Кабінет методики навчання фізики

 

Лабораторна робота

Демонстраційний експеримент з динаміки

 

 

Слов’янськ 2011

·

 

ДИНАМІКА. ЗАКОНИ НЬЮТОНА.

 

Лабораторна робота

 

МЕТА: Ознайомитися з методикою та технікою проведення основних дослідів з динаміки.

ЛІТЕРАТУРА:

Література:

1. В.Г.Бар`яхов, Ф.Я.Божинова.Физика. 10кл. Х: «Ранок», 2010 – 256с.

2. Коршак Є.В. Фізика: 8 кл. –К: «Генеза», 2008

3. Л.И.Анциферов. Практикум по школьному физическому эксперименту. -М: «Просвещение», 1984

4. В.А.Буров. Демонстрационные опыты по физике в СШ. Ч.1. -М: «Просвещение», 1970

5. А.А.Марголис. Практикум по школьному эксперименту. -М: «Просвещение» 1997

6. Є.В.Коршак. Методика і техніка шкільного фізичного експерименту. -Київ: «Вища школа», 1981

7. Б.Ю.Миргородський. Демонстраційний експеримент з фізики. -К: «Освіта», 1987

8. Г.И.Жерехов. Демонстрационный эксперимент по механике.

9. Н.М.Шахмаев. Физический эксперимент в СШ. -М: «Просвещение», 1989

 

ЗАВДАННЯ 1:

Повторити по шкільних підручниках 8 та 10 кл. теми “Основи кінематики”, “ Основи динаміки”.

З'ясувати основні поняття: маса, сила, сила тяжіння, коефіцієнт тертя, центр мас, доцентрове прискорення, закони Ньютона, характер руху під дією сил різної природи.

 

ЗАВДАННЯ 2:

Ознайомитись з приладами для демонстрації дослідів з теми:

Ä машина Атвуда,

Ä обертовий диск з приладдям,

Ä метроном,

Ä секундомір демонстраційний /СЕД/,

Ä динамометри /демонстраційний, Бакушинського/.

Л.: 2 с.115, 106-109, 114, 3 с.28-34, 9 с.1-5, 11.

ЗАВДАННЯ 3:

Продемонструвати досліди з 1 закону Ньютона:

Ä проява інерції, Л.: З с. 47-48 /Буров/;

Ä явище інерції, Л.: 8 с. 47-49;

Ä інертність тіл Л.: с.52-53, 6 с. 65;

Ä ввести поняття маси тіла, продемонструвати взаємодію тіл, прискорення при взаємодії.

10 с. 90-93, 6 стор. 59.

 

ЗАВДАННЯ 4:

Продемонструвати досліди з 2 закону Ньютона – а ~ F/m:

Ä підтвердження 2 закону Ньютона;

Ä визначення доцентрового прискорення;

Л.:2 с.120-122, 3 с.49, 6 стор. 67-68.

Ä дослід з машиною Атвуда.

 

ЗАВДАННЯ 5:

Продемонструвати досліди з 3 закону Ньютона.

Л.: 6 с.73-74, 2 с. 122, 4 с.121

 

Машина Атвуду настільна електрифікована:

(мал. 167) призначена для демонстрації дослідів по кінематиці і динаміці прямолінійного руху. Прилад складається з дерев'яної планки, яку за допомогою сталевого стержня можна вертикально укріплювати на тренозі від універсального штатива (мал. 168- верх лицьової сторони, мал. 169-низ тильної сторони).

На планці нанесена шкала-86 см. Вверху планки укріплений блок. Через блок перекинута нитка, до кінців якої підвішують вантажі. Вантажі є циліндрами, що згвинчуються. Кожен вантаж складається з двох частин (верхньої і нижньої); кожна з них має порожнини, що закриваються кришкою з різьбленням. Порожнини можна заповнювати дробом для компенсації тертя в дослідах по динаміці. Перевантаження 2 вирізані з листового металу. Маса перевантажень 2 і 4 г.

У верхній частині планки з двох сторін змонтовані гнізда для установки електромагнітного пускача 3. На планці встановлена колодка з чотирма затисками для підключення джерела струму (6 В) і секундоміра. Із зворотнього боку уздовж планки зроблений паз з двома токоведучими шинами, призначеними для підключення в ланцюг приймального столика 4. Підставка столика стопориться, але він може переміщатися у вертикальному напрямі декілька міліметрів. При установці столика у верхнє положення до упору ланцюг з токоведучими шинами замикається, а при його опусканні вниз розмикається.

У середній частині планки зміцнюється кільце із затиском, яке служить для знімання перевантаження в процесі руху вантажу через кільце. Приймач, столик і кільце можуть переміщатися уздовж планки при відпущеному стопорному гвинті.

Підготовка приладу до роботи зводиться до наступного. Прилад встановлюють вертикально. З цією метою один з підвішених вантажів вводять в кільце або встановлюють безпосередньо над столиком. За допомогою зрівняльних клинів або гвинтів, змонтованих на тренозі, добиваються вертикальності. При вертикальному положенні вісь циліндрового вантажу повинна пройти через центр кільця. Ланцюг збирають по малюнку 170, де Е - електромагнітний пускач, ПС - контакти приймального столика, З - затиски «Вхід» секундоміра, 1, 2, 3, 4 - затиски на колодці машини Атвуду, жирні прямі лінії Ш - струмоведучі шини приладу. Перед перевіркою електричного ланцюга переконуються, що нитка з вантажами проходить між якорем і сердечником електромагніту. При замкнутому ключі якір притягується до сердечника і стопорить нитку, одночасно розмикаються контакти електромагнітного пускача КЕ. Піднятий приймальний столик замикає контакти ПС, ланцюг секундоміра виявляється розімкненим. При розмиканні ключа електромагніт відпускає нитку, вантажі починають рух. Одночасно замикаються контакти КЕ, секундомір відлічує час. При ударі вантажу об приймальний столик контакти ПС розмикаються, секундомір зупиняється. Так автоматично відлічується час руху вантажів. У дослідах по динаміці необхідно враховувати, що частина енергії при русі системи під дією перевантаження витрачається на обертання блоку. Отже, в рівнянні mg-Ma, де т - маса перевантаження, g- прискорення вільного падіння, а - прискорення системи, М - маса всієї системи (тобто маса двох вантажів перевантаження і еквівалентна маса блоку).

 

 

 

Диск обертовий з приладдям:

служить для дослідів по обертальному руху. У набір входять металевий диск, тахометр 2, жолоб 3, два сталеві катки 4, тасьма 5, дуга 6, дві стійки 7, трубка з жолобом 8, стержень з кульками 9 (мал. 166).

 

 

Всі деталі укладають в спеціальний ящик. Для установки диска в робоче положення сталевий стержень укріплюють в тренозі універсального штатива. На стержень насаджують диск так, щоб двоступінчатий шків виявився знизу. Горизонтальність диска перевіряється рівнем, а регулюється або зрівняльними гвинтами (якщо вони змонтовані на тренозі), або клинами. Обертати диск можна уручну, за допомогою відцентрової машини або електродвигуна. У останньому випадку кільце з міцної нитