PHYSICS LAB · 빗면 운동

빗면 운동 실험실

빗면 위 물체에 작용하는 힘을 나눠 보고, 경사각과 마찰이 가속도를 어떻게 바꾸는지 관찰해 보세요.

✋ 멈춘 상태에서 나무 상자를 끌면 출발 위치가 바뀌어요. 실험 조건은 움직이는 중에도 바로 바꿀 수 있어요. (스페이스바: 시작/일시정지)
시간 t
0.00 s
이동 거리
0.00 m
속도 v (+아래)
0.00 m/s
가속도 a
0.00 m/s²
마찰력 종류
–
상태
준비

힘 분석 단위 N

← 빗면 위쪽빗면 아래쪽 →
중력 성분 mg sinθ
0
외력 F
0
마찰력 f
0
알짜힘 ΣF
0
수직항력 N = mg cosθ0 N
최대 정지 마찰력 μsN0 N
가속도 a = ΣF / m0 m/s²

운동 그래프

측정 기록 — 상자가 바닥에 닿으면 자동으로 기록돼요

#θ(°)m(kg)μₛμₖF(N)시간(s)이동 거리(m)속도(m/s)측정 a*(m/s²)이론 a**(m/s²)
아직 기록이 없어요. 경사각을 바꿔 가며 상자를 미끄러뜨려 보세요.
* 측정 a = 2(이동 거리 − v₀t) / t²    ** 미끄러져 내려갈 때의 이론값 a = g sinθ − μₖ g cosθ − F/m

실험 조건

경사각 θ30°
상자 질량 m5.0 kg
정지 마찰 계수 μs0.40
운동 마찰 계수 μk0.25
끌어올리는 힘 F (빗면 위쪽)0 N
중력 가속도 g9.80 m/s²
초기 속도 v₀ (+ 아래쪽)0.0 m/s
출발 위치 (꼭대기부터)0.7 m

개념 정리

중력 mg는 빗면 방향 성분과 빗면에 수직인 성분으로 나눌 수 있어요. 수직 성분은 수직항력 N과 평형을 이뤄요.

F∥ = mg sinθ  ·  F⊥ = mg cosθ

물체가 미끄러질 때 운동 마찰력은 μkN이고, 운동 방향과 반대로 작용해요.

a = g sinθ − μk g cosθ

멈춰 있는 물체는 정지 마찰력이 μsN까지 버틸 수 있어서, tanθ가 μs보다 커져야 미끄러지기 시작해요.

tanθc = μs

탐구 활동

  1. 탐구 1 두 마찰 계수를 0으로 두고 경사각을 15°, 30°, 45°로 바꿔 보세요. 측정 가속도가 g sinθ와 같나요?
  2. 탐구 2 경사각을 10°로 두고 시작한 뒤 경사각을 천천히 올려 보세요. 상자가 미끄러지기 시작하는 각도에서 tanθ를 계산하면 μs와 같나요?
  3. 탐구 3 질량만 1 kg, 10 kg, 20 kg으로 바꿔 보세요. 마찰력은 커지는데 가속도는 왜 그대로일까요?
  4. 탐구 4 끌어올리는 힘 F를 조절해서 상자가 일정한 속도로 내려가게 만들어 보세요. 이때 F는 얼마이고, 알짜힘은 얼마인가요?
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