|
Физика в ученическом эксперименте
микро |
МЕХАНИКА
Руководство по выполнению лабораторных работ
Устройство комплекта
Комплект предназначен для проведения лабораторных работ по различным разделам механики курса физики средних общеобразовательных учебных заведений. Кроме того, комплект может быть использован при проведении работ физического практикума и решении экспериментальных задач. Оборудование защищено свидетельством на полезную модель.
Набор состоит из прибора для изучения прямолинейного движения, включающего направляющую рейку 1, каретку 2 и секундомер 3 с двумя датчиками, рычага с осью 4, двумя крючками 5 и балансирами, пластикового коврика 6, штатива 7, состоящего из основания, стойки, перекладины и муфты с двумя винтами, подвижного 9 и неподвижного 8 блоков, четырёх грузов 10, стального шарика 11, копировальной бумаги 12 и нити 13.
Для работы с комплектом также необходим лабораторный динамометр 14, который приобретается отдельно.
Прибор для изучения прямолинейного движения обеспечивает возможность прямого измерения перемещения и времени движения тела между отдельными точками траектории. Основу прибора составляет направляющая рейка, по которой может скользить каретка. Вдоль одной из боковых сторон направляющей рейки расположен магнитный держатель и шкала с миллиметровыми делениями. Направляющая рейка устанавливается под углом к горизонту с помощью штатива. Кроме того, направляющая рейка может устанавливаться вертикально. В этом положении её шкала используется для определения перемещения тел в вертикальной плоскости.
Каретка имеет на верхней поверхности три отверстия для установки грузов. В выступающей части каретки запрессован постоянный магнит. Поле магнита имеет вертикальную ориентацию. Каретка имеет 2 отверстия для соединения с динамометром.
Время движения тела определяют электронным секундомером, пуск и остановка которого происходит по сигналам двух датчиков. Управление работой секундомера осуществляется в соответствии с прилагаемой инструкцией, приведенной ниже.
Датчик секундомера представляет собой нормально разомкнутый магнитоуправляемый контакт - геркон, размещенный в пластиковом корпусе. К корпусу датчика прикреплена полоска магнитной резины для его размещения на магнитном держателе направляющей рейки. Два датчика подключены соединительными проводами к общему разъёму, при этом они соединены параллельно. Контакт геркона замыкается под влиянием магнитного поля постоянного магнита каретки. При прохождении каретки мимо первого датчика происходит пуск секундомера, мимо второго - остановка. На датчиках нанесены метки, служащие для определения координат мест их установки на направляющей рейке.
Подготовка комплекта к работе
Настройка прибора для изучения прямолинейного движения производится в следующей последовательности.
Датчики устанавливают на магнитном держателе направляющей рейки. Для придания направляющей рейке необходимого наклона её край с началом шкалы линейки надевается на перекладину, которая предварительно закрепляется горизонтально с помощью муфты на стойке штатива. Рекомендуется верхний край направляющей рейки располагать на высоте 17 - 19 см от поверхности стола. Чтобы погасить скорость каретки в конце её движения, под другой край направляющей рейки подкладывают пластиковый коврик.
При подготовке опытов, где измеряется время движения каретки из состояния покоя, особое внимание следует уделить установке на направляющей рейке первого датчика, который должен запустить секундомер сразу же после начала движения каретки. Удерживая одной рукой каретку в исходном положении, другой медленно двигают вдоль неё датчик до того места, где произойдёт запуск секундомера. Движение датчика осуществляется снизу наклонной плоскости, т.е. со стороны, в которую каретка будет двигаться в эксперименте. Затем датчик сдвигают на некоторое расстояние назад, чтобы он вышел из зоны действия магнита каретки, а секундомер останавливают, нажав кнопку "СТАРТ / СТОП". Регулировку заканчивают, подобрав такое положение датчика, при котором сдвиг каретки на 1 - 2 мм вызывает запуск секундомера.
Направляющая рейка с кареткой используется также в работах по изучению силы трения в качестве трибометра, и при изучении наклонной плоскости.
Подвижный блок двигается по нити, одна петля которой закреплена к муфте штатива, а другая к крючку динамометра. Неподвижный блок закрепляется на муфте или на перекладине, которая для этого имеет резьбовое отверстие.
Рычаг крепится к муфте штатива, при этом его винт ввёртывается в муфту вместо одного из её винтов.
Работа с комплектом
Состав комплекта обеспечивает проведение лабораторного учебного эксперимента по механике в объеме курса физики средних общеобразовательных учебных заведений. Содержание лабораторных раб9т соответствует учебному материалу, изложенному в наиболее распространенных в настоящее время учебниках "Физика - 7" (Пёрышкин А.В., Родина Н.А.), "Физика - 9" (Кикоин И.К., Кикоин А.К.) и "Физика - 9" (Шахмаев Н.М. и др.).
Лабораторные работы, для проведения которых предназначен комплект, представляют собой систему экспериментальных заданий, целью которой является более осознанное усвоение учебного материала, формирование важнейших физических понятий, используемых для описания механического движения, развитие представлений об устройстве и принципе действия простых механизмов, знакомство с методами измерений некоторых физических величин, развитие экспериментальных умений учащихся и навыков работы с измерительными приборами.
Поскольку лабораторные работы по изучению прямолинейного движения с использованием электронного секундомера в методической литературе, изданной к моменту создания комплекта, не описаны, в его состав включены инструкции для учеников по выполнению таких работ.
Работы, в которых не требуется измерения времени движения, могут проводиться также по прилагаемым инструкциям, либо в соответствии с той методикой, которая описана в соответствующих пособиях для учителей и учебниках, названных выше.
Полный перечень работ, выполняемых с комплектом, представлен в оглавлении.
Работы № 1 - 7 рекомендуется проводить фронтально при изучении разделов механики курса физики седьмого класса.
Работы № 8, 10, 14 - 19, 21 проводятся фронтально с учениками девятого класса.
Работы № 9, 11 - 13, 20 проводят в девятом классе при проведении занятий физического практикума.
ЭЛЕКТРОННЫЙ СЕКУНДОМЕР
Назначение и технические характеристики.
