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일반물리학 실험 - 역학적 에너지 보존
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1. 실험제목 역학적 에너지 보존
2. 실험목적
물체가 경사진 면을 미끄러질 때 일어나는 에너지 변환을 체험하면서 그 때의 위치에너지의 손실과 운동에너지의 이익이 서로 같아짐을 확인하여 역학적 에너지 보존법칙이 성립함을 알아본다.
3. 이론
운동 에너지(kinetic energy)란 운동하는 물체가 가지고 있는 에너지를 말한다. 물체의 운동 상태를 결정하는 것은 그 물체의 질량과 속도이다. 따라서 이 두 가지가 운동 에너지를 결정하게 되고 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.
위치 에너지(potential energy)란 어떠한 힘이 작용하는 공간에서 특정한 기준점에 대한 물체의 상대적인 위치에 저장되는 에너지이며, 어떠한 힘이 작용하느냐에 따라 그 내용이 다르다. 일반적으로 질량m 인 물체가 기준점에서 h만큼의 높이에 있을 때, 이 물체는 중력에 의한 위치 에너지를 가지며 그 값은 다음과 같다.
위의 식은 중력 mg가 일정하다고 생각되는 범위, 즉 지구 반지름 r에 비해 높이 h가 훨씬 작은 범위에서만 성립한다.
일반적으로 운동하는 물체의 위치 에너지와 운동 에너지는 외력이 작용하지 않는 상황 하에서는 서로 전환하여 그 합은 항상 일정하게 유지된다. 공기저항을 고려하지 않은 진자의 운동을 예로 들면 추의 운동에너지는 가장 낮은 위치에서 최대가 되고 높은 위치에서는 그 반대가 되어 양쪽 에너지의 합이 일정하게 유지된 채 운동이 계속된다. 이러한 관계를 역학적 에너지의 보존의 원리라 하며 이 원리가 성립하는 역학계를 보존계라 한다.
에너지 보존법칙이 물리학 법칙 중에서 가장 강력한 법칙 중의 하나이지만 증명하기 쉬운 원리는 아니다.
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2014.09.26
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