Практичне вживання

6.1. Підрахунок числа хвиль зручно вести тонко вигостреним олівцем, виробляючи відмітки на графіці.

6.2. Забороняється підключати, прилад до джерела струму напругою більше 36±2 В.

8. Характерні несправності і методи їх усунення

Дослід. Поступальний рух

Мета досліду. Навести приклади поступального руху тіл і тим самим закріпити це важливе поняття механіки.

Після того, як на буденному прикладі (з валізою, книгою і т. д.) введено поняття поступального руху, на моделі канатної дороги демонструють поступальний рух вагонетки, на бічній стінці якої проведені прямі лінії (мал. 13). Трос для моделі канатної дороги треба протягнути між стінами аудиторії так, щоб він проходив над демонстраційним столом на висоті приблизно 50см. У бічних стінах аудиторії треба укріпити міцні крюки. Під модель вагонетки можна пристосувати малий ящик-підставку. Для цього посередині його вузької грані треба просвердлити отвір для кріплення малого блоку. Крізь бічні стінки слід просвердлити 3-4 отвори, розташовані один проти одного. Ці отвори потрібні для того, щоб крізь них протягувати вісь планки, що моделює «пряму, що проходить через будь-які дві точки тіла». Звертають увагу учнів на те, що прямі, що сполучають дві будь-які точки вагонетки, при її русі залишаються паралельними самі собі.

Дослід 1. Складання переміщень .

Покажіть складання переміщень, що здійснюються під кутом один до одного.

Скляну трубку довжиною 1 м заповните підфарбованою водою і закрийте пробкою так, щоб в ній залишилася бульбашка повітря. Якщо трубку перевернути, бульбашка повітря в ній спливає. Сталий рух буде рівномірним.

Трубку розташуєте вертикально до класної дошки і одночасно із спливанням бульбашки повітря переміщайте її паралельно дошці. Покажіть, що переміщення бульбашки повітря відносно дошки є векторною сумою переміщень його відносно трубки і трубки відносно столу.

Питання:

1. Як впливає об'єм бульбашки: а) на швидкість сталого руху; б) на час встановлення руху; у) на пройдений при цьому шлях?

2. Який об'єм бульбашки є оптимальним, якщо довжина трубки 1 м?

Дослід 2. Складання переміщень

Устаткування: 1) дошка на чотирьох роликах, 2) візок і покажчики з набору по кінематиці і динаміці - 3 шт., 3) штатив універсальний, 4) кулька на нитці, 5) диск для дослідів по обертальному руху.

1. На дошці, розташованій уздовж демонстраційного столу, встановлюють візок. На столі, на дошці і на візку розставляють покажчики так, щоб вони виявилися один проти одного (мал. 30, а). Пересунувши одночасно дошку по столу і візок по дошці в один бік, показують, користуючись покажчиками, переміщення візка відносно дошки і дошки відносно столу (мал. 30, би). Переміщення візка відносно столу дорівнює по величині відстані між покажчиками, що стоять на столі і на візку.

Для демонстрації складання переміщень, направлених в протилежні сторони, користуються тією ж установкою, але дошку і візки рухають в протилежне сторони з різною швидкістю. Потім вимірюють переміщення візка відносно дошки і дошки відносно столу (мал. 31). Показують, що переміщення візка відносно столу направлене у бік більшого переміщення і дорівнює різниці чисельних значень переміщень складових рухів

2. Установка для демонстрації двох переміщень, направлених під кутом, змальована на малюнку 32.