Электронный секундомер предназначен для использования в составе комплекта для изучения законов механики на уроках физики средних общеобразовательных учебных заведений при проведении лабораторных работ и работ физического практикума.
Секундомер позволяет:
• измерять промежутки времени длительностью от 0,01 с до 100 с;
• измерять время прохождения телом отдельных участков траектории с точностью 0,01с;
• режим работы: ручной / автоматический
Питается прибор от батарейки типа "Крона" напряжением 9 В. Батарея устанавливается в отсек, находящийся в задней части корпуса. Батарею следует заменить при изменении цвета цифр на индикаторе с черного на светло-серый. Замену батареи производить при отключенных датчиках.
Работа с прибором
Для приведения электронного секундомера в рабочее состояние следует подключить датчики к электронному секундомеру, присоединив разъём датчиков к разъёму электронного секундомера.
При подключении разъёма датчиков электронный секундомер автоматически включится и обнулит индикатор.
Датчики подключены к прибору двумя соединительными проводами. Они срабатывают при замыкании их магнитоуправляемых контактов - герконов под действием магнитного поля. Магнитное поле создаётся постоянным магнитом, который закреплён на каретке. При замыкании одного из контактов происходит пуск секундомера, при замыкании второго - остановка. Сброс показаний секундомера и подготовка его к новому циклу измерений осуществляется кнопкой "Сброс".
При работе в ручном режиме отсчёт времени начинается нажатием кнопки "Старт / Стоп" и заканчивается при повторном нажатии на эту кнопку.
МЕХАНИКА
1. Градуирование пружины и измерение сил динамометром
Оборудование: • динамометр с закрытой шкалой • набор грузов по 10Ог
• штатив с муфтой и перекладиной • листок бумаги и скотч.
Выполнение работы:
1. Повторите назначение и принцип действия динамометра.
2. Закрепите листок бумаги с помощью скотча на шкале динамометра.
3. Закрепите муфту на стержне штатива на высоте
примерно 40 см от его основания. Затем в муфте закрепите перекладину, а на неё повесьте динамометр, как показано на рисунке. Сделайте метку напротив указателя динамометра, соответствующую его начальному положению.
Подвесьте к динамометру один груз. После того, как движение пружины прекратится, вновь сделайте метку напротив указателя.
Повторите опыт с двумя, тремя и четырьмя грузами, каждый раз отмечая метками положение указателя. Чтобы при использовании трёх и четырёх грузов они не касались поверхности стола, необходимо штатив поставить на краю стола, а перекладину расположить так, чтобы грузы свешивались за границы стола.
4. Подготовьте таблицу и занесите во второй столбец общую массу груза, который подвешивался к динамометру в каждом из четырёх опытов.
№ опыта | масса груза, кг | сипа тяжести, Н | «F ,Н (показание) |
|
|
|
|
7. Вычислите величину силы тяжести, которая действовала на груз, подвешенный к
динамометру в каждом опыте. Округлите полученные результаты до целых чисел.
8. В третьем столбце таблицы укажите примерную величину силы, которая приклады
валась к динамометру в каждом опыте.
9. Снимите динамометр со штатива и рядом с каждой меткой напишите соответствую
щее ей округлённое значение силы.
10.Измерьте расстояния между соседними метками и убедитесь, что они одинаковы. 11.Изготовьте шкалу с ценой деления 0,5Н. 12.Измерьте динамометром с самодельной шкалой вес каретки.
13.Снимите с динамометра изготовленную шкалу, повторите измерение веса каретки, пользуясь шкалой, нанесённой на динамометре, и сравните результаты двух измерений.
2. Измерение силы трения скольжения и сравнение её с весом тела
Оборудование: • направляющая рейка • каретка • набор грузов • динамометр.
Выполнение работы:
1. Повторите основные сведения о силе трения, силе упругости и весе тела.
2. Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:
№ опыта | Вес каретки, Н | Вес груза, Н | Вес каретки с грузом, Н | Сила трения, Н |
|
|
|
|
|
3. Подвесьте каретку к динамометру и определите её вес.
4. Положите перед собой направляющую рейки так, чтобы она расположилась на поверхности стола горизонтально, как показано на рисунке.
5.На направляющую рейки положите каретку и прицепите к ней динамометр. Придер-
живая одной рукой направляющую рейки, в другую руку возьмите динамометр и потяните за него так, чтобы он и каретка стали бы равномерно перемещаться вдоль рейки. Величина силы, которую при этом покажет динамометр, будет равна величине силы трения между поверхностями рейки и каретки. При измерении силы трения таким способом трудно добиться строго равномерного движения каретки и динамометра. Поэтому перед каждым измерением желательно проводить несколько пробных попыток. За показание динамометра следует брать среднее значение из двух крайних положений указателя. б.Занесите в таблицу результаты измерений, полученные в первом опыте.
7. Измерьте вес одного груза.
8. Вычислите и занесите в таблицу общий вес каретки с грузом.
9. Установите груз на верхней поверхности каретки, повторите опыт и занесите в таблицу измеренное значение силы трения.
10.Подвесьте к динамометру два груза и определите их общий вес.
11.Оба груза установите на каретке и определите силу трения для каретки с двумя грузами.
12.Вычислите, во сколько раз вес каретки с двумя грузами больше веса с одним грузом, а также во сколько раз сила трения, действовавшая на каретку с двумя грузами, больше той, которая действовала на каретку с одним грузом. Сравните изменение веса каретки с изменением силы трения.
13.Повторите вычисления для каретки с двумя грузами.
Еще раз проведите вычисления для каретки с одним грузом
Сделайте вывод о том, как меняется сила трения при изменении веса тела.
3. Выяснение условия равновесия рычага
Оборудование: • штатив с муфтой • рычаг • набор грузов • линейка • крючок - 2 шт.
Выполнение работы:
1. Повторите основные сведения о рычаге и определение плеча силы.
2. Муфту штатива закрепите на стержне на высоте около 40 см от поверхности стола.
3. Вставьте ось в центральное отверстие рычага и закрепите её в муфте. Убедитесь в том, что рычаг может вращаться вокруг оси без заметного трения.
