맛보기물리학 및 - 2 -...
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맛보기물리학 및 실험 - 2
이름
학번
학과
담당 교수
담당 조교
실험실
1
목차
I. 측정 기기 사용법 ............................................................................ 2
II. 실험 매뉴얼 ................................................................................... 7
실험 1. 아두이노를 이용한 회로 꾸미기 ......................................................... 8
실험 2. 옴의 법칙 ...................................................................................... 13
실험 3. 직류회로 ........................................................................................ 18
실험 4. 유도 기전력 ................................................................................... 22
실험 5. 간이 분광기 ................................................................................... 26
실험 6. 편광 .............................................................................................. 29
실험 7. 태양광 발전 ................................................................................... 32
2
I. 측정 기기 사용법
3
1장. 디지털 멀티미터
먼저, 디지털 멀티미터의 다이얼 스위치를 돌려서 측정하고 싶은 값을 선택한다. 그리고 리드선
을 측정하고 싶은 소자 등에 가져다 댄다. 리드선의 (+), (-) 를 반대로 대면 측정값의 부호가 (-)가
나온다.
그림 1
다이얼 스위치 주변에 여러 가지 기호가 있는데, 우리는 주로 전압과 전류, 저항을 측정할 것이다.
기호의 의미는 그림 2를 참고한다. ‘~’표시는 교류라는 의미이고, ‘– ‘ 표시는 직류라는 의미이다.
나머지는 회로 기호의 의미를 따른다.
그림 2
사용을 마쳤으면 반드시 다이얼을 반드시 ‘OFF’로 돌려서 전원을 끈다.
4
2장. 오실로스코프
오실로스코프(oscilloscope)란 시간에 따른 입력 전압의 변화를 화면에 출력하는 장치이다. 실험에서
사용하는 것은 그림 3과 같다. 오실로스코프는 ‘프로브’라고 하는 선을 연결하여 사용한다. 그림 3의 오
른쪽처럼 생겼다.
그림 3
우리는 컴퓨터와 연결하여 사용하는 디지털 오실로스코프를 사용하고, 컴퓨터 바탕화면에 설치된
‘PC(C2)’라는 프로그램을 사용하면 입력된 신호를 읽을 수 있다. 프로그램을 실행하면 그림 4와
같은 화면이 나온다.
그림 4
5
우측 상단에는 그림 5와 같이 ‘Auto set’ 버튼과 ‘재생 및 정지’ 버튼이 있다.
그림 5
좌측 하단에는 그림 6과 같은 설정을 할 수 있다. Coupling mode의 AC는 교류 전압, DC는 직류 전압,
GND는 Ground를 의미한다. 그림에서 ‘0.0 divs’라고 써 있는 것은 y축 반향으로 평행이동 되지 않았음
을 의미한다. 클릭하여 슬라이드바를 내리거나 올리면 신호를 y축 방향으로 평행이동 시킬 수 있다.
그림 6
우측 하단에는 그림 7과 같은 설정이 있다. 그림의 ‘T 0.0 ns’는 x 축 방향으로 평행이동 되지 않았음
을 의미한다. 클릭하여 슬라이드바를 좌우로 이동시키면 신호를 x축 방향으로 평행이동 시킬 수 있다.
또한 세부 설정 메뉴 왼쪽에 저장 버튼이 있다. 저장을 누르면 측정한 데이터를 cds 파일로 저장해준다.
cds 파일은 메모장이나 excel로 편집 가능하다.
그림 7
6
세부 설정 메뉴로 들어가면 그림 8과 같이 나온다. 그 중에서 Measure에 들어가면 오른쪽과 같이 나온
다. 여기서 체크 박스에 체크를 하면 원하는 값을 자동으로 측정하여 표시해준다.
그림 8
다음은 오실로스코프를 이용하여 측정한 예시이다. 먼저, 세로 한 칸의 전압은 20 mV이고, 가로 한 칸
의 시간은 1 ms이다. 가운데 있는 빨간색 파동은 1번 진동할 때 약 3 ms 걸리므로 진동수는 약 300 Hz
이다. 이 값을 컴퓨터가 계산하여 노란색 박스 안에 표시해 준다. 또한 전압은 위아래로 약 5 칸이므로,
약 50 mV정도 된다. 이 값도 마찬가지로 노란색 박스 안에 있다.
7
II. 실험 매뉴얼
8
실험 1 . 아두이노를 이용한 회로 꾸미기
실험 목표
회로 조립판의 구조를 이해하고 사용할 수 있다.
아두이노를 이용하여 간단한 회로를 구성하고 조정한다.
실험도구
컴퓨터, 아두이노 우노, usb 케이블, 회로 조립판(빵판),
LED 소자(빨강, 삼색 각 1 개), 100 Ω 저항 3 개, 10 kΩ 1 개, 조도센서 소자 1 개, 점퍼와이어 6 개.
