실험수업 14주차
공기 중 음속 측정 결과레포트
&
실험수업 15주차
열의 일당량 예비레포트
공기 중 음속 측정 결과레포트
√ 실험 결과
(1) 과정 (5)에 의하여 파장 𝝀를 계산하여라.
(실험값 𝝀) = (𝒚1−𝒚0) + (𝒚2−𝒚1) = 𝒚2−𝒚0
1회: 𝝀 = 66.4 – 12.1 = 54.3 cm = 0.543 m
2회: 𝝀 = 66.6 – 12.2 = 54.4 cm = 0.544 m
3회: 𝝀 = 65.8 – 11.9 = 53.9 cm = 0.539 m
4회: 𝝀 = 65.8 – 12.0 = 53.8 cm = 0.538 m
5회: 𝝀 = 65.9 – 11.9 = 54.0 cm = 0.540 m
(2) 식(1)에 의하여 𝒕℃일 떄의 음속 𝒗t를 계산하라.
(실험값 𝒗t) = 𝒇𝝀
1회: 𝑣t = 650Hz * 0.543m = 352.95 m/s
2회: 𝑣t = 650Hz * 0.544m = 353.6 m/s
3회: 𝑣t = 650Hz * 0.539m = 350.35 m/s
4회: 𝑣t = 650Hz * 0.538m = 349.7 m/s
5회: 𝑣t = 650Hz * 0.540m = 351 m/s
(2) 식(5)에 의하여 𝟎℃일 때의 음속 𝒗0을 계산하고 표준 값과 비교하라.
𝒗t = 𝒗0(𝟏 + 𝒕 ℃/𝟐𝟕𝟑)1/2
𝒗𝒕
(실험값 𝒗0) =
1회: 𝑣0 =
2회: 𝑣0 =
3회: 𝑣0 =
4회: 𝑣0 =
5회: 𝑣0 =
√𝟏 + 𝒕 ℃/𝟐𝟕𝟑
352.95 𝑚/𝑠
√1 + 24.1/273
353.6 𝑚/𝑠
√1 + 24.1/273
350.35 𝑚/𝑠
√1 + 24.1/273
349.7 𝑚/𝑠
√1 + 24.1/273
351 𝑚/𝑠
√1 + 24.1/273
퍼센트오차 =
(분자 𝒗𝒕 ⇒ 𝒗t)
= 338.33 m/s
= 339.0 m/s
= 335.84 m/s
= 335.2 m/s
= 336 m/s
I 이론값 − 실험값 I
이론값
× 100
(이론값 𝑣 0) = 331.48 m/s
1회:
338.33 − 331.48
2회:
339.0 − 331.48
3회:
335.84 − 331.48
4회:
335.2 − 331.48
5회:
336 − 331.48
331.48
331.48
331.48
331.48
331.48
* 100 = 2.0665 %
* 100 = 2.2686 %
* 100 = 1.3153 %
* 100 = 1.1222 %
* 100 = 1.3636 %
√ 토의
위 실험에서 0℃일 때의 음속 𝑣 0의 이론값과 실험값에는 1~2%의 작은 오차
가 존재하였다.
우선, 소리가 갑자기 커지는 공명점을 귀로 듣고 판단하였으며, 실험기구가
완벽하게 수평을 이루지 않아 y값을 정확하게 측정할 수 없었을 것이다. 또한,
실험실의 온도가 일정하지 않고 실험이 진행되는 도중 미세하게 변했을 가능
성도 있다.
위의 과정들을 주의해서 실험한다면, 오차를 줄일 수는 있겠지만, 사람도 측
정하는 실험인 이상 실험값과 이론값이 완벽하게 일치하기는 힘들 것이다.
√ 참고 자료
건국대학교 물리학과, 2020년, 일반물리학실험 개정판
열의 일당량 예비레포트
1. 실험 목적
전류가 흘러 도선에서 발생된 열량을 측정하여 열의 일당량을 측정한다.
2. 실험 원리 및 이론
에너지 보존법칙은 에너지의 형태가 변화될 수 있으나 그 때의 에너지 양은 변화되지
않음을 의미한다. 이러한 이유로 역학적 에너지는 열에너지로 열에너지는 역학적 에너지
로 변화시킬 수 있다. 이 경우 1kcal의 열량이 몇 Joule에 해당하는가를 열의 일당량이라
한다. 따라서, 일 W와 열량 Q 사이에는
𝑊 = 𝐽𝑄 ………………………………… (1)
의 관계가 성립하며 이 때 𝐽가 열의 일당량이다. 한편, 저항 𝑅의 저항선에 전류 𝐼가 𝑡
초동안 흐르면 열을 발생시키는데 이때 사용된 전기에너지는
𝑊 = 𝐼2𝑅𝑡 = 𝑉𝐼𝑡(𝐽) ………………………………… (2)
이다. 전기 에너지에 의해 발생된 열은 열량계 속의 물과 용기의 온도를 𝑇 1에서 𝑇 2로
상승시키며 이 열량 𝑄는
𝑄 = 𝐶(𝑚 + 𝑀)(𝑇2−𝑇1) ………………………………… (3)
이다. 여기서 𝑚은 물의 질량, 𝑀은 용기, 교반기 및 온도계 등의 전체 물당량, 그리고
𝐶는 물의 비열로서 1𝑐𝑎𝑙/𝑔℃로 한다. 물당량은 물과 비열이 다른 물질의 비열을 물과 같
다고 할 때, 물의 질량 얼마에 해당하는가를 뜻한다.