4. Перемещая ползунки вдоль рычага, найдите такое положение, при котором рычаг располагался бы на оси горизонтально.
5. Для записи результатов измерений и вычислений подготовьте таблицу:
№ опыта | Р„Н | ,, см | F2,H | 2,см | ||
|
|
|
|
|
|
|
В таблице обозначено:
f1 - сила, стремящаяся вращать рычаг против часовой стрелки;
F2 - сила, стремящаяся вращать рычаг по часовой стрелке;
- плечо силы F1;
2 - плечо силы F2.
6. К правой части рычага подвесьте два груза, используя для подвеса второе отверстие от оси.
7.К левой части рычага подвесьте один груз. Место подвески этого груза
определите экспериментально так, чтобы рычаг сохранил равновесие.
8. С помощью линейки измерьте плечи сил.
9. Занесите данные первого опыта впервую строчку таблицы. При этом нужно учесть, что вес каждого груза составляет примерно 1Н.
10.Повторите опыт, оставив без изменения плечо и величину силы, приложенной к рычагу справа. К левой части рычага подвесьте два груза, выбрав место их подвески так, чтобы равновесие рычага сохранилось.
11. Определите плечи и величины сил, приложенных к рычагу в этом опыте. Данные занесите во вторую строчку таблицы.
12. К правой части рычага к первому отверстию от оси подвесьте три груза. К левой части рычага подвесьте один груз, выбрав место его подвески так, чтобы равновесие рычага сохранилось.
13. Определите плечи и величины сил, приложенных к рычагу в третьем опыте. Данные занесите в третью строчку таблицы.
14.К правой части рычага к четвертому отверстию от оси подвесьте один груз. К левой
части рычага подвесьте четыре груза, выбрав место их подвески так, чтобы равновесие рычага сохранилось.
15.Определите плечи и величины сил, приложенных к рычагу в четвёртом опыте. Данные занесите в четвертую строчку таблицы.
16. Для каждого опыта вычислите отношение сил - прилагавшихся к рычагу и отношение их плеч-
17. Сделайте вывод о том, в каком отношении должны находиться приложенные к рычагу силы и их плечи, чтобы он находился в равновесии.
4. Изучение устройства и действия неподвижного блока
Оборудование: • штатив с муфтой
• динамометр • неподвижный блок с нитью • набор грузов
• направляющая рейка • крючок
Выполнение работы:
1. Закрепите муфту на стержне штатива на высоте около 40 см от его основания. Прикрепите к ней неподвижный блок, ввернув его ось в торцевую часть муфты. Направляющую прибора для изучения прямолинейного движения установите вертикально, как показано на рисунке. Её шкала должна располагаться как можно ближе к блоку.
2. Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:
№ опыта | F1,H | Направление силы | S1, см | F2,H | Направление силы | S2, СМ |
|
|
|
|
|
|
|
3. Удерживая динамометр в руке вертикально, подвесьте к нему один груз. Определите величину силы F1 которая приложена к динамометру со стороны груза и её направление.
4. Перекиньте нить через блок и, придерживая динамометр рукой, вновь определите величину и направление силы F2, которая приложена к динамо
метру во второй части опыта.
5. Заметьте положение груза и динамометра относительно шкалы.
6. Плавно переместите динамометр на несколько сантиметров вверх или вниз и измерьте по шкале путь, который пройдет при этом груз – S1 и динамо
метр - S2.
7.Полученные данные о величине и направлении сил и путях груза и динамометра занесите в первую строчку таблицы.
8. Проведите второй опыт, повторив все действия с двумя грузами, третий опыт с тремя грузами и четвёртый с четырьмя.
9. После того, как таблица будет полностью заполнена, сравните для каждого опыта величины сил f1 и f2, которые прилагались к динамометру до при
менения неподвижного блока и с его применением. Сделайте вывод о том, позволяет ли получить неподвижный блок выигрыш в силе.
10. Сравните для каждого опыта пути, проходимые грузами и динамометром, и сделай те вывод о том, даёт ли неподвижный блок выигрыш в расстоянии.
11.Сравните для каждого опыта направления сил, которые прикладывались к динамо метру до применения неподвижного блока и с его применением, и сделайте вывод о том изменяет ли неподвижный блок направление действия силы.
5. Изучение устройства и действия подвижного блока
Оборудование: • штатив с муфтой • динамометр • подвижный блок • набор грузов • нить с петлями на концах • направляющая рейка • крючок
Выполнение работы:
1. Закрепите муфту на стержне штатива на высоте около 40 см от его основана
Вплотную к основанию штатива установите вертикально направляющую рейку чтобы её сторона со шкалой была бы обращена в сторону штатива.
2. Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:
№ опыта | F1 Н | направление силы | s1,cm | F2 | направление силы | S2, СМ |
|
|
|
|
|
|
|
3. Удерживая динамометр рукой вертикально, подвесьте к нему один груз. Определите величину силы F/, которая приложена к динамометру со стороны груза, и её направление.
4. Подвесьте груз с помощью крючка к подвижному блоку.
Подвижный блок с грузом с помощью нити и динамометра подвесьте к штативу. Для этого нить заводят под ролик блока, петлю на одном конце нити вешают на муфту штатива, петлю на другом конце соединяют с крючком динамометра. Придерживая динамометр рукой, вновь определите величину и направление силы fz, которая приложена к динамометру во второй части опыта.
5. Заметьте положение груза и динамометра относительно
шкалы.
6. Плавно переместите динамометр на несколько сантиметров вверх или вниз и измерьте по шкале путь, который пройдет при этом груз – S1 и путь, пройденный динамометром, - S2
7. Полученные данные о величине и направлении сил и путях груза и динамометра занесите в первую строчку таблицы.
8. Проведите второй опыт, выполнив все действия с двумя грузами, третий опыт с тремя грузами и четвертый с четырьмя.
9. После того, как таблица будет полностью заполнена,
сравните для каждого опыта величины сил F1 и F2, которые прилагались к динамометру до применения подвижного блока и с его применением. Сделайте вывод о том, позволяет ли получить подвижный блок выигрыш в силе.