아두이노 우노 회로 조립판(빵판) LED
조도센서 소자 저항 점퍼와이어
회로 조립판(빵판)
브래드보드의 내부는 그림 1과 같이 연결되어 있다. 빨
간색과 파란색은 가로 방향으로 연결되어 있다. 보통 빨간
색에는 + 를, 파란색에는 – 전원 선을 연결한다. 그리고 중
간의 초록색 선은 세로로 5 칸씩 연결되어 있는데, 이 부
분에 저항, LED 등 소자를 꽂는다.
그림 1 - 1
9
아두이노(Arduino)
아두이노란 아두이노 보드 자체와 이와 관련된 개발 도구 및 환경을 말한다. 그리고 AVR이라는 마이
크로 컨트롤러를 기반한다. 2005년 이탈리아의 IDII(Interaction Design Institutelvera)에서 하드웨어에 익숙
지 않은 학생들이 스스로 디자인 작품을 손쉽게 제어할 수 있도록 하기 위해 고안되었다. 아두이노가
나오기 이전에는 이러한 시스템을 설계하고 제어하기 위한 전기나 전자와 관련된 전문적인 지식이 필요
했다. 따라서 아두이노의 큰 장점 중 하나는 비전공자들이 쉽게 익히고 사용할 수 있다는 것이다. 또한
아두이노는 전용 IDE를 이용하여 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 업로드를 쉽게 할 수 있다는 특징이
있다.
아두이노에 대해 더욱 간단하게 말하면, 초소형 ‘컴퓨터’라고도 할 수 있다. 다만, 사용자의 편의를 위
한 윈도우 등의 운영 체제가 따로 없고, ‘스케치’라는 프로그램 언어를 이용하여 명령을 내려야 한다. 물
론 스케치 외의 다른 컴퓨터 언어를 이용하여 제어할 수도 있다.
그림 1 - 2
아우이노 보드에는 여러가지 종류가 있는데, 우리가 실험에서 사용하는 것은 ‘아두이노 우노’이다. ‘그림
1-2’와 같이 구성되어 있다. 우리가 실험에서 진행하는 간단한 제어 외에도 다른 일을 하고 싶다면,
모션 센서, 온도 센서, 전류 센서 등 다양한 센서를 활용할 수 있다. 각종 센서를 쉽게 구할 수 있다는
점도 아두이노의 장점 중 하나이다. 유투브 등에서 아두이노로 어떤 일들을 할 수 있는지, 관련
동영상을 찾아보기를 바란다.
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실험 방법
실험 1. Blink
1. USB 케이블(파란색)을 이용하여 컴퓨터와 아두이노(USB 소켓을 이용)를 연결한다.
2. 바탕화면의 ‘Arduino(sketch)’ 프로그램을 실행한다.
3. 아두이노와 회로 조립판(빵판), 저항, 빨간색 LED를 이용하여 ‘그림 1 - 3’처럼 회로도를 구성한다.
한쪽선은 ‘Gnd’에 연결하고, 나머지 하나는 ‘13’번에 연결한다. 저항은 100 Ω을 사용한다.
※ 저항은 색깔 띠로 읽을 수 있는데, 100 Ω은 ‘갈색 검은색 갈색 금색’이다.
※ 반드시 그림처럼 연결해야 한다.
※ LED 소자의 +, - 방향에 유의하여 연결한다.
그림 1 - 3
4. [파일] → [예제] → [00.Physics] → [Blink]를 누른다.
5. [스케치] → [업로드]를 눌러서 컴파일한다.
6. 만약 오류 메시지가 나온다면 다음을 확인한다. [툴] → [보드: ~ ]에 Arduino/Genuino Uno가 선택되어
있는지 확인 한 후, [툴] → [포트: ~ ]를 눌러서 선택되지 않은 또 다른 시리얼 포트를 선택한다.
7. LED 소자의 변화를 관찰한다.
8. 코드의 가장 마지막 줄과 마지막에서 2 번째에 있는 ‘delay’ 옆에 있는 숫자를 변경하면, LED가 깜
빡이는 주기를 조절할 수 있다. 숫자를 바꾸며 관찰한다.
9. 완성한 회로의 사진을 찍는다.
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실험 2. Fade
1. 아두이노와 브래드보드, 저항, 빨간색 LED를 이용하여 ‘그림 1-4’처럼 회로도를 구성한다. 한족선은
‘Gnd’에 연결하고, 나머지 하나는 ‘9번에 연결한다. 저항은 100 Ω을 사용한다.
※ 아두이노를 자세히 보면 ‘~ 9’로 되어 있는데, ‘~’는 PWM(Pulse Width Modulation)이라는 뜻이다.
PMW는 디지털 신호 값으로 아날로그 신호 값과 비슷한 효과를 만들어내는 기술이다. 더 자세
한 것은 3주차 실험 ‘전자 기기 측정 연습’에서 다룰 것이다.
그림 1 - 4
2. [파일] → [예제] → [00.Physics] → [Fade1]를 누르고, [스케치] → [업로드]를 눌러서 컴파일한다.