Спочатку показують рух кульки паралельно площині столу. Для цього зачіпляють нитку за гачок підстави штатива і рухають штатив з кулькою уздовж столу. Потім повертають штатив у вихідне положення і, підтягуючи нитку, показують рух кульки у вертикальному напрямі. Для демонстрації сумарного переміщення нитку зачіпляють за гачок другого штатива і знову рухають штатив з кулькою уздовж столу. Переміщаючись разом з штативом і одночасно піднімаючись вгору, кулька здійснює переміщення по похилій прямій

3. Звертають увагу учнів на те, що не лише переміщення і швидкість відносні. Відносна і траєкторія руху. Аби показати це беруть в руку вісь диска, встановлюють його паралельно площини класної дошки так, щоб було зручно котити по лотку дошки. Потім роблять на диску v самого краю крейдою мітку і, підвівши диск, наводять його в обертання. Учні переконуються, що мітка на диску описує коло; її викреслюють на дошці (мал. 33).

Повертають диск міткою вгору і несуть його уздовж дошки, не стосуючись лотка. При цьому мітка переміщається по горизонтальній прямій; цю траєкторію також проводять на дошці крейдою.

Наводять диск у вихідне положення і, обернувши його влучною вгору, ведуть по лотку. Якщо при цьому притиснути шматок крейди до краю диска, де знаходиться мітка, то при коченні на дошці викреслюється циклоїда - траєкторія руху мітки відносно дошки.

Відносність спокою і руху

Устаткування: 1) дошка на чотирьох роликах, 2) візок і покажчик від приладу по кінематиці і динаміці.

Дослід 1.

На дошці, яка може легко пересуватися на роликах уздовж демонстраційного столу, встановлюють візок, який у свою чергу можна пересувати уздовж дошки (мал. 29). Досліди з цією установкою повинні служити ілюстрацією до розповіді про відносність руху і спокою.

Пересуваючи візок уздовж нерухомої дошки, показують, що рух візка виявляється лише завдяки зміні її положення відносно довколишніх предметів, зокрема відносно дошки. Проте і положення дошки змінюється відносно візка, отже, можна вважати, що і дошка знаходиться в русі відносно візка.

Проведений дослід показує, що всякий рух відносний: тіла рухаються відносно одне одного. Спокій також відносний: дошка нерухома відносно столу, але рухається відносно візка.

Поміщаючи покажчик як тіло відліку то на стіл, то на дошку, то на візок, проводять наступні досліди: 1) пересувають візок уздовж дошки, нерухомої відносно столу, 2) притримуючи візок, пересувають під нею дошку уздовж столу, 3) пересувають дошку з візком, що непорушно стоїть на ній, 4) рухаючи дошку уздовж столу, пересувають уздовж дошки і візок в ту ж сторону. При проведенні кожного з цих дослідів виявляють рух столу, дошки і візки відносно спостерігача, що знаходиться то в одному, то у іншому місці.

Дослід 2.

На платформу, яка може пересуватися уздовж демонстраційного столу, встановіть саморушний візок.

Нерухома система відліку (демонстраційний стіл) і рухлива система відліку (платформа) повинні мати масштаб із стрілкою, що ілюструють поняття «Координатна вісь».

Покажчиками позначте положення саморушного візка відносно демонстраційного столу і платформи на початку досліду. На демонстраційний стіл і платформу встановите по «спостерігачеві».

Покажіть, що при русі платформи і візку в одному напрямі і при русі їх в протилежних напрямах переміщення візка відносно столу рівно сумі алгебри переміщення платформи і переміщення візка відносно її.

Виміряйте ці переміщення по масштабах, закріплених на демонстраційному столі і платформі.

Дослід 3.

1. На установці досліду попереднього завдання покажіть:

а) переміщення візка уздовж платформи, нерухомої відносно столу;

б) переміщення платформи з візком, що непорушно стоїть на ній;

в) переміщення платформи назустріч руху візка з тією ж швидкістю.

Проаналізуйте кожен з дослідів з точки зору спостерігачів, нерухомих відносно столу і платформи, і зробіть необхідні виводи.

2. На поверхню диска, який може обертатися довкола власної осі, покладіть брусок.

Приведіть диск в обертання з невеликою швидкістю так, щоб брусок відносно його залишався в спокої. У якому стані брусок знаходиться відносно демонстраційного столу?

