충돌과 운동량보존
1. 목적
탄성충돌 실험과 비탄성충돌 실험을 통하여 에너지보존 법칙과 운동량보존 법칙을 이해한다.
2. 원리
1) 초속도구하기
그림과 같이 질량m인 물체가 단진자에 충돌을 하면, 단진자는 흔들려서 일정 높이에 도달하게 된다. 이때, 단진자가 도달한 높이에 의하여 단진자의 Potential 에너지를 계산할 수 있다. 위의 그림과 같이 완전비탄성 충돌을 하는 경우, 운동전후의 계의 전체운동량은 보존이 되므로
(1)
이다. 이때, 구슬의 질량은 m, 속도는 v, 충돌 후 구슬과 합쳐진 진자의 질량은 M, 속도는 V이다. 또한, M_p는 순수한 진자의 질량이다. 운동량 MV는
(2)
이다. 는 충돌직후의 진자의 운동에너지이다. 에너지 보존 법칙에 따라서 운동에너지 는 위치에너지 로 바뀌게 되므로
(3)
이다. 여기서 는 중력가속도이고, 는 질량중심이 올라간 높이이다. 이므로
(4)
가 된다. 따라서, 구슬의 초속도 v는
(5)
이다. 그러므로, 이 식에서 와 , , 을 알면 초기속도 를 알 수 있다.
2) 완전비탄성 충돌
그림2와 같은 비탄성충돌 실험에서도 충돌전후에 계 전체의 운동량은 보존된다.
(1)
구슬과 진자의 완전비탄성 충돌에서 충돌전의 계 전체의 운동에너지는
(6)
이고, 충돌후의 계 전체의 운동에너지는
(7)
이다. 이때, 운동량 보존 법칙에 따라서
(8)
이므로, 충돌 후의 진자의 에너지는
(9)
이다. 따라서 식(6)과 식(9)를 비교하여, 충돌 전후의 계 전체의 운동에너지는
(10)
로 보존되지 않는 것을 알 수 있다.
3) 완전탄성충돌
그림3과 같은 구슬과 진자가 충돌하는 완전탄성충돌의 경우, 운동전후에 계 전체의 운동량과 운동에너지가 보존된다. 따라서,
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2013.04.03
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