3. LED 소자의 변화를 관찰한다.
4. 코드의 가장 마지막 줄에 있는 ‘delay’ 옆에 있는 숫자를 바꾸며 관찰한다.
5. 완성한 회로도의 사진을 찍는다.
6. ‘그림 1-5’와 같이 빨간색 LED 대신 삼색 LED를 꽂는다.
7. LED 소자의 다리 4 개 중 가장 긴 것은 ‘5 V’에 연결하고, 나머지 3 개는 각각 ‘9, 10, 11’에 연결한
다. 또한 100 Ω 저항 3 개를 사용한다.
그림 1 - 5
8. [00.Physics] → [Fade2]를 누르고, [스케치] → [업로드]를 눌러서 컴파일한다.
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9. 세 가지 색이 섞이면서 여러가지 색이 나타나는 것을 관찰한다. LED 위에 기름종이처럼 약간 불투
명한 종이를 이중으로 씌우면, 색이 섞이는 것이 더 잘 보인다.
10. 완성한 회로의 사진을 찍는다.
실험 3. Calibration
1. 아두이노와 회로 조립판(빵판), 저항, 빨간색 LED, 조도센서 소자를 이용하여 ‘그림 1-6’처럼 회로도
를 구성한다. 전원선은 ‘Gnd’와 ‘5 V’에 각각 연결한다. LED는 ‘9’번에 연결하고. 조도 센서는 ‘0’번
에 연결한다.
※ 그림을 기준으로 왼쪽의 저항은 100 Ω이고, 오른쪽의 저항은 1 kΩ(갈검빨금) 이다
그림 1 - 6
2. [00.Physics] → [Calibration]를 누르고, [스케치] → [업로드]를 눌러서 컴파일한다.
3. 조도 센서를 손으로 막아서 빛을 차단했을 때 LED 소자의 변화를 관찰한다.
4. 완성한 회로의 사진을 찍는다.
실험 결과
회로 조립판(빵판) 위에 완성한 회로의 사진을 붙인다.
결론
각 회로의 작동을 확인한다.
참고자료
아두이노 홈페이지 Blink; https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Blink
Fade; https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Fade
Calibration; https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Calibration
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실험 2 . 옴의 법칙
실험 목표
옴의 법칙을 확인한다.
배경이론
(YOUNG) Chapter 25.3 참고
(Giancoil) Chapter 18.3 ~ 18.4 참고
옴의 법칙
𝐼 =𝑉
𝑅 (𝐼:전류, 𝑅:저항, 𝑉:전위차)
실험도구
컴퓨터, 인터페이스, 인터페이스 연결케이블(회색), 센서 연결케이블(검은색) 2 개,
전원 공급장치, 회로 조립판(빵판), 전압 센서, 전류 센서, 집게전선 2 개, 점퍼와이어 5 개,
저항(51 Ω, 68 Ω, 100 Ω, 510 Ω 각 1 개), USB 플래시 드라이브, 디지털 멀티미터.
직류 전원 공급장치 전류 센서(A) 전압 센서(V)
디지털 멀티미터
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직류 전원 공급장치
직류 전원 공급장치를 이용하면 원하는 만큼 전류와 전압을 흘려 보낼 수 있다. 전원 버튼을 누르기
전에 반드시 전압 조절 다이얼이 왼쪽 끝까지 돌아가 있는지 확인한다. 전류 조절 다이얼은 중간까지
돌려 놓는다. 회로를 모두 연결한 후에 전원 버튼을 누른다.
그림 4 - 1
저항
저항 읽는 방법은 ‘그림 4-2’와 같다.
그림 4 - 2
전류 센서, 전압 센서
인터페이스와 연결하여 전류 혹은 전압을 측정할 수 있다. 전류 센서에는 A 라고 표시되어 있고, 전
압 센서에는 V라고 표시되어 있다. +, - 방향에 유의하여 연결한다. 만약 반대 방향으로 연결할 경우 측
정값이 음수로 나온다.
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문제
주어진 저항을 읽으시오.
저항
답 (예시) 51 Ω ± 5 %
실험 방법
1. ‘문제’과정을 완료한다.
2. 인터페이스 연결케이블(회색)을 이용하여 인터페이스와 컴퓨터를 연결한다.
3. Excel 프로그램을 실행하고, 왼쪽 상단의 ‘새 통합 문서’를 누른다.
4. 센서 연결케이블(검은색)을 이용하여 전류 센서를 인터페이스의 [B] 채널에 연결한다. 그리고 전압
센서를 [C] 채널에 연결한다.
※ 반드시 전류 센서는 [B] 채널에 연결하고, 전압 센서는 [C] 채널에 연결해야 한다.
5. 51 Ω 저항을 이용하여 ‘그림 4-3’의 회로도처럼 회로 조립판(빵판)를 이용하여 회로를 꾸민다.
※ 전류 센서와 전압 센서의 방향에 유의하여 연결한다.