위의 식 (1), (2)와 (3)으로부터 열의 일당량은
𝐽=
𝑉𝐼𝑡
(𝐽/𝑐𝑎𝑙)
𝐶(𝑚 + 𝑀) ∙ (𝑇2 − 𝑇1)
=
𝑉𝐼𝑡
× 10 7 (𝑒𝑟𝑔/𝑐𝑎𝑙)
𝐶(𝑚+𝑀)∙(𝑇2−𝑇1)
……………………………
(4)
가 된다. 이론값은 4.186𝐽/𝑐𝑎𝑙로 알려져 있다.
3. 실험 방법
측정을 하는데 열량계의 물당량(𝑀) 측정과 열의 일당량(𝐽) 측정의 두 단계로 나누어서
한다.
실험1. 열량계의 물당량(𝑀) 측정
(1) 상온의 물을 150ml(𝑚2)정도를 전기 열량계에 담고, 전열선에 전기를 공급하여 전열
선에서 발생하는 열에너지에 의해 물의 온도를 상승시킨다.
(2) 물이 온도를 높이는 동안 비키나 메스실린더, 전자저울 등으로 상온의 물
100𝑚𝑙(𝑚1)을 측정하여 비커에 넣고 이때의 온도 𝑇1을 측정한다.
(3) 전기 열량계의 온도계가 상온보다 10℃ 정도 올라간 다음에 전원장치의 스위치를
끄고, 교반기로 몇 차례 저어주어 전체가 일정한 온도에 도달되도록 한다. 온도가 일정
한 평형 상태에 도달했다고 생각되었을 때의 온도 𝑇2를 측정한다.
(4) 과정 (2)의 물을 전기 열량계에 붓는다. 그런 다음 교반기로 천천히 몇 차례 저어
주어 전체가 평형 온도가 되었을 때의 온도 𝑇3를 측정한다.
(5) 온도 𝑇1의 물 𝑚1을 열량계에 부었을 때, 물 𝑚2및 열량계가 방출한 열량은 물 𝑚1이
흡수한 열량과 같다.
따라서 식 (3)에 의해
𝐶(𝑚2+𝑀) ∙ (𝑇2−𝑇3) = 𝐶𝑚1(𝑇3−𝑇1)
이다. 그러므로, 열량계의 물당량은
𝑀 =
𝑚1(𝑇3 − 𝑇1) − 𝑚2(𝑇2 − 𝑇3)
𝑇2 − 𝑇3
이다. 열량계의 물을 버리고 공기 중에 개방하여 열량계가 상온 상태가 되도록 기다린
다.
실험 2. 열의 일당량(𝐽) 측정
(1) 회로를 구성할 때는 신원이 차단되어 있는가를 확인한 후 회로를 꾸민다. 전원장치
의 전류 공급단자는 완전히 차단된 상태이어야 한다.
(2) 메스실린더나 전자저울 등을 이용하여 물 200𝑚𝑙을 측정하여 열량계에 붓고 뚜껑을
닫는다.
(3) 전원장치의 전원 스위치를 켜고 전류조절 손잡이를 천천히 돌려 전류가 1𝐴 정도가
되도록 한 다음 전원스위치를 끈다.
(4) 열량계 내의 물의 온도가 정상이 되도록 잠시 기다린 다음에 온도 𝑇 1을 측정한다.
전원장치의 스위치를 염과 동시에 초시계를 작동시킨다. 그리고 이때의 전류(𝐼)와 전압(𝑉)
값을 기록한다. 측정 중에는 전류나 전압이 변하지 않도록 주의해야 한다.
(5) 물의 온도가 처음의 시작 온도보다 약 5°𝐶 정도 올라간 다음에 전원을 차단함과
동시에 초시계의 작동을 중지시킨다.
(6) 교반기를 천천히 저어주어 전체가 평형상태가 되도록 한 다음 그 때의 온도 𝑇 2를
기록한다.
(7) 실험 1에서 구한 열량계의 물당량(𝑀)을 이용해 전류에 의한 열의 일당량 𝐽를 구한
다.
(8) 전압 값이 측정 도중 변경된 경우에는 처음값과 나중값의 평균을 취한다.
〈실험시 유의사항〉
➀ 저항선을 물 속에 넣지 않고 전류를 통하면 저항선이 타버릴 수 있다.
② 온도계가 전열선에 닿지 않도록 해야 한다. 온도계로 열이 직접 유입되어서는 안된
다.
※ 가장 이상적인 실험은 실내온도보다 조금 낮은 온도에서 물을 넣고 가열하여 열량계
의
물이 그 낮은 온도만큼 높아졌을 때 스위치를 끄는 것이다. 왜냐하면 외부온도와 온도
가
같으면 아주 작은 열의 손실도 없도록 할 수 있기 때문이다.
4. 참고 자료
건국대학교 물리학과, 2020년, 일반물리학실험 개정판