자유낙하운동 실험 및 중력가속도 이론

자유낙하운동 뜻

자유낙하운동 이란 정지되어 있던 물체가 중력을 받아서 속력이 커지며 지면을 향해 떨어지는 운동입니다. 공기 저항을 무시할때 중력가속도는 일정합니다. 지구 중심에 가까울수록 지구가 물체를 잡아당기는 만유인력이 커지므로 중력은 일정한 크기 힘이라고 할 수 있는데 나무에 떨어지는 사과같은 물체는 일정한 크기 중력을 받으며 지면을 향해 떨어지며 공기저항을 무시하면 물체는 지면을 향해 직선운동을 합니다. 자유낙하운동 실험 및 중력가속도이론 대해 알아보겠습니다.

 

낙하선 사진

중력가속도 이론

중력 크기는 물체 질량에 비례하는데 무거운 물체에 더 큰 중력이 작용합니다. 무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어지지 않으며 운동의 제 2법칙을 보면 힘과 질량이 비례해서 가속도 a는 물체 질량에 상관없이 일정합니다. 

중력에 의한 일정한 가속도를 중력가속도 g라고 하며 모든 물체에 동일해서 공기 저항 무시할 때 물체는 질량에 상관없이 같은 시간동안 같은 높이로 떨어집니다.

 

공기저항이 없을 때 공기 중에서 가만히 놓은 물체가 아래 방향으로 떨어지는 운동이 자유낙하운동이며 자유낙하운동 속력은 중력가속도에 시간을 곱해서 나타냅니다.

중력에 의한 자유낙하운동

지구 중심에 가까울수록 만유인력 법칙이 커지므로 엄밀히 일정한 크기의 힘이라 할 수 없지만 지구 표면 근처에서 물체가 낙하하면 지구 반지름에 비해 이동거리가 짧아서 중력 크기 변화를 무시할 수 있습니다.

등속운동은 물체의 속력이 일정한 운동이며 일정 시간 간격으로 촬영 시 물체와 물체 사이 간격이 일정합니다. 시간-이동 그래프는 증가하는 직성형태이며 시간-속력 그래프는 나란한 직선 형태입니다. 

자유 낙하 운동 실험

자유낙하운동 실험장치 로는 자유낙하 하는 물체의 섬광사진을 주고 분석하는 탐구활동을 주로 하는데 주어진 사진을 분석하는 것도 의미 있지만 조금 욕심을 내서 탁구공을 직접 자유낙하 시켜보고, 그것을 촬영해서 섬광사진을 만들어 보는 실험까지 하는 경우도 있습니다.

자유낙하운동 실험 시 직접 촬영하고 싶을 때는 스마트폰에서 슬로우 모션으로 촬영하고, 모션샷과 같은 앱을 이용하면 어느정도 근사한 자유낙하 운동 섬광시진 촬영이 가능한데 스마트폰 사양이나 여러가지 이유로 실제 사진을 원하는 형태로 깔끔하게 촬영하기가 쉽지 않습니다.

자유낙하운동 실험 준비물

• 핸드폰
• 공
• 자
• 아이폰 - hdmi 어댑터

자유낙하운동 실험방법

각 구간마다 속력은 어떻게 될지 얼마나 빠르게 될지 등 질문으로 목표를 상기시키는 것이 좋고 카메라 연속촬영을 통해 떨어지는 물체가 떨어지면 연속 5장 사진을 선택해서 저장합니다. 표를 이용해 구간의 속력을 구해보고 이를 바탕으로 자유낙하운동 그래프 그리며 평균 속력을 구하면 됩니다. 

자유낙하운동 탁구공

수직낙하운동 실험 시 자유낙하 운동을 분석하기 쉽도록 자유낙하 운동 섬광사진 모형을 만들어 보는 것이 좋으며 탁구공과 실을 이용해서 실제 시간당 이동거리 만큼 계산해서 탁구공과 탁구공 사이를 실로 연결해서 섬광사진 모형을 만들면 좋고  자유낙하운동 실험 시 칠판앞에 모형을 늘어뜨려 제시해 주면 사진을 찍어서 분석만 하면 됩니다. 탁구공 직경이 4cm 이기 때문에 실을 탁구공과 탁구공 사이에 연결할 때는 탁구공 직경(4cm) 만큼 빼는 것이 좋습니다. 

 

자유낙하운동 분류

• 등가속도 직선운동 : 가속도 크기 및 방향이 일정한 운동이며 일정 크기의 힘이 운동방향과 같은 방향으로 작용할 시 물체는 이런 운동을 하게 됩니다.
• 만유인력 : 우주 상 모든 물체 사이에 작용하는 서로 끌어당기는 힘입니다.
• 중력 : 지구 자전에 의한 원심력을 합한 힘으로 지표 근처 물체를 연직 아래 방향으로 잡아 당기는 힘입니다.