그림 4 - 3
6. 리본 메뉴 중에 [추가기능]을 누른다.
7. [실험설정] → [채널설정]에서 전류 센서와 전압 센서가 정상적으로 연결되었는지 확인한다. “터미널
블록”이나 전혀 다른 센서의 이름이 나오면 연결이 제대로 되지 않은 것이다.
8. 전원 공급장치가 꺼져 있는지 확인한다. [실험설정] → [센서설정]으로 들어가서 센서교정의 [교정
하기]를 누른다. [교정]을 누른 후 [닫기]를 누른다. 이 때, 두 센서 모두 영점을 설정해야 한다. [CH
B]를 [CH C]로 바꿔서 전압 센서도 같은 방법으로 교정한다.
※ 반드시 전원 공급장치의 전원을 끈 상태에서 교정해야 한다.
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9. [실험설정] → [입력설정] 에서 [측정간격]을 0.2초로 바꾼다. [적용]을 누른다.
10. 전류 조절 다이얼은 중간까지 돌려놓고, 전압 조절 다이얼은 왼쪽 끝까지 돌아가 있는지 확인한 후
에 전원 연결장치를 켠다.
11. 전압 조절 다이얼을 이용하여 전압을 약 10 V까지 올린다. 전원 공급장치를 기준으로 한다.
※ 전압은 10 V이상으로 올리지 않는다.
12. 이 상태에서 [실험시작]을 누르고, 2 초 안에 전압 다이얼을 왼쪽으로 돌려서 0 V로 만든다.
13. 만약 데이터의 개수가 16 ~ 24 개가 아니라면 다시 실험해야 한다.
14. [차트 만들기] → [종합차트 만들기]를 클릭하여 전류-전압 그래프를 확인한다.
질문! 전류-전압 그래프의 개형은 어떻게 나와야 하는가? 측정한 데이터로 그린 그래프가 예
측한 것과 같이 나오는가?
15. [분석도구] → [선형]을 클릭한다. [기준이 되는 데이터]에 전류의 분석하고자 하는 범위를, [분석할
데이터]에 전압의 같은 범위를 지정한다. [분석될 데이터]는 비어 있는 오른쪽 공간의 셀을 임의로
지정하고 [확인]을 누른다. (Ⅲ. 사이언스큐브 사용법 – 2.분석하기 참고) 혹은 엑셀의 추세선 추
가 기능을 이용해도 된다. (Ⅱ. 엑셀 사용법 – 5.추세선 추가하기 참고)
16. 68 Ω, 100 Ω, 510 Ω을 이용하여 실험 방법 11 - 16을 반복한다. 단, 510 Ω을 이용하여 실험할
때는 5 V ~ 15 V로 실험한다.
※ 실험을 다시 시작하기 전에 반드시 센서를 교정해야 한다.
17. 디지털 멀티미터를 이용하여 51 Ω, 68 Ω, 100 Ω, 510 Ω의 저항값을 측정한다. 우선 저항을 회로에
서 분리한다. 디지털 멀티미터의 다이얼 스위치를 Ω 표시에 돌려 놓으면 저항을 측정할 수 있다.
그리고 리드선을 저항의 양 끝 다리에 댄다. 값이 안정될 때까지 기다렸다가 저항을 읽는다.
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실험 결과
선형 분석한 그래프 4개를 붙인다.
저항 [Ω] 기울기 오차율 [%] 디지털 멀티미터로
측정한 저항값 [Ω] 오차율 [%]
51
68
100
510
결론
그래프를 이용하여 전류, 전압, 저항의 관계에 대해 설명한다.
전류-전압 그래프의 기울기는 무엇을 의미하는가? 기울기를 선형 분석을 이용하여 구하고, 사용한
저항값과 비교한다.
디지털 멀티미터로 측정한 값과 비교하고, 어느 것이 더 정확한 값을 측정할 수 있는 방법인지 설
명한다.
고찰
참고자료
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실험 3 . 직류회로
실험 목표
저항을 직렬과 병렬회로에 연결했을 때 전류를 확인한다.
저항을 직렬과 병렬회로에 연결했을 때 전압을 확인한다.
등가 저항을 계산하고 실험값과 비교한다.
배경이론
(YOUNG) Chapter 26.1 참고
(Giancoil) Chapter 19.2 참고
합성 저항
𝑅𝑒𝑞 = 𝑅1 + 𝑅2 + ⋯ + 𝑅𝑛 (직렬연결)
1
𝑅𝑒𝑞
=1
𝑅1
+1
𝑅2
+ ⋯ +1
𝑅𝑛
(병렬연결)
실험도구
컴퓨터, 인터페이스, 인터페이스 연결케이블, 센서 연결케이블 3 개, 전원 공급장치, 회로 조립판(빵판),
전압 센서, 전류 센서 2 개, 집게전선 2 개, 점퍼와이어 5 개, 저항(10 Ω 2 개, 51 Ω, 68 Ω 각 1 개),
USB 플래시 드라이브.
