(Lex Prima) : 관성의 법칙
외부로부터 아무런 힘이 작용하지 않을 때 정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 등속 직선 운동을 계속하려는 성질이 있다. 이렇게 물체가 외부로부터 힘을 받지 않을 때 처음의 운동 상태를 계속 유지하려는 성질을 “관성” 이라고 한다.
관성의 예) 빗면실험
마찰이 없는 홈이 파진 두개의 경사면을 만든 후 구슬을 굴러보면 구슬의 높이는 굴린 높이 와 똑같은 높이 까지 올라간다. 만약 한쪽을 평면으로 만들고 마찰이 없다면 무한히 굴러간다는 관성의 개념에 접근 하는 것 즉, 외부에서 다른 힘이 존재 하지 않는다면 처음의 운동상태를 계속 유지 한다는 것이다.
2. 등속도 운동(uniform motion)
등속도 운동은 “균일한 운동(uniform motion)”을 가리킨다. “균일한 운동”은 물체의 운동 속도가 일정한 것을 나타내는데, 속도가 “벡터양” 이므로 속도의 크기와 방향이 모두 일정하다는 것을 의미한다. 속도가 일정한 운동. 등속도 운동을 하는 물체는 외력이 작용하지 않는 한 등속도 운동을 계속한다. 다른 말로는 물체의 속력과 운동방향을 합해서 속도의 값이 한 개의 값으로 일정하게 유지되는 운동을 의미한다. 즉, 운동하는 물체에 가해지는 힘의 총합이 0인 경우 (∑▒F = 0)물체는 속도 변화 없는 등속도 운동을 한다. 식으로 표현하면 S (이동한거리)=V(속력)*T (시간)을 뜻한다.
예) 등속도 운동의 예는 실질적으로 구현하기 힘들다. 그렇기 때문에 고등학교 때 실험을 통한 시간 기록계에 종이테이프를 넣고 실험하는 방법으로 확인 할 수 있다.
[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 11.관성
안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
버스나 지하철을 탈 때에 몸이 앞이나 뒤로 쏠리게 되는 느낌 받아본 적이 있으신가요? 넘어지지 않으려 손잡이를 잡고 버텨도 나도 모르게 기울어지는 몸. 그 이유는 무엇일까요? 오늘 시간 관성을 통해 알아보겠습니다.
[관성의 법칙]관성이란, 외부로부터 물체에 어떤 힘이 작용하지 않는 한, 그 물체가 자신의 운동 상태를 계속해서 유지하려고자 하는 성질을 뜻합니다. 즉 정지한 물체는 정지 상태를, 운동하는 물체는 운동 상태를 계속 지속하고자 하는 것입니다.
이 관성의 법칙은 1687 아이작 뉴턴이 자신의 저서 [프린키피아]를 출판하며 알려지게 되었습니다. 관성의 법칙은 그가 발표한 운동의 세 가지 법칙 중 첫 번째로 소개되어 ‘뉴턴의 운동 제1법칙’ 이라는 이름으로 불리기도 합니다.
뉴턴은 갈릴레오 갈릴레이의 사고실험에서 힌트를 얻어 이와 같은 법칙을 발견하게 되었습니다.
[갈릴레이의 사고 실험]사고실험이란 실제로 만들 수 없는 장치나 조건을 머릿속에서 생각으로 진행하는 실험을 말합니다.
오래전 갈릴레오 갈릴레이는 하나의 실험을 머릿속으로 그려보았습니다. 바로 마찰이 없는 공간에서 물체의 운동에 관한 것이었습니다. 본래 물체는 힘을 받아 운동하게 된다고 하더라도 물체와 접촉면 사이에 발생하는 마찰력 때문에 정지하게 됩니다. 그러나 만일 이 마찰력이 하나도 존재하지 않는 공간이 있다면 어떻게 될까요? 갈릴레이는 머릿속 실험실에서 빗면과 공을 준비했습니다. 그리고 빗면위에 공을 굴려보았습니다. 처음 가해진 방향대로 굴러가는 공. 갈릴레이는 마찰력이 작용하지 않는 한 이 공은 영원히 등속직선운동을 계속하게 될 것이라고 생각했습니다.
지금도 갈릴레이가 굴렸던 그 공은 어딘가에서 등속직선 운동을 하고 있을지도 모릅니다. 이처럼 고집스럽게 자신의 운동상태를 유지하고자 하는 예는 무엇이 있을까요? 실험을 통해 만나보겠습니다.
관성 실험 : 종이 위의 동전 / 수레의 출발 / 추에 달린 줄
1. 종이 위의 동전
: 입구가 커다란 통 위에서 실험을 실시한다.
종이위에 동전을 올려놓고 종이를 움직이는 속도를 다르게 하여 동전을 관찰한다.
-종이의 속도가 빠른 경우
: 종이에 빠르게 힘을 가하면 동전은 원래 상태(정지상태)를 유지하고자 하는 관성
종이가 사라진 뒤에는 중력의 힘에 의해 통 아래로 떨어지게 된다.
– 종이의 속도가 느린 경우
: 종이에 느리게 힘을 가하면 동전과 종이가 동시에 힘을 받기 때문에 힘을 받은 방향으로 같이 움직이게 된다.
2. 수레의 출발
: 인형이 탑승한 수레의 앞쪽에 실을 매달고 당겨본다.
인형의 위치가 어떻게 바뀌는지를 관찰한다.
– 수레의 출발
: 수레의 앞쪽에 매달린 실을 잡아당기면 인형은 수레의 이동방향과 반대방향으로 넘어지게 된다.
이는 수레를 끄는 힘을 가했을 때 수레와 인형의 발은 그 힘을 직접적으로 받지만 상대적으로 거리가 먼 머리쪽은 힘을 받지 않기 때문에, 본래상태로 정지하고자 하는 관성에 의해 뒤쪽으로 넘어지게 된다.
버스가 출발할 때 버스의 출발 방향과 반대방향으로 몸이 쏠리는 현상을 비유할 수 있다.
반대로 버스가 급정차 할때에는 버스가 멈춰도 탑승객은 계속 앞으로 운동하고자 하는 관성으로 몸이 출발방향과 같은 방향으로 쏠리게 된다.
3. 추에 달린 줄: 추의 위 아래에 모두 실을 연결하여 스탠드에 매달아 둔다.속도를 달리하여 추의 아래쪽 실을 잡고 잡아당긴 후 끊어진 실이 어느쪽인지 관찰한다.
– 실을 잡아당기는 속도가 빠른 경우
:실을 재빨리 잡아당기면 추는 원래 상태(정지 상태)를 유지하려는 관성작용으로 아래쪽 실이 끊어진다.
– 실을 잡아당기는 속도가 느린 경우
: 실을 느리게 잡아당기면 추의 아래쪽 실과 추 그리고 추의 위쪽 실까지 힘이 전달되기 때문에 위쪽 실이 끊어진다.
그밖에 예
스포츠에서 만나는 관성의 세계
1. 해머던지기 [ hammer throw ] : 육상경기의 투척종목중 하나로 해머를 회전시키다 던져 해머가 떨어진 길이를 경쟁하는 경기
선수가 해머를 회전시켜 던지게 되면 해머는 운동하려는 성질을 유지하고자 날아간다.
2. 사이클 [ cycling ] : 사람의 힘으로 자전거를 움직여 속도 경쟁에 임하는 경기
사이클의 페달이 어느 정도 회전한 상태가 되면 발돋움을 하지 않아도 계속 앞으로 진행한다.
3. 육상 경기 [ athletics ] : 달리고 뛰고 던지는 인간의 가장 기본적인 움직임을 토대로 트랙 ·필드 ·도로 및 혼성종목을 총괄한 경기
이중 달리기 경주에서 달리기 선수가 결승선을 통과한 후에도 바로 멈추지 못하고 달려나가는 모습에서 운동하던 상태 그대로 운동하고자 하는 관성의 법칙을 발견할 수 있다.
출처= 이투스me 안현정 강사
동아닷컴 교육섹션 정민아 기자 [email protected]
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