[물리 보고서] 마이크로미터, 버니어 캘리퍼를 이용한 길이의 측정

 

마이크로미터, 버니어 캘리퍼를 이용한 길이의 측정

 

➀실험 제목

마이크로미터, 버니어 캘리퍼를 이용한 길이의 측정

 

➁실험 목적

두 가지 정밀 측정기(마이크로미터, 버니어 캘리퍼)를 써서 중공 원통의 길이와 내경 및 외경, 일반 카드의 두께를 측정한다.

 

➂실험 기구

버니어 캘리퍼(Vernier Calliper), 마이크로미터(Micrometer Gauge), 중공 원통, 일반 카드

 

➃실험 원리 및 이론

1) 버니어 캘리퍼

발명자 Pierre Vernier의 이름을 딴 버니어 캘리퍼는 자의 최소 눈금을 1/10까지 또는 그 이상의 정밀도까지 읽을 수 있도록 고안 된 장치이다. 이 버니어는 주척의 9눈금을 10등분하여 눈금을 만든 것이며 이렇게 함으로써 버니어의 한 눈금은 주척의 눈금보타 1/10만큼 짧아지게 되어 있다. 따라서 주척의 첫 번째 눈금과 버니어의 첫째 눈금을 일치시키면 버니어는 주척의 눈금의 1/10만큼 이동하게 된다.

2) 마이크로미터

마이크로미터는 금속으로 만든 틀의 한 쪽에 평면 금속편의 모루(anvil)가 달려있고, 반대쪽에는 그 표면에 mm의 눈금이 그려져 있으며 안쪽이 암나사로 되어 있는 원통 소매(sleeve)가 붙어 있다. 대부분의 마이크로미터 나사의 피치는 0.5mm이고, 길이는 0.001mm까지 측정하게 된다.

길이를 측정하기 전에 영점을 측정할 때는 외부 원통을 돌려서 측정 날이 근접하도록 하고, 측정 날이 거의 근접하면 돌리개를 돌려 측정 날이 맞물리도록 한다. 이때, 딱 소리를 3회 정도 듣고 멈추어 영점을 읽어 기록한다. 이를 영점 오차라고 하고 이때의 눈금을 영점 눈금이라고 한다. 영점 눈금을 마이크로미터로 읽은 모든 눈금으로부터 대수적으로 빼어야한다. 영점 눈금은 한 번만 잰 눈금보다는 여러 번 잰 눈금들의 평균치로부터 구해내어야 한다. 물체의 길이를 측정할 때는 물체를 측정 날 사이에 끼우고 근접할 때까지 외부 원통을 돌려준다. 거의 근접할 경우 돌리개를 가볍게 돌려주어 딱 소리를 3회 듣고 멈추어 길이를 기록한다.

 

➄실험 방법

1) 버니어 캘리퍼

1. 기구가 고장 나지 않았는지 확인하고, 사용법을 숙지한다.

2. 손걸이를 밀어 측정용 날을 일치시키고 영점을 읽는다.

3. 측정하고자 하는 물체를 측정용 날 사이에 끼우고 주척과 부척의 눈금을 읽어 기록한다.

4. 중공원통의 깊이와 외경 및 내경을 각각 측정하여 기록한다.

5. 5회 반복 실시하여 평균값을 구한 후, 중공원통의 체적을 구한다.

 

2) 마이크로미터

1. 기구가 고장 나지 않았는지 확인하고, 사용법을 숙지한다.

2. 측정용 날의 단면이 근접하도록 외부 원통을 돌리고 단면이 근접하면, 돌리개를 가볍게 돌려 딱 소리를 약 3회 정도 듣고 멈추어 영점을 읽고 기록한다.

3. 이때. 부척의 0점이 주척의 기준선에 미치지 못하면 감하고 지나치면 가하여 영점을 보정한다.

4. 측정하고자 하는 물체를 측정용 날 사이에 끼우고 돌리개를 돌려 딱 소리를 약 3회 정도 듣고 멈추어 영점을 읽고 기록한다.

5. 5회 반복 실시하여 평균값을 구한다.

 

➅실험 결과

<표1: 버니어 캘리퍼 측정값> 단위: mm

	내경	외경	깊이	R-=	R+=
1	28.00	34.35	48.90	3.175	31.175
2	27.95	34.45	48.90	3.250	31.200
3	28.00	34.40	48.80	3.200	31.200
4	28.00	34.40	48.90	3.200	31.200
5	28.10	34.25	49.45	3.075	31.175
평균	28.01	34.37	48.99	3.180	31.190
확률오차	0.07	0.10	0.35	0.09	0.02

 

 

 

<표2: 마이크로미터 측정값> 단위: mm

	영점	측정 직경	보정치
1	-0.20	0.60	0.80
2	-0.22	0.59	0.81
3	-0.18	0,58	0.76
4	-0.22	0.59	0.81
5	-0.22	0.59	0.81
평균	-0.208	0.59	0.798

 

 

 

➆토의 및 토론

1) 오차원인 분석

-버니어 캘리퍼로 측정 시, 측정자에 의한 측정오류가 발생.

-버니어 캘리퍼로 측정 시, 내경/외경을 잴 때 정확한 지름의 길이를 측정하지 못한 점.

-버니어 캘리퍼로 측정 시, 높이를 잴 때 원통의 특성 상 바닥에 고정시키고 재지 못한 점.

-마이크로미터로 측정 시, 팔 힘에 따라 조이는 정도가 달라짐.

-마이크로미터로 측정 시, 근접하다고 느끼는 기준이 다름에 따라 나타나는 차이.

-마이크로미터로 측정 시, 눈금을 읽는 눈높이가 매번 달라져 생기는 오류.

 

2) 오차 해결방안

-실험 횟수를 늘려 정확도를 올린다.

-중공원통의 경우, 이를 고정시킬 수 있는 장치 등을 사용한다.

-중공원통의 경우, 지름의 양 끝 점을 표시해두고 측정한다.

-일반 카드의 경우, 여러 측정자가 아닌 한 명의 측정자가 5회 모두 측정하도록 한다. (최대한 비슷한 기준을 두기 위해)

 

3) 고찰

이번 실험은 두 가지 정밀 측정기로 물체를 측정해보았고, 측정 결과를 정리해 확률오차까지 구하였다. 단순한 눈금자 하나로는 mm단위로 소수점까지 측정하는 것이 어렵지만, 이렇게 서로 다른 눈금들간의 관계를 이용하면 정밀한 측정이 가능하였다. 더 세세한 측정값을 원한다면 더 많은 눈금들의 복합적인 관계와 복잡한 계산과정을 거치면 가능하지 않을까 싶다. 대신, 측정값이 미세할수록 측정자의 부주의가 큰 오차를 발생시킬 수 있다는 점을 유의하고 실험과정에서 오차를 최소화하기 위해 노력해야한다.