10. Сравните для каждого опыта пути, проходимые грузами
и динамометром, и сделайте вывод о том, даёт ли подвижный блок выигрыш в расстоянии.
11. Обратите внимание на то, во сколько раз в каждом опыте получали выигрыш в силе и проигрыш в расстоянии.
12. Сравните для каждого опыта направления сил, которые прикладывались к динамометру до применения подвижного блока и с его применением, и сделайте вывод о том, изменяет ли подвижный блок направление действия силы.
6. Определение КПД при подъеме тела по наклонной плоскости
Оборудование: • направляющая рейка и каретка • динамометр • штатив с муфтой и перекладиной • набор грузов • линейка
Выполнение работы:
1.С помощью перекладины и муфты закрепите направляющую рейку в штативе так, чтобы один ее конец упирался в стол, а другой был бы приподнят над столом на высоту 15-20 см.
2.Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
№ | Вес каретки Р1 ,H | Вес грузов Р2 , Н | Вес каретки с грузом Р1+Р2, Н | Высота подъема h, м | Работа при вертикальном подъеме а1,Дж | Сила тяги Fт. H | Путь по поверхности s,m | Работа при движении по поверхности А2,Дж | кпд= 100%
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.Подвесьте каретку к динамометру и определите её вес – Р1.
4.Подвесьте к динамометру два груза и определите их суммарный вес - Р2.
5.Положите каретку на нижнюю часть направляющей рейки. Линейкой измерьте, на какой высоте над столом находится верхний край каретки и положение этого края на шкале направляющей рейки.
6.Подцепите к каретке динамометр и плавно потяните за него так, чтобы каретка стала бы двигаться равномерно вверх по направляющей рейке. Замерьте при этом силу тяги, которую покажет динамометр. Перемещают каретку до тех пор, пока она не окажется в крайнем верхнем положении.
У.После того, как движение каретки прекратится, вновь измерьте высоту верхнего края каретки над столом и её положение на направляющей рейке.
8.По разности высот верхнего края каретки до начала движения и после остановки определите высоту, на которую она поднялась -h. Полученное значение высоты выразите в метрах и занесите в таблицу.
9.Определите путь 5, пройденный кареткой по наклонной плоскости как расстояние между начальным и конечным положением края каретки на направляющей рейке. Измеренный путь выразите в метрах и занесите его значение в таблицу.
10.Вычислите работу, которую необходимо совершить для подъёма каретки с грузами вверх по вертикали – a1. Для равномерного движения тела вертикально вверх к нему нужно приложить силу F, равную по величине весу тела Р. Так как F = Р, то работа А1 этой силы может быть найдена как А1 = Р h, где h - высота подъема, a P -суммарный вес каретки и грузов.
11.Вычислите работу А2, которую совершили, поднимая тело на ту же высоту, перемещая его вдоль наклонной плоскости. При равномерном движении каретки вдоль плоскости на неё действовала сила тяги, которая была измерена динамометром. Под действием этой силы каретка прошла путь S, который тоже уже измерен. Следовательно, А2 можно определить, подставив в формулу F2 = FmS известные величины силы и пути.
12.Вычислите КПД - коэффициент полезного действия наклонной плоскости. В проделанном опыте наклонная плоскость использовалась для поднятия каретки с грузами на некоторую высоту. Полезная работа a1 состояла в подъёме груженой каретки по вертикали на высоту наклонной плоскости. Чтобы переместить каретку на эту высоту её тянули вдоль плоскости и затратили на это работу А2. Поскольку обе работы уже вычислены, можно рассчитать и коэффициент полезного действия наклонной плоскости.
7. Изучение "золотого правила" механики
Оборудование:
• штатив с муфтой • рычаг • динамометр • набор грузов «направляющая рейка • крючок
Выполнение работы:
1. Закрепите муфту на стержне штатива на высоте около 30 см от поверхности стола. Вверните ось рычага в торцевую часть муфты. Убедитесь в том, что рычаг может вращаться вокруг оси без заметного трения.
2.Установите направляющую рейку так, чтобы её шкала располагалась вертикально примерно за третьим отверстием правой части рычага. Экспериментальная установка показана на рисунке.
3. Перемещая балансиры вдоль рычага, найдите такое их положение, при котором ры
чаг располагался бы на оси горизонтально.
4. Для записи результатов вычислений и измерений подготовьте таблицу:
№ опыта | Сила f1, Н | Высота h1 м | Сила F2, Н | Высота h2, м | Работа Аь Дж | Работа А2, Дж |
|
|
|
|
|
|
|
5. Подвесьте к динамометру четыре груза, определите и занесите в таблицу величину действующей на них силы тяжести F1.
6. Подвесьте грузы ко второму отверстию правой части рычага. К четвёртому отверстию рычага прикрепите динамометр, как показано на рисунке. Удерживая динамометр в руке, добейтесь того, чтобы рычаг вновь расположился горизонтально.
7. Занесите в таблицу величину силы F2, которую показывает динамометр. Эта сила приложена к рычагу со стороны динамометра и уравновешивает действие силы тяжести грузов.
8. Заметьте положение грузов и динамометра относительно шкалы.
9. Медленно перемещая динамометр вверх, поднимите грузы на высоту 2-Зсм.
10. Измерьте по шкале высоту h1, на которую поднялись грузы, переведите результат в метры и занесите его в первую строчку таблицы.
11. Измерьте высоту h2, на которую поднялся при этом динамометр. Результат переведите в метры и занесите в таблицу.
12. Повторите опыт, подвесив два груза к первому отверстию, а динамометр прикрепив ко второму. Данные измерений занесите во вторую строчку таблицы.
13. Ещё раз повторите опыт, подвесив грузы к четвёртому отверстию, а динамометр - ко второму. Данные этого опыта занесите в третью строчку таблицы.
14. Для каждого опыта вычислите работу a1, совершённую рычагом по подъёму грузов. Со стороны грузов на рычаг действует сила тяжести F1. При равномерном движении со стороны рычага на грузы действует такая же по величине сила F = f1. Для небольших перемещений можно считать, что
путь, пройденный грузами, равен их перемещению по высоте, то есть s= h1. Учитывая эти соображения, можно вычислить работу a1= f1 h1.