Зробіть необхідні висновки.

Питання

1. Який з двох варіантів досліду простіше по техніці виконання?

2. Який з них переконливіший для учнів?

Визначення миттєвої швидкості руху на машині Атвуда

Устаткування. 1) машина Атвуда настольна, 2) метроном, 3) ключ і джерело постійного струму на 6 В, 4) шнур сполучний.

Ставиться завдання: визначити миттєву швидкість вантажів через 2 сек після початку руху.

Для цього, піднявши вантаж з перевантаженням у вихідне положення, включають електромагнітний затиск і пускають метроном. Одночасно з початком відліку часу вимикають струм, а на рахунок два включають. Затиск затримує нитку - і вантажі зупиняються, пройдя дорогу в 20 см (мал. 35).

Якщо тепер поставити кільце на рівні перевантаження (положення а на мал. 35), то при повторному пуску перевантажень залишиться на кільці, а вантажі без дії прискорюючої сили стануть рухатися рівномірно з швидкістю, рівній миттєвій швидкості, досягнутій в кінці 2-ої сек.

Відлічивши після зняття перевантаження ще одну секунду, включають затиск, і вантажі зупиняються на відстані 40 см від початку руху. Таким чином, за останню секунду вантажі прошли 20 см, рухаючись рівномірно. Отже, у момент зняття перевантаження, тобто в кінці 2-ої сік, вантажі мають миттєву швидкість 20 см/сек.

Подібним же чином (мал. 35) визначають миттєву швидкість в кінці 3-ої сек. Вона виявляється рівною 30 см/сек.

Маючи три значення миттєвої швидкості: v0 = 0, v2 = 20см/сек і

v3 = 30см/сек, будують графік залежності швидкості від часу (мал. 36). Графік є прямою, що проходить через початок координат. Отже, швидкість досліджуваного руху зростає пропорційно часу.

Отриманий експериментально числовий матеріал достатній для введення поняття про прискорення. З побудованого графіка видно, що за будь-яку секунду швидкість даного руху зростає на 10 см/сек. Отже, рух що відбувається з постійним прискоренням, рівним 10 см/сек2 ^, і є тому рухом рівноприскореним.

Визначення прискорення при вільному падінні

Устаткування. 1) машина Атвуда настольна, 2) секундомір електромеханічний з джерелом постійного струму на 6в або секундомір електронний, 3) шпур сполучний.

На демонстраційному столі встановлюють машину Авуда без блоку і вантажів. У отвір пересувного столика вставляють тарілочку для гасіння удару кульки (див. мал. 20) і замикають контакти столика, піднявши його втулку вгору. Пересувний столик закріплюють в такому положенні, аби тарілочка виявилася проти ділення 80 див. Пусковий столик переводять в горизонтальне положення і в його отвір протягують нитку схилу. Регулюючи положення приладу зрівняльними гвинтами, добиваються, аби схил розташувався точно над центром тарілочки.

Секундомір включають в мережу, а його пускові затиски сполучають із затисками пускового і пересувного столиків. Натискують кнопку установки стрілки секундоміра на нуль і кладуть сталеву кульку на пусковий столик. Загальний вигляд підготовленої установки показаний на малюнку 38.

При опусканні важеля, що знаходиться в підстави приладу, під дією пружини звільняє кульку і одночасно включає секундомір. Кулька падає, ударяє втарелочку і остаетя в ній. При цьому тарілочка і втулка просуваються вниз і розмикають струм. Секундомір вимикається, і за його шкалою можна відлічити час падіння кульки.

Дослід повторюють кілька разів, знаходять середнє значення отриманих результатів і обчислюють прискорення за формулою g = 2Н/t.

Потім міняють положення столика і повторюють досліди. Прискорення обчислюють за новими даними і отримують результат, близький до отриманому раніше.