실험 방법
실험 1. 직렬 연결
1. 인터페이스 연결케이블을 이용하여 인터페이스와 컴퓨터를 연결한다.
2. 센서 연결케이블을 이용하여 전압 센서와 전류 센서를 인터페이스에 연결한다. 채널은 상관 없다.
3. Excel 프로그램을 실행하고, [실험설정] → [채널설정]에서 전압 센서와 전류 센서가 연결되었는지
확인한다.
4. [실험설정] → [센서설정]으로 들어가서 센서교정의 [교정하기]를 누른다. [교정]을 누른 후 [닫기]
를 누른다. 이 때, 두 센서 모두 영점을 설정해야 한다.
5. [실험설정] → [입력설정] 에서 [측정간격]을 0.05초로 바꾼다.
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6. 10 Ω 저항 2 개를 이용하여 ‘그림 5-1’의 회로도를 회로 조립판(빵판)에 구성한다.
※ 전류 센서와 전압 센서의 방향에 유의하여 연결한다.
그림 5 - 1
7. 전류 조절 다이얼은 중간까지 돌려놓고, 전압 조절 다이얼은 왼쪽 끝까지 돌아가 있는지 확인한 후
에 전원 연결장치를 켠다.
8. [실험시작]을 누른다. 전압 조절 다이얼을 돌려서 약 2 V가 되도록 전압을 조절한다. 전압 센서로 측
정한 값을 기준으로 한다. 전압을 맞게 설정하면 [실험중지]를 누른다.
9. 새로 설정한 전압에서 전류를 측정하기 위하여 다시 [실험시작]을 누른다.
10. 다이얼을 더 이상 움직이지 않고, 이 상태에서 전류와 전압을 측정한다. 10개 이상의 데이터가 나
오면, [실험중지]를 누른다. 평균값을 구하여 데이터 테이블에 적는다.
11. ‘그림 5-2’처럼 전압 센서의 위치를 바꿔서 𝑅1의 전압과 전체 전류를 측정한다.
그림 5 - 2
12. 마찬가지로 전압 센서의 위치를 바꿔서 𝑅2의 전압과 전체 전류를 측정한다.
13. 10 Ω과 51 Ω 저항을 이용하여 과정 6-11를 반복한다. 전압은 약 4 V로 한다.
14. 10 Ω과 68 Ω 저항을 이용하여 과정 6-11를 반복한다. 전압은 약 4 V로 한다.
※ 실험을 다시 시작하기 전에 반드시 센서를 교정해야 한다.
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실험 2. 병렬 연결
1. 10 Ω 저항 2개가 병렬 연결이 되는 회로를 회로 조립판(빵판)에 구성한다. ‘그림 5-3’과 같이 전체
전류와 전압을 측정할 수 있도록 전류 센서와 전압 센서를 연결한다.
그림 5 - 3
2. 전류 센서와 전압 센서를 교정한다.
3. 전류 조절 다이얼은 중간까지 돌려놓고, 전압 조절 다이얼은 왼쪽 끝까지 돌아가 있는지 확인한 후
에 전원 연결장치를 켠다.
4. [실험시작]을 누른다. 전압 조절 다이얼을 돌려서 약 2 V가 되도록 전압을 조절한다. 전압 센서로 측
정한 값을 기준으로 한다.
5. 이 상태에서 전체 전류와 전체 전압을 측정하고 [실험중지]를 누른다. 전류와 전압의 평균값을 구하
여 데이터 테이블에 적는다.
6. 전류 센서를 1개 더 이용하여 ‘그림 5-4’의 회로도를 구성한다.
그림 5 - 4
7. 각 저항의 전류를 측정하여 데이터 테이블에 적는다.
8. 10 Ω과 51 Ω 저항을 이용하여 과정 1-7을 반복한다. 전압은 약 2 V로 한다.
9. 10 Ω과 68 Ω 저항을 이용하여 과정 1-7을 반복한다. 전압은 약 2 V로 한다.
※ 실험을 다시 시작하기 전에 반드시 센서를 교정해야 한다.
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실험 결과
실험 1
𝑹𝟏 [𝛀] 𝑹𝟐 [𝜴] 𝑰𝒕𝒐𝒕[𝐀] 𝑽𝒕𝒐𝒕 [𝐕] 𝑽𝟏 [𝐕] 𝑽𝟐 [𝐕] 𝑹𝒆𝒒 [𝜴]
(측정값)
𝑹𝒆𝒒 [𝜴]
(이론값)
오차율
[%]
10 10
10 51
10 68
* 𝑅𝑒𝑞(측정값)은 전류와 전압의 측정값을 이용하여 계산한다.
