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뉴턴의 운동 법칙

Overview

출처: 앤드류 더피, 박사, 물리학과, 보스턴 대학, 보스턴, 석사

이 실험은 상호 작용하는 두 개체와 관련된 다양한 상황에서 검사합니다.

먼저 실험에서는 두 개체가 충돌하는 동안 서로 적용되는 힘을 검사합니다. 오브젝트는 가변 질량이 있는 바퀴달린 카트입니다. 이 실험의 목적은 두 번째 카트가 첫 번째 카트가 첫 번째 에 다시 발휘하는 힘과 동일한 크기와 이 두 힘이 다른 크기를 갖는 경우와 동일한 크기인 경우를 발견하는 것입니다.

둘째, 한 카트가 두 번째 수레를 밀거나 당길 때 두 오브젝트가 서로 가하는 힘을 검사합니다. 다시 말하지만, 두 세력의 진도가 같고 크기가 다른 상황을 탐구하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

Principles

이 실험의 주요 목표는 뉴턴의 세 번째 법칙을 탐구하는 것입니다.

이 장치는 두 개의 카트로 구성되어 있으며, 각각 위에 힘 센서가 장착되어있습니다(그림 1). 힘 센서는 전용 컴퓨터 인터페이스를 통해 컴퓨터에 연결됩니다. 각 힘 센서는 충돌 또는 푸시/풀 상황에서 다른 힘 센서가 가하는 힘을 측정합니다.

Figure 1
그림 1. 기본 설정입니다. 장치의 주요 구성 요소는 두 개의 바퀴달린 카트이며, 각각 위에 힘 센서가 장착되어 있고 컴퓨터 인터페이스가 있습니다.

Procedure

1. 충돌 상황

  1. 고무 범퍼(그림1)를각 힘 센서에 나사로 고정합니다.
  2. 50-N 설정에 각 힘 센서를 설정합니다.
  3. 데이터 수집을 시작하는 녹색 화살표 옆에 있는 "제로" 버튼을 눌러 각 시험 전에 힘 센서를 0으로 설정합니다.
  4. 양수방향(즉, 오른쪽)이 각 힘 센서에 대해 적절하게 정의된지 확인합니다.
    1. 카트 오른쪽에 장착된 힘 센서를 밀어 넣습니다. 이것은 긍정적 인 힘 판독을 초래할 것이다. 카트 왼쪽에 장착된 힘 센서를 밀어 넣습니다. 이것은 부정적인 힘 판독귀착될 것입니다.
    2. 둘 다 잘못된 경우 카트의 위치를 되돌리기만 하면 됩니다.
  5. 하나만 잘못하면 "실험 메뉴"로 이동하여 "설치 센서"를 선택합니다. 적절한 힘 센서를 선택하고 "역방향"을 선택합니다.
  6. 첫 번째 충돌은 동일한 질량의 카트를 포함한다. 충돌 전에 하나의 수레를 고정하도록 지정합니다. 다른 카트에는 고정 된 카트쪽으로 초기 속도가 주어지므로 카트가 충돌합니다.
  7. 한 장바구니를 다른 카트쪽으로 밀어붙이기 전에 "수집" 버튼(녹색 화살표)을 누르세요. 한 장바구니에 작은 삽을 주고, 수레를 풀어주고, 충돌을 관찰한다. 약 8~20N 사이의 피크 포스 값은 일반적인 시험에서 관찰되어야 합니다. 최대 힘 값이 이 범위보다 훨씬 작거나 훨씬 크면 푸시를 조정합니다.
  8. 충돌 후, 컴퓨터는 각 힘 센서에 의해 기록된 대로 "힘 대 시간"의 그래프를 표시합니다.
    1. 그래프가 나타나지 않으면 트리거를 반전합니다.
    2. "수집" 버튼을 누친 후 힘 센서 중 하나가 특정 트리거 수준 위(또는 아래) 값을 기록할 때까지 실제로 데이터가 기록되지 않습니다. 그러나 트리거 레벨이 양수 값으로 설정되고 힘 센서가 음수 힘 값만 제공하거나 그 반대의 경우도 마찬가지인 경우 컴퓨터는 데이터를 기록하라는 신호를 받지 못합니다.
    3. 트리거 설정을 확인하거나 되돌리려면 "데이터 수집" 아이콘("Zero" 버튼의 왼쪽)을 누르고 "트리거링" 탭을 선택합니다.
  9. 이 실험에 사용된 두 가지 옵션은 "0.2 N을 가로질러 증가"와 "-0.2 N을 가로질러 감소"입니다. 이러한 설정 중 하나가 필요한 트리거링을 일으키지 않으면 다른 설정으로 전환합니다.
    1. 두 번째 충돌에서 고정 카트는 충돌 전에 움직이는 카트질량의 2-3배를 가져야 합니다. 이를 위해 고정 된 카트에 하나 이상의 가중치를 추가합니다. 프로세스를 반복합니다(아래 단계 참조).
    2. 충돌 전에 고질량 카트를 고정하도록 지정합니다.
    3. "수집" 버튼을 누르고 저질량 카트를 높은 질량 카트쪽으로 누립니다.
    4. 컴퓨터에 두 개의 "힘 대 시간" 그래프가 표시됩니다.

세 번째 충돌에서 충돌 전에 이동하는 카트는 고정 카트의 질량의 2-3배를 가져야 합니다. 한 카트에서 다른 카트로 여분의 무게(들)를 전송하여 이를 달성하십시오. 충돌을 수행하고 데이터를 수집하는 과정을 반복합니다.

2. 상황을 밀고 당기는 상황

  1. 각 힘 센서의 고무 범퍼를 후크로 교체합니다.
  2. 카트를 함께 연결하여 한 장바구니를 다른 카트를 밀거나 당길 수 있습니다.
  3. 1.8 단계에서 설명된 대로 트리거링 상태를 반전합니다.
  4. 동일한 질량의 카트로 시작합니다.
  5. "수집" 버튼을 누르세요.
  6. 카트 중 하나를 당기거나 밀어 다른 수레를 당기거나 밀어 넣거나 앞뒤로 흔들어 당기고 밀어 넣습니다.
  7. 다른 카트의 질량의 2-3배를 당기거나 밀어붙이는 수레를 준다. 데이터 수집 프로세스를 반복합니다.
    1. 이 푸시/당기기 시나리오에 대해 "힘 대 시간" 데이터를 기록합니다.
  8. 다른 카트의 질량의 2-3배를 당기거나 밀어내는 카트를 제공합니다. 데이터 수집 프로세스를 반복합니다.
    1. 이 푸시/당기기 시나리오에서 "힘 대 시간" 데이터를 기록합니다.
Results

뉴턴의 세 번째 법칙에 따르면 두 개체가 상호 작용할 때마다 두 번째 개체는 첫 번째 개체가 두 번째 개체가 발휘하는 힘과 반대로 크기와 반대되는 첫 번째 개체에 힘을 발휘한다고 명시합니다. 이것은 상태하는 것은 간단하지만 받아들이기 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 더 큰 오브젝트가 더 작은 오브젝트에 가해지는 힘이 더 큰 오브젝트에 다시 가해지는 힘보다 크다고 가정하는 경우가 많습니다.

Figure 2
그림 2. 첫 번째 충돌의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.

Figure 3
그림 3. 두 번째 충돌의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.

Figure 4
그림 4. 세 번째 충돌의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.

Figure 5
그림 5. 첫 번째 밀기/당기기 상황의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.

Figure 6
그림 6. 두 번째 밀기/당기기 상황의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.

Figure 7
그림 7. 세 번째 밀기/당기기 상황의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.

Application and Summary

이 실험에서 해결된 개념, 즉 모든 상호 작용에서 한 개체가 다른 개체에 적용되는 힘은 크기가 같으며 첫 번째 개체에 다시 적용되는 힘과 방향의 반대는 많은 응용 프로그램이 있습니다. 예를 들어, (1) 태양이 지구에 적용되는 중력은 지구가 태양에 적용되는 중력과 동등하고 반대입니다. (2) 지구가 달에 적용되는 중력력은 달이 지구에 적용되는 중력과 동등하고 반대이다. (3) 지구가 사과에 가해지는 중력은 사과가 지구에 적용되는 중력과 동등하고 반대이다. (4) 거리에서 자동차와 트럭 사이의 충돌이나 두 축구 선수 사이의 충돌에서, 힘은 대중이 비교하는 방법에 상관없이, 항상 동등하고 반대입니다. (5) 사람이 바닥에 서 있거나 의자에 앉으면, 바닥이나 의자옆에 의해 그 사람에게 가해지는 힘은 사람이 바닥이나 의자에 가하는 힘과 는 다정합니다.

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Overview

1:04

The Laws of Motion

3:57

Set-up

5:40

Collision Between Carts of Equal Mass

6:48

Collisions Between Carts of Unequal Mass

8:33

Applications

9:51

Summary

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