Вважаючи, що в першу секунду падаюче тіло проходит дорогу, чисельно рівну половині прискорення, тобто 980:2 = 490 (см), обчислюють дорогу, яку кулька повинна пройти за 0,1 сек. Вочевидь, він рівний 4,9 см. Потім обчислюють дороги за 0,2 сек (19,6 см), за 0,3 сек (44,1 см), за 0,4 сек (78,4 см).

Результати обчислень перевіряють дослідами, встановлюючи пересувний столик для кожного випадку на обчислених відстанях і знімаючи свідчення секундоміра.

Кутова й лінійна швидкості руху точок тіл, що обертаються навколо нерухомої осі

а) Обладнання: обертовий диск, магнітоелектрична машина, штатив з муфтою, білизняна резинка, пластилін, різноколірний папір.

Цей дослід допомагає усвідомити поняття кутової швидкості і встановити зв'язок між лінійною і кутовою швидкостями.

Стержень обертового диска (див. с. 16) затискують у муфті штатива так, щоб його площина була верти­кальною (мал. 45). На диску вздовж радіуса приклеюють пластиліном (його потім легко зняти) вузьку паперову смужку і три паперових кружечки — «точки» А, В, С. На шківі магнітоелектричної машини також уздовж його радіуса наклеюють таку саму смужку і кружечок — «точку» О. Усі «точки» повинні бути різного кольору.

Обертаючи диск рукою, з'ясовують, що кути повороту (кутові переміщення) радіусів точок А, В, С однакові і не залежать від того, на якій відстані розміщені від осі обертання. Оскільки час, за який точки здійснюють різні лінійні перемі­щення, однаковий, роблять висновок про те, що лінійні швидкості точок А і С однакові, а лінійна швидкість точки В інша (менша). Кутові швидкості всіх трьох точок однакові.

Потім шків магнітоелектричної машини сполучають безкінечним пасом із шківом диска. Пас виготовляють з резинки. Повертаючи шків магнітоелектричної машини, демонструють різні кутові й лінійні швидкості точок Д В і однакові — точок А і С. Кутове переміщення точок найкраще відлічувати від вертикалі, яка проходить через осі обертання шківів машини і диска.

б) Обладнання: мікроелектродвигун, гумова пробка діаметром 2,5— 3см, демонстраційний вольтметр, реостат на 75—100Ом З'єднувальні про­відники, а також обладнання з попереднього досліду.

Щоб встановити зв'язок між кутовою й лінійною швидкостя­ми, доцільно продемонструвати такий дослід. До поверхні дис­ка попередньої установки ле­генько притискують шків датчи­ка лінійної швидкості і перемі­щують його від центра диска до краю і навпаки. Покази вольт­метра, до якого приєднаний дат­чик, зростають з віддаленням точки дотику його шківа до по­верхні обертового диска від його осі обертання і навпаки. Це й свідчить про те, що лінійна швид­кість точок диска, який рівно­мірно обертається (із сталою кутовою швидкістю), пропорційна радіусу.

Датчик лінійної швидкості для цього досліду виготовляють з мікроелектродвигуна. На вісь двигуна насаджують шків, зроб­лений з гумової пробки діамет­ром 2,5—3 см, а виводи від клем живлення приєднують до демон­страційного вольтметра (клеми постійного струму), ввімкнувши послідовно реостат на 75— 100 Ом.

в) Обладнання, обертовий диск, встановлений на вертикальній осі, датчик кутової швидкості, демонстраційний вольтметр, реостат на 100 — 120Ом, штатив з коротким стояком, лапкою і муфтою, з'єднувальні про­відники, маятниковий тахометр.

Щоб виміряти кутову швидкість обертового диска, використовують комплектуючий прилад — маятниковий тахометр. Учитель повинен пояснити учням його будову й роботу. Для наступних дослідів зручніше користуватись таходатчиком.