실험 2
𝑹𝟏 [𝛀] 𝑹𝟐 [𝜴] 𝑰𝒕𝒐𝒕 [𝐀] 𝑽𝒕𝒐𝒕 [𝐕] 𝑰𝟏 [𝐀] 𝑰𝟐 [𝐀]
𝑹𝒆𝒒 [𝜴]
(측정값)
𝑹𝒆𝒒 [𝜴]
(이론값)
오차율
[%]
10 10
10 51
10 68
결론
직렬 회로와 병렬 회로에서 합성 저항 공식이 적용되는지 확인한다. 정확히 적용되지 않는다면 그
이유를 설명하라.
전압 센서와 전류 센서의 구조와 원리를 찾아본다. 전류계의 자체 저항은 매우 작고, 전압계의 자체
저항은 매우 커야 하는 이유를 설명한다.
고찰
참고자료
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실험 4 . 유도 기전력
실험 목표
자기장의 변화로 기전력이 유도되는 것을 관찰한다.
기전력이 유도될 때 감긴 횟수와 기전력의 관계를 알아본다.
배경이론
(YOUNG) Chapter 29.1 ~ 29.4 참고
(Giancoil) Chapter 21.1 ~ 21.4 참고
렌츠의 법칙
어떤 자기 유도 효과의 방향도 그것을 만드는 원인을 방해하도록 일어난다. 즉, 자연은 자기 선속의
변화를 싫어한다.
실험도구
컴퓨터, 오실로스코프, 프로브 2 개, 솔레노이드 1 개, ND(Neodymium) 자석 1 개, 스탠드 세트,
USB 플래시 드라이브.
솔레노이드 ND 자석
* 오실로스코프에 대한 더 자세한 설명은 본 매뉴얼 ‘I. 2. 오실로스코프’를 참고하세요.
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실험 방법
실험 1
1. USB 케이블을 이용하여 컴퓨터와 오실로스코프를 연결한다.
2. 프로브의 BNC 커넥터를 오실로스코프 본체의 [CH 1]과 [CH 2]에 연결한다. 커넥터를 꽂은 후에 반
바퀴정도 돌려서 잘 고정한다.
3. 바탕화면의 ‘PC(C2)’ 프로그램을 실행한다.
4. 솔레노이드를 스탠드의 집게에 고정시킨다.
5. 솔레노이드에는 긴 코일과 짧은 코일이 있다. 각각의 지름과 길이를 측정한다.
6. 프로브를 각각의 솔레노이드에 연결한다. 위쪽 솔레노이드에 [CH 1]을 연결하고, 아래쪽 솔레노이드
에는 [CH 2]를 연결한다.
7. 컴퓨터 프로그램에서 왼쪽 하단의 [CH 1]과 [CH 2]가 모두 켜져 있는지 확인한다.
8. 오실로스코프의 coupling mode는 두 채널 모두 AC로 한다. 전압의 범위는 10 mV/div로 하고, 시간의
범위는 20 ms/div로 한다.
※ 만약 전압의 범위 중 ‘ 10 mV’가 없다면, 메인 메뉴의 ‘Channel’을 누르고 Probe Rate가 ‘X 1’로
되어 있는지 확인한다.
9. 전압 설정 바로 아래줄을 누르면 신호를 y 축 평행 이동시킬 수 있다. [CH 1]은 약 + 2 divs, [CH 2]는
– 2 div 이동시킨다.
10. 오른쪽 하단에 ‘Trigger’를 누른다. 여기 있는 설정을 다음과 같이 바꾼다. 맨 윗줄을 ‘Single’로 설
정한다. 그리고 Source: CH 2, Mode: slope, Condition: Rising >, 바로 아래줄의 시간을 150 ns, 4줄 아래
있는 Trig Mode: Single 이다.
그림 3 - 1
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11. 메뉴를 빠져나오면 ‘그림 3-2’처럼 오른쪽에 노란색으로 화살표가 생겼을 것이다. 이것을 움직여서
그림의 오른쪽처럼 화살표의 위치가 노란색 줄이 가운데 놓이도록 한다.
그림 3 - 2
12. 범위를 설정했으면, 오른쪽 상단의 번개 모양 버튼(Single Trigger)를 누른다. 왼쪽 상단에 ‘Ready’라
고 나왔으면 다음을 진행해도 된다. 만약, 파형이 없는데 ‘Stop’가 나왔다면 화살표의 범위 설정이
적절하지 못한 것이다. 범위를 다시 설정하여 시도한다.
13. ‘그림 3-3’처럼 ND 자석을 코일 안으로 떨어트린다. 기전력의 변화 그래프를 얻을 수 있다.
그림 3 - 3
14. 결과는 ‘그림 3-4’처럼 나온다. 이 결과를 캡쳐하거나 저장한다. 왼쪽 하단의 저장 버튼을 누르면
측정한 데이터를 cds 파일로 저장할 수 있다. 이 데이터를 엑셀로 불러서 엑셀을 이용하면 같은 형
태의 그래프를 그릴 수 있다.
그림 3 - 4
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15. 자석을 뒤집에서 N극과 S극이 반대로 되게 한다. 이 자석으로 과정 12-14를 반복한다.
16. 코일을 뒤집어서 코일의 감은 방향이 반대가 되게 한다. 과정 12-14를 반복한다.
