이 실험 소개
이상적인 용수철에 질량을 매달고 얼마나 늘어나는지 측정하세요. 힘-늘어난 길이 점을 여러 개 기록한 다음, 용수철 강성을 바꾸어 기울기를 비교하세요. 용수철 그림은 평형 위치를 나타내며, 질량이 안정될 때까지 움직이는 모습은 보여 주지 않습니다.
학습 목표
- 평형 상태에서 매단 물체의 무게와 용수철이 늘어난 길이의 관계
- 힘-신장 그래프의 기울기에서 스프링 강성을 구합니다
- 늘어난 스프링에 저장된 에너지를 계산합니다
사용 방법
- 1강성을 20 N/m로 유지합니다. 질량을 0으로 설정하고 해당 지점을 기록합니다.
- 2질량을 0.50, 1.00, 1.50 kg으로 늘리면서 각 힘과 신장을 기록합니다.
- 3질량이 0이 아닌 각 지점에서 힘을 신장으로 나누어 계산합니다. 그 값을 선택한 강성과 비교합니다.
- 4기록한 지점은 그대로 두고 강성을 높인 다음, 새 직선을 기존 측정값과 비교합니다.
모델
가정
- 스프링은 질량이 없으며 표시된 모든 신장 범위에서 선형 힘 법칙을 따릅니다. 실제 스프링에는 제한된 탄성 범위가 있습니다.
- 표시되는 각 상태는 정적 평형 상태이며, 진동과 감쇠는 시뮬레이션하지 않습니다.
- 매달린 질량은 점 하중이며 중력은 9.8 N/kg로 균일합니다.
수업에서 해 보기
- Q1강성이 20 N/m일 때 1 kg 질량은 얼마나 늘어나야 하나요?
- Q2질량이 일정할 때 강성이 두 배가 되면 신장과 저장 에너지는 어떻게 되나요?
- Q3곡선 형태의 실험적 힘-신장 그래프는 이 모델의 한계를 어떻게 보여 줄 수 있나요?
자주 묻는 질문
더 단단한 용수철일수록 그래프의 기울기가 더 커지나요?
네. 힘은 세로축에, 신장은 가로축에 표시되므로 기울기는 강성 k(N/m)입니다.
시뮬레이션의 용수철은 왜 그렇게 많이 늘어날 수 있나요?
이것은 탄성 한계가 없는 이상적인 선형 모델입니다. 실제 용수철은 크게 늘어나기 전에 영구 변형되거나 끊어질 수 있습니다.