15. Для каждого опыта вычислите работу a1, совершённую динамометром по поднятию грузов с помощью рычага. Работа А2 = F2 h2.
16. Сравните значения работ a1 и А2 и сделайте вывод, даёт ли такой механизм как рычаг выигрыш в работе.
8. Измерение скорости неравномерного движения
Оборудование: • прибор для изучения прямолинейного движения, • штатив с муфтой и перекладиной
Цель работы: определить значение скорости тела, двигающегося прямолинейно и равноускоренно, в заданной точке его траектории.
Измерение проводят двумя способами.
В первом способе используется зависимость скорости равноускоренного движения от времени: V= V0 +a t (1). Если движение начинается из состояния покоя, то есть V0 = О, то V = a t (2), где a - ускорение, a t - время движения. Для равноускоренного движения без начальной скорости справедливо соотношение s = , откуда а = (3). После подстановки в формулу (2) получают: V = и окончательно, сокращая на время,
V= (4).
Итак, чтобы определить этим способом скорость тела в данной точке траектории, достаточно измерить его перемещение из начального пункта до этой точки и время движения. Нужно помнить, что этим способом можно воспользоваться, когда тело движется из состояния покоя и с неизменным ускорением.
Второй способ основан на определении мгновенной скорости. Мгновенной скоростью называют скорость, которую имеет тело в данной точке траектории. Определяют её по отношению достаточно малого перемещения, совершенного при движении через эту точку, к интервалу времени, за которое перемещение совершилось. Фактически так измеряют среднюю скорость движения вблизи выбранной точки траектории. Поэтому, если скорость непрерывно меняется, точность этого способа будет зависеть от того, насколько малый временной интервал удастся замерить. Объясняется это тем, что чем меньше время движения, тем меньше успеет измениться его скорость, и, следовательно, точнее измеренное значение скорости будет соответствовать её истинному значению.
Чтобы убедиться в этом, проводят несколько опытов, каждый раз уменьшая величину отрезка траектории, включающего выбранную точку, а, следовательно, и время движения на этом отрезке. Полученные в каждом опыте значения скорости сравнивают со значением скорости, определённым первым способом.
Работа выполняется в следующей последовательности.
1. Собирают установку для определения скорости первым способом. Направляют рейку прибора для изучения прямолинейного движения устанавливают наклонно с помощью штатива. Верхний край рейки должен располагаться на высоте 18-19 см от поверхности стола. Под нижний край рейки подкладывают пластиковый коврик. Удерживая каретку на направляющей рейке в крайнем верхнем положении, так, чтобы её выступ с магнитом был обращен в сторону датчиков, вблизи её магнита размещают первый датчик. Он должен быть установлен так, чтобы секундомер запускался, как только каретка начнёт двигаться. Второй датчик устанавливают на расстоянии около 20 см от первого.
2. Измеряют расстояние между датчиками - 5.
3. Производят 6-7 пусков каретки, всякий раз записывая показания секундомера.
4. Вычисляют среднее значение времени движения каретки между датчиками - tcp.
5. Подставляя в формулу (4) значения S и tcp, определяют скорость. Полученное значение соответствует той скорости каретки, которую она имела в точке траектории, где установлен второй датчик. Для измерения скорости вторым способом необходимо сделать следующее: 1. Заметить на направляющей рейке место, где располагался второй датчик (точка А н рисунке). Датчики располагают на удалении! 5см от этой точки по обе стороны от не (точки В, АВ= 15см).
2. Измеряют и записывают расстояние между датчиками -S -
3. Пускают каретку, как и в первом опыте, из край него верхнего положения на направляющей рейке i записывают показания секундомера. Производят еще 5-6 пусков, записывая каждый раз время движении между датчиками. Вычисляют среднее время движения - t Ср
4. По формуле V = - определяют скорость каретки в точке А.
5. Опыт повторяют для расстояний ДВ=10 см, АВ=5 см и АВ=2,5 см.
6. Значения скорости, вычисленные по результатам каждого опыта, сравнивают с тем, которое измерено первым способом. Делают вывод о том, как влияет величина интервала времени, в течении которого наблюдают за движением тела, на совпадение значений мгновенной скорости, определенной вторым способом, с величиной скорости, которую определили первым способом, используя зависимость скорости равноускоренного движения от времени.
9. Исследование зависимости скорости равноускоренного
движения от времени
Оборудование: • прибор для изучения прямолинейного движения и перекладиной
штатив с муфтой
Цель работы: состоит в проверке утверждения о том, что скорость тела, движущегося равноускоренно по прямой, изменяется прямо пропорционально времени движения.
Из определения ускорения следует, что скорость тела V, двигающегося прямолинейно с постоянным ускорением, спустя некоторое время / после начала движения может быть определена из уравнения: V = Vo+at(1). Если тело начало двигаться, не имея начальной скорости, то есть при V0 = О, это уравнение становится более простым: V = at (2). Отсюда следует, что тело, двигаясь из состояния покоя с постоянным ускорением а, спустя время t1 с момента начала движения, будет иметь скорость V1 =at1 спустя время t2 его скорость будет V2=at2, спустя время t3 - скорость V3 =at3 и т.д. Причём, можно утверждать, что V2: V1 = t2: tb V3: V1 = t3: t1 и т.д. (3).
Чтобы проверить эти соотношения, необходимо определить значения скорости тела V1 ,V2 и V3, которые оно имело спустя промежутки времени t1, t2 и tз после начала движения из состояния покоя.
Скорость в заданной точке траектории можно определить, зная перемещение тела из состояния покоя до этой точки и время движения. Действительно, при движении из состояния покоя (Vo = 0) с постоянным ускорением перемещение определяется по формуле
S= at2/2, откуда a = 2S/t (4). После
подстановки формулы (4) в (2):V = a t = и сокращения на t получают:
V= (5).