실험 결과
실험 1
실험을 통해 얻은 기전력-시간 그래프 4개를 붙인다.
솔레노이드의 지름 [cm] 긴 솔레노이드의 길이 [cm] 짧은 솔레노이드의 길이 [cm]
결론
실험을 통해 얻은 기전력 그래프로 ND 자석의 N극과 S극을 알아낼 수 있는 방법을 설명한다.
솔레노이드의 감은 횟수(길이)와 기전력의 최댓값(혹은 최솟값)의 변화를 비교한다.
실험 결과를 이용하여 렌츠의 법칙을 설명한다.
고찰
참고자료
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실험 5 . 간이 분광기
실험 목표
빛을 분광하여 구성하고 있는 파장을 알아본다.
배경이론
(YOUNG) Chapter 32.1 참고
(Giancoil) Chapter 22.3 참고
전자기파
전자기파 중에서 우리 눈으로 볼 수 있는 영역의 전자기파를 가시광선이라 한다. 분광기를 이용하면
빛의 스펙트럼을 얻을 수 있다. CD 조각이 슬릿 역할을 하여 빛을 분광한다.
실험도구
간이 분광기 설계도면, 검은색 도화지, CD 조각, 테이프, 칼,
조명(LED, 백열 전구, 햇빛 – 각 반에 1개만 있으면 된다), 스마트폰(인터넷에 접속해야 한다)
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실험 방법
1. 간이 분광기 설계도면을 이용하여 검은 도화지로 간이 분광기를 제작한다.
※ 간이 분광기 내부에 빛이 덜 들어올수록 좋다. 또한 빛이 들어오는 구멍은 얇게 뚫을수록 좋
다.
2. CD 조각을 붙인 쪽에 핸드폰 카메라를 가져다 댄다. 분광기의 반대편을 형광등 쪽을 바라보도록 하
고, 분광된 빛의 스펙트럼이 잘 나오도록 사진을 찍는다. ‘그림 5-1’처럼 나오면 좋다. 사진을 찍은
후에 나머지 부분을 잘라내도 된다.
※ 만일, 빛의 띠가 수평으로 나오지 않고 기울어져 있으면 CD 조각의 각도가 잘못된 것이다. CD
조각의 각도를 조절하여 수평으로 나오도록 한다.
그림 5 - 5
3. 스마트폰으로 https://spectralworkbench.org 에 접속한다.
4. 접속하면 ‘그림 5-2’같은 페이지가 나온다. 우측 상단의 카메라 모양 옆의 화살표 모양을 누른다.
‘Upload image’ 기능을 이용할 것인데, 로그인을 해야 이용할 수 있다. 회원가입은 본인 인증이나 메
일 인증 없이 할 수 있다.
그림 5 - 6
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5. 사진을 업로드하면, ‘그림 5-3’처럼 스펙트럼과 파장의 영역을 볼 수 있다.
※ 홈페이지에 로그인이 잘 안될 수 있다. 시도하다가 잘 안되면, 홈페이지에 있는 스펙트럼 중
비슷한 것을 찾아서 분석한다.
※ 그림의 왼쪽은 스마트폰으로, 오른쪽은 노트북으로 접근한 것이다. 핸드폰으로 접근하면 파장
그래프는 볼 수 있지만, 정확한 파장은 알 수 없다. 하지만 노트북 등으로 접근하면 파장값을
읽을 수 있으므로 집에서 다시 확인하길 바란다.
※ ‘fluorescent light’, ‘LED light’, ‘Incandescent light’, ‘sun light’ 등으로 검색하면 비슷한 스펙트럼을
찾을 수 있을 것이다.
그림 5 - 7
6. 검은색 선은 평균값이고, 각각의 파장에 따라서 빨강, 파랑, 초록색 그래프가 나타난다.
실험 결과
형광등, LED, 백열 전구, 태양빛 등을 간이 분광기로 분광하여 찍은 스펙트럼 사진과 분석한 파장
그래프를 각각 붙인다.
결론
각 광원별로 어떤 파장의 빛이 강하게 나오는지 비교한다.
고찰
참고자료
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실험 6 . 편광
실험 목표
교차된 편광 필터들을 통과한 빛의 세기를 관찰한다.
배경이론
(YOUNG) Chapter 33.5 참고
(Giancoil) Chapter 24.10 ~ 24.11 참고
편광
전자기파가 편광판을 투과할 때 편광판은 특정한 방향의 진동만을 허용하며, 이 현상을 빛의
편광이라고 한다.
실험도구
컴퓨터, 인터페이스, 인터페이스 연결케이블, 센서 연결케이블,
조도 센서, 원동형 편광판, LED 전구, 미터자, USB 플래시 드라이브.
조도 센서 원통형 편광판 LED 전구와 소켓
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실험 방법
실험 1
1. 인터페이스 연결케이블을 이용하여 인터페이스와 컴퓨터를 연결한다.