Замість таходатчика використовують мікроелектродвигун постій­ного струму, який застосовується у дитячих іграшках (типу ДП). На вісь двигуна насаджують шків, виготовлений за мал. 46. Проводи від щіток двигуна приєднують до клем по­стійного струму демонстраційного вольт­метра через послідовно ввімкнений рео­стат на 100—120 Ом. У вольтметрі став­лять шкалу на 5 В з нулем посередині. Датчик затискують у лапці штатива й встановлюють так, щоб його вісь була вертикальною, а шків дотикався до ободу обертового диску (мал. 47). Як­що диск обертається з кутовою швид­кістю 0,5с² стрілка вольтметра відхи­ляється приблизно на дві поділки, а при кутовій швидкості 1с² — на чотири поділки. Відповідно до цього й виготов­ляють шкалу для вимірювання кутової швидкості. Якщо потрібно обертати диск з більшою частотою, збільшують опір реостата. У такому разі треба виготовляти нову шкалу. Шків датчика не можна дуже притискувати до диска: це не збіль­шує точності вимірювання, а лише дужче гальмує диск.

Дослід. Падіння тіл в повітрі і розрідженому просторі.

Мета досліду. Експериментально довести, що у відсутність опору повітря всі тіла незалежно від їх маси падають з однаковим прискоренням.

Варіант А Беруть в одну руку металевий диск, а в іншу - паперовий такого ж діаметру і одночасно їх відпускають. Після того, як металевий диск торкнеться столу, паперовий ще продовжує падати і досягає столу з великим запізненням. Потім на металевий диск накладають паперовий. Відпускають диски - вони, зберігаючи горизонтальне положення, падають разом на стіл.Ці досліди показують, що причиною неодночасності падіння тіл є опір повітря. Достатнє його усунути, і легкий паперовий диск падає так само, як і металевий, для якого опір повітря малий в порівнянні з силою тяжіння. Металевий диск для досвіду беруть від приладу по механіці для практикуму.

Варіант Б. В трубки Ньютона відкривають кран і, тримаючи її у вертикальному положенні краном вгору, звертають увагу учнів на пташину пір'їнку, пробку і шматочок свинцю, лежачі на дні приладу. При швидкому перевертанні трубки краном вниз (це треба зробити 2-3 рази) чутний удар свинцевого вантаження, потім видно, як падає пробка і повільно опускається пір'їнка.

Далі сполучають трубку шлангом через демонстраційний манометр з насосом Комовського і відкачують повітря. Коли стрілка манометра встановиться на нулі, кран трубки Ньютона закривають (рис 25).

Знявши гумовий шланг, знову перевертають трубку 2-3 рази. Учні чують стук шматочка свинцю і спостерігають одночасне з ним падіння пір'їнки і пробки. Аби краще були видні тіла, ув'язнені в трубці, треба проводити досвід по можливості ближче до учнів і на темному фоні.

Описаний датчик використовують і для вимірювання лінійної швидкості в дослідах з кінематики, замінюючи велосипедний генератор. Гальмування рухомих тіл таким датчиком значно менше, ніж тоді, коли користуються велосипедним генератором.

Варіант В. Дві кульки однакового розміру, але різної маси захоплюють в одну руку і одночасно відпускають. Кульки падають, і удари їх об підлогу чутні одночасно Аналогічний приклад проводив Галілей, кидаючи кулі з похилої башти. Досвід цей показує, що, якщо опір повітря невеликий в порівнянні з масою тіла, незалежно від їх маси тіла падають з одним і тим же прискоренням.

Контрольні запитання:

1. Які досліди з кінематики (8 та 10 кл. окремо) можна провести за допомогою машини Атвуда?

2. Які можливості секундоміра СЕД

3. Які формули кінематики можливо використати для дослідного визначення швидкості та прискорення рівнозмінного руху?

4. Як дослідним шляхом визначити швидкість та прискорення?

5. У чому суть стробоскопічного методу вивчення руху?

6. Як експериментально можливо проілюструвати вільне падіння тіл?

Дата добавления: 2015-07-08