Для выполнения работы направляющую рейки устанавливают с помощью штатива в наклонном положении. Её верхний край должен находиться на высоте 18-20 см от поверхности стола. Под нижний край подкладывают пластиковый коврик. Каретку устанавливают на направляющей в крайнем верхнем положении, причём её выступ с магнитом должен быть обращен в сторону датчиков. Первый датчик размещают вблизи магнита каретки так, чтобы он запускал секундомер, как только каретка начнёт двигаться. Второй датчик устанавливают на удалении 20-25 см от первого. Далее работу выполняют в таком порядке:
1.Измеряют перемещение, которое каретка совершит, двигаясь между датчиками – S1.
2.Производят пуск каретки и измеряют время её движения между датчиками – t1.
3.Повторяют пуск каретки 6-7 раз, каждый раз записывая показания секундомера.
4.Вычисляют среднее время движения каретки t1 cp по участку S1.
5.По формуле (5) определяют скорость, с которой двигалась каретка в конце первого участка: V1 =
6.Увеличивают расстояние между датчиками на 5см и повторяют серию опытов для 2S измерения скорости тела в конце второго участка: V2 = -. Каретку в этой серии опытов, как и в первой, пускают из крайнего верхнего положения.
7.Проводят ещё две серии опытов, увеличивая в каждой серии расстояние между датчиками на 5 см. Так находят значения скорости V3 и V4
8.По полученным данным проверяют справедливость отношений:
9.V2: V1= t2 cp:t1 cp; V3: V2 = t3 cp: t2 cp и V4: V2 = t4 cp t2 cp.
1 0.Строят график зависимости скорости от времени движения.
10. Измерение ускорения движения тела
Оборудование: • прибор для изучения прямолинейного движения • штатив с муфтой и перекладиной
Цель работы: состоит в том, чтобы определить величину ускорения, с которым тело соскальзывает с наклонной плоскости, и доказать, что оно при этом движется равноускоренно.
При равноускоренном движении тела по прямой линии перемещение, которое оно совершает, ускорение, начальная скорость и время движения связаны соотношением S=V0t+
Если тело начинает движение из состояния покоя, то есть его начальная скорость равна нулю, то его перемещение будет изменяться со временем по закону: S = (2). Этим уравнением удобно воспользоваться для определения ускорения движения тела. Из формулы (2) следует, что а = (3). Следовательно, для того, чтобы узнать ускорение тела достаточно измерить его перемещение S и время движения t, за которое оно произошло.
Если перемещение тела из состояния покоя и время, затраченное на него, измерить на разных участках траектории, а затем для каждого участка по формуле (2) вычислить ускорение, и при этом окажется, что значения ускорений на всех участках совпадают, то можно утверждать, что тело двигалось с постоянным ускорением, то есть равноускоренно.
В данной работе ускорение измеряют с помощью прибора для изучения прямолинейного движения. При этом рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.
1. Направляющую рейки, по которой будет соскальзывать каретка, с помощью штатива закрепляют наклонно, так чтобы её верхний край находился бы на высоте 18-20см от поверхности стола. Под нижний край подкладывают пластиковый коврик. Каретку удерживают на направляющей в крайнем верхнем положении. Выступ каретки с магнитом дол- жен быть обращен в сторону датчиков секундомера. Первый датчик устанавливают на направляющей рейке вблизи магнита каретки. Его положение следует отрегулировать особенно тщательно, так, чтобы секундомер начинал работу, как только каретка придёт в движение. Второй датчик располагают на удалении 20-25 см от первого.
2.По шкале прибора измеряют и записывают значение перемещения – S1, которое каретка совершит, двигаясь между датчиками.
З.Отпускают каретку и определяют время её движения между датчиками – t1.
4.Повторяют опыт 6-7 раз при неизменном расстоянии между датчиками и определяют среднее время движения на первом участке t1cp.
5.Вычисляют ускорение каретки на этом участке: а 1=
б.Увеличивают на 5 см расстояние между датчиками и измеряют значение перемещения S2
7.Проводят 6-7 пусков каретки, всякий раз определяя время её движения между датчиками – t2, и вычисляют его среднее значение – t2ср
8.Определяют ускорение каретки на втором участке траектории – а2.
9.Ещё раз увеличивают расстояние между датчиками на 5 см, повторяют все измерения и определяют величину а3.
10.Сравнивая значения ускорений а1, а2, а3, делают вывод о том, насколько движение каретки было равноускоренным.
11. Исследование зависимости перемещения от времени при равноускоренном движении
Оборудование: • прибор для изучения прямолинейного движения • штатив с муфтой и перекладиной
Цель работы:
состоит в проверке одного из основных уравнений прямолинейного равноускоренного движения, связывающего перемещение тела с его начальной скоростью, ускорением и временем движения:
(1)
Проверить справедливость этого соотношения можно, если измерить перемещение, совершённое телом на определённом отрезке траектории, и сравнить результат измерения с тем значением, которое получено при расчёте по формуле (1).
Схема установки для опыта представлена на рисунке.
Тело соскальзывает по наклонной плоскости. Движение начинается из точки 1, где в начальный момент оно покоилось. Справедливость формулы (1) проверяют для участка траектории 2-3. Расстояние между точками 2 и 3 измеряют по шкале. Оно будет соответствовать перемещению, совершенному телом на этом участке траектории. Это же перемещение можно определить по формуле (1). Чтобы воспользоваться формулой (1), нужно знать v023 -начальную скорость движения тела на участке 2-3, ускорение а и время движения t2з между точками 2 и З.
Определяя ускорение а, учитывают, что тело в ходе опыта движется равноускоренно, то есть его ускорение в любой точке траектории одинаково. На участке 2-3 оно имеет тоже ускорение, что и на участке 1-2. Движение на участке 1-2 начинается из состояния покоя, следовательно, ускорение можно определить из формулы s12 = , откуда Скорость Vo23, которая будет у тела в точке 2, также можно определить, зная парамет ры его движения на участке 1-2. При равноускоренном движении скорость тела изменяется со временем по закону V = Vo + at. Для движения по участку 1-2, поскольку оно начинается из состояния покоя и v0 12= О, v = at В конечной точке этого участка - точке 2; тела будет скорость v2 =at12 (3). Если подставить сюда значение ускорения, определённое по формуле (2) v2 = t12, и сделать сокращение на t12, то v2 = . Но эта скорость является начальной скоростью для участка 2-3, то есть V2 = Vо23, откуда
V023 = (4).