2. 센서 연결케이블을 이용하여 조도 센서를 인터페이스와 연결한다. 채널은 상관 없다.
3. Excel 프로그램을 실행하고, [실험설정] → [채널설정]에서 조도 센서가 연결되었는지 확인한다.
4. 조도 센서는 교정을 할 필요가 없으며, 측정 시간도 따로 설정하지 않아도 된다.
5. ‘그림 6-1’처럼 원통형 편광판에 조도 센서를 넣고, 약 10 cm 떨어진 곳에 LED 전구를 설치한다.
그림 6 - 1
6. [실험시작]을 눌러서 조도가 최대가 되는 지점을 찾는다. 이 때를 90°로 생각한다. [실험중지]를 누른
다.
7. 편광판을 10°씩 돌려가며 360°가 될 때까지 조도를 측정한다. 이 값들을 데이터 테이블에 적는다.
8. 각도-조도 그래프를 그린다. 만약,
※ 이 그래프에 극대점과 극소점이 편편하다면 재실험을 해야 한다.
실험 2
1. 바탕화면의 ‘RGB image’을 실행한다.
2. 조도가 가장 밝았을 때의 각도로 맞춘다.
3. 원형 편광판을 LCD 모니터에 가져간다. 편광판의 나사가 아니라 전체를 돌려야 한다.
4. 편광판의 각도를 다르게 하면 RGB의 색이 달라질 것이다. 이것을 관찰해보자.
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실험 결과
실험 1
각도-조도 그래프를 붙인다.
0°일 때의 조도 [lux]
각도 [°] 조도 [lux] 각도 [°] 조도 [lux] 각도 [°] 조도 [lux] 각도 [°] 조도 [lux]
10 100 190 280
20 110 200 290
30 120 210 300
40 130 220 310
50 140 230 320
60 150 240 330
70 160 250 340
80 170 260 350
90 180 270 360
실험 2
관찰 결과를 쓴다.
결론
각도와 조도의 관계를 설명한다.
LCD 모니터의 편광 방향이 모두 같은지, 다른지 관찰 결과를 이용하여 설명한다.
고찰
참고자료
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실험 7 . 태양광 발전
실험 목표
간단한 태양광 발전 실험 장비를 만들어 관전 효과의 원리를 안다.
배경이론
(YOUNG) Chapter 38.1 ~ 38.2 참고
(Giancoil) Chapter 27.3 참고
광전 효과
광전 효과란 빛이 금속의 표면을 때릴 때 전자가 방출되는 현상이다. 단, 금속마다 일정 주파수
이상의 빛을 입사해야만 전자가 튀어나오는데, 이렇게 전자가 튀어나올 수 있는 최소한의 에너지를
일함수(work function)라고 한다. 일정 주파수 이상의 빛을 쪼여주면 즉시(시간의 지연이 전혀 없음)
전자가 튀어나온다. 이 전자가 전기 회로를 돌 수 있도록 한다면, 태양광 발전이 된다. 따라서 광전
효과를 이용하여 태양광 발전을 할 수 있다.
실험도구
태양광 발전 키트(몰렉스 하우징, 점퍼 케이블, LED, 10 μF 축전기, 멜로디 IC, 압전 스피커).
실험 방법
1. ‘그림 8-1’과 같이 전선 3개를 몰렉스 하우징에 끼우고, 가운데 전선은 사용하지 않으므로 가위로
잘라낸다.
※ 가운데 노란색 전선은 끼우지 않아도 상관없다.
그림 8 - 1
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2. ‘그림 8-2’와 같이 점퍼 케이블과 압전 스피커를 연결한다. 그림은 연결 부위를 수축 튜브로 연결해
놓은 모습이다.
※ 압전 스피커의 극성은 신경쓰기 않아도 된다.
그림 8 - 2
3. ‘그림 8-3’처럼 주워진 전자 부품을 몰렉스 하우징에 연결할 것이다. 멜로디 IC, 축전기, LED의 순서
대로 끼운다. 반드시 ‘그림 8-3’에 있는 번호에 맞춰서 연결해야 한다. 그림의 오른쪽은 실험에서 연
결하는 회로도이다.
※ 리드 선을 부드럽게 흔들면서 집어넣으면 잘 들어간다.
※ 구멍 하나에 2~3개의 리드선이 들어가기 때문에 조금 좁으므로 조심하여 끼운다
※ 부품의 극성을 바꾸어서 끼우면 작동하지 않으므로 주의한다.
그림 8 - 3
4. LED를 햇빛이 있는 곳을 향해보고, 소리가 잘 들리는지 확인한다.
5. 햇빛이 없을 경우 핸드폰의 손전등을 켜고, LED를 빛이 나오는데 가져다 대고 조금 기다린다.
6. 완성한 태양광 발전 세트의 사진을 찍는다.
실험 결과
완성한 태양광 발전 세트의 사진을 붙인다.
광전 효과와 태양광 발전의 관계에 대해 조사하여 설명한다.