Таким образом, ускорение и начальную скорость движения на исследуемом участке 2-3 можно узнать, измерив в ходе предварительного опыта перемещение S12 и время t12.
Для выполнения работы используют экспериментальную установку, основу которой составляет прибор для изучения прямолинейного движения. Направляющую рейки прибора с помощью штатива закрепляют наклонно так, чтобы её верхний край находился бы на высоте 18-20 см от поверхности стола. Под нижний край подкладывают пластиковый коврик.
Вначале проводят опыт для определения ускорения и начальной скорости Vo23- Каретку удерживают на направляющей в крайнем верхнем положении выступом с магнитом в сторону датчиков. Первый датчик размещают вблизи магнита каретки так, чтобы он запускал секундомер, как только она начнет двигаться. Второй датчик устанавливают на удалении 20-25 см от первого. Затем каретку отпускают и определяют по показаниям секундомера время движения на участке 1-2. При неизменном положении датчиков опыт повторяют 6-7 раз и вычисляют среднее значение времени t12 cp- По расстоянию между датчиками определяют перемещение S12. Используя формулы (2) и (4), куда подставляют среднее значение времени t12 Cp, вычисляют величину ускорения а и начальной скорости V023.
Затем первый датчик перемещают в точку 3, удалённую от второго датчика на 15-20см. Положение второго датчика должно остаться неизменным. Каретку запускают из того же крайнего верхнего положения на направляющей и определяют время её движения на участке 2-3. Повторив измерения 6-7 раз, вычисляют среднее время движения t23 Cp- По известным значениям ускорения а, начальной скорости V 02з и среднего времени движения t23 ср, используя формулу (1), рассчитывают величину перемещения S23, которое каретка должна совершить, двигаясь между точками 2 и 3 своей траектории.
Измеряют расстояние между датчиками, установленными в точках 2 и 3.
Рассчитанное значение перемещения S23 сравнивают со значением перемещения, измеренным непосредственно, как расстояние между этими точками.
12. Проверка соотношения перемещений при равноускоренном движении
Оборудование:
• прибор для изучения прямолинейного движения той и перекладиной
штатив с муфтой
Цель работы: состоит в проверке одного из главных признаков равноускоренного движения: перемещения, совершаемые телом за чередующиеся один за другим равные промежутки времени, соотносятся как последовательность нечётных чисел.
Из приведенного признака следует, что если за первый интервал времени тело совершило перемещение Sr, за следующий такой же интервал времени - S2, а потом S3 и т.д., то справедливо отношение S1: S2: S3... = 1:3:5....
Справедливо и обратное. Если отношения перемещений, совершённых телом на соседних участках траектории при движении по прямой из состояния покоя с постоянным ускорением, относятся как ряд нечётных чисел, то промежутки времени, за которые эти перемещения произошли, должны быть равны. Например, если перемещение sab (см. рисунок) совершено за время t2, а перемещение SBc - за время t2 и sab:sbc = 1:3, то t1 =t2
В |
Это последнее утверждение и проверяется в работе. С помощью штатива направляющую рейку прибора для изучения прямолинейного движения закрепляют наклонно. Верхний её край должен находиться на высоте 18-20 см от поверхности стола. Под нижний край подкладывают пластиковый коврик. Удерживая каретку в крайнем верхнем положении так, чтобы её выступающий край с магнитом был обращён к датчикам, устанавливают первый датчик. Он должен находиться вблизи магнита каретки и запускать секундомер, как только она придёт в движение (точка А на рисунке). Второй датчик размещают на удалении 9 см от первого (точка В).
Опыт проводят в такой последовательности.
1. Проводят десять пусков каретки. Всякий раз записывают показания секундомера. Вычисляют среднее значение времени движения на первом участке –
t1 cp.
2. Первый датчик перемещают в точку С, удаленную на 27 см от точки В. Второй датчик оставляют на прежнем месте.
3. Проводят ещё десять пусков каретки из того же верхнего положения на направляющей рейке, записывая показания секундомера. Вычисляют среднее значение времени движения на втором участке –t2ср
Сравнивают полученные значения времени движения на первом и втором участках и, обратив внимание на то, что перемещения, совершённые на этих участках относятся как 1:3, делают вывод о справедливости проверяемого утверждения.
13. Исследование движения тела под действием
нескольких сил
Оборудование:
• прибор для изучения прямолинейного движения той и перекладиной •
транспортир.
штатив с муфтой
Цель работы: состоит в определении коэффициента трения тела о поверхность плоскости, по которой оно равноускоренно соскальзывает.
Тело, соскальзывая по наклонной плоскости под действием сил тяжести, трения и реакции плоскости в случае, когда эти силы не уравновешивают друг друга, движется с ускорением a= g (sina- cosа) (1), где g - ускорение свободного падения, - коэффициент трения, а- угол наклона плоскости относительно горизонтального направления.
Решая это уравнение относительно можно получить формулу для определения коэффициента трения (2)
Из формулы (2) следует, что для определения достаточно знать угол наклона плоскости а, ускорение движения тела а и величину ускорения свободного падения g. Если тело движется из состояния покоя, то его ускорение можно узнать, измерив перемещение и время, за которое оно совершилось: а = (3).
Выполняют работу в следующей последовательности:
1. Направляющую рейки прибора устанавливают с помощью штатива наклонно чтобы её верхний край оказался на высоте 18 - 20 см от поверхности стола. Под нижний край подкладывают пластиковый коврик.
2. Удерживая каретку на направляющей рейке в крайнем верхнем положении, первый датчик устанавливают так, чтобы он запустил секундомер, как только каретка начнёт Д1 двигаться. Второй датчик размещают на удалении 30 см от первого.
3. По шкале на направляющей рейке определяют координату первого датчика – X1, второго – Х2
4. Вычисляют перемещение S, которое совершит каретка, двигаясь между датчиками: S= Х2 - X1
5. Производят пуск каретки и определяют время её движения между датчиками - 1. Секундомер обнуляют. Опыт повторяют 6-7 раз и вычисляют среднее значение времени движения tcp.
6. Транспортиром определяют угол наклона направляющей а.
7. Воспользовавшись формулой (3), вычисляют ускорение каретки, подставляя в знменатель среднее значение времени tcp.
По формуле (2) определяют - коэффициент трения каретки о поверхность рейки.
13.Измерение жёсткости пружины
Оборудование: • Штатив с перекладиной и муфтой • набор грузов • динамометр
• направляющая рейка • крючок.
Цель работы:
состоит в том, чтобы определить коэффициент жёсткости пружинь динамометра.
Способ измерения жёсткости пружины, которым пользуются в работе, основан на ис пользовании графика зависимости силы упругости, возникающей в пружине при её растяжении от величины удлинения.
Удлиняться пружина динамометра будет под действием веса подвешенных к нему грузов. Удлинение происходит до тех пор, пока вес груза не уравновесится силой упругости пружины.
Удлинение пружины измеряется непосредственно по шкале направляющей рейки.
Величину силы упругости определяют по показаниям динамометра.
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений:
№ опыта | Модуль силы,упругости, Н | Модуль удлинения, *10 -3м |
|
|
|
i |
2. Закрепите муфту с перекладиной на стержне штатива на высоте около 30 см от поверхности стола. На перекладину повесьте динамометр, как показано на рисунке. Направляющую рейку установите вертикально. Её шкала должна располагаться вблизи указателя динамометра.
3.Заметьте положение стрелки динамометра относительно шкалы.
4.Подвесьте к динамометру один груз и по шкале с миллиметровыми делениями определите удлинение его пружины в миллиметрах. Удлинение находят как разницу двух положений указателя динамометра на шкале при нагруженном и ненагруженном динамометре.
5.По шкале динамометра измерьте величину силы упругости.
6.Результаты измерений занесите в таблицу.
7.Подвесьте к динамометру два груза и вновь оп
ределите удлинение пружины и величину силы упру
гости.
8. Повторите опыт с тремя и четырьмя грузами. Чтобы в случае трёх и четырёх грузов они не касались поверхности стола, необходимо штатив расположить на краю стола, а перекладину расположить так, чтобы грузы свешивались за границы стола. Направляющей рейкой и в этом случае можно измерить удлинение пружины динамометра.
9. Начертите координатные оси для построения графика зависимости силы упругости от величины удлинения.
1 0. Нанесите на координатной плоскости соответствующие результатам каждого опыта точки.
11. Постройте график зависимости силы упругости от величины удлинения пружины. Если точки не ложатся на одну прямую, то провести линию графика надо так, чтобы половина точек расположилась по одну сторону от нее, а другая половина - по другую.
1 2. По графику определите коэффициент жёсткости пружины. Для этого в средней части графика возьмите произвольную точку, опустите от нее перпендикуляры на координатные оси и определите соответствующие этой точке величины удлинения и силы упругости. По полученным значениям этих величин на основании закона Гука вычислите коэффициент жёсткости (или, короче, жёсткость) пружины:
=
15. Измерение коэффициента трения скольжения
Оборудование: • направляющая рейка • динамометр • каретка • набор грузов.
Цель работы: состоит в определении коэффициента трения между пластиковыми поверхностями направляющей рейки и каретки.
Измеряют эту величину по графику зависимости силы трения от силы нормального
давления.
Силу трения можно определить, если к каретке, лежащей на горизонтальной поверхности, присоединить динамометр и потянуть за него вдоль поверхности так, чтобы каретка стала бы двигаться равномерно. При равномерном скольжении сила трения, действующая на каретку, будет равна силе упругости растянутой пружины динамометра. Следовательно, динамометр будет при этом показывать величину силы трения.
Сила нормального давления тела на горизонтальную поверхность, на которой тело покоится или движется, равна весу этого тела. Таким образом, эту силу можно измерить, определив с помощью того же динамометра вес каретки.
Порядок выполнения работы:
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений.
№ опыта | Вес каретки Рк, Н | Вес грузов Рг Н | Вес каретки с грузами Р=Рк+Рг, Н | Сила трения Fтр, Н |
|
|
|
|
|
2. Направляющую рейки прибора для изучения прямолинейного движения положите на стол горизонтально (см. рисунок в эксперименте 2 "Измерение силы трения скольжения и сравнение её с весом тела")
3. Подвесьте каретку к динамометру и определите её вес.
4. Поместите каретку на одном из концов направляющей рейки. К каретке прицепите динамометр. Плавно потяните за динамометр вдоль направляющей рейки так, чтобы каретка стала перемещаться с постоянной скоростью.
5. По показанию динамометра при равномерном движении каретки определите действующую на неё силу трения.
6. Данные измерений первого опыта занесите в первую строчку таблицы. Вес груза в этом опыте был равен нулю (Рг = О).
7. Отсоедините динамометр от каретки, подвесьте к нему один груз и определите его вес.
8. Укрепите груз на каретке. Подцепите к ней динамометр и повторите опыт для измерения силы трения, действующей на каретку с одним грузом. Данные всех измерений этого опыта занесите во вторую строчку таблицы.
9. Проведите третий опыт, нагружая каретку соответственно двумя грузами.
10. По данным таблицы постройте график зависимости силы трения от веса каретки. При проведении линии графика следует стремиться к тому, чтобы она прошла симметрично относительно точек, нанесённых на координатную плоскость. (Точки поровну должны распределиться по обе стороны линии.)
11. Возьмите произвольную точку А на линии графика, опустите из неё перпендикуляры на оси координат и опред
Дата добавления: 2015-08-28; просмотров: 219 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
4. Комплект технологических карт | | | Комплект Цветочки из жемчуга Материалы. • Бисер основного цвета - 15 гр. • Бусины диаметром 4 мм • Бусины диаметром 5 мм • Бусины диаметром 6 мм • Капроновая нить, в тон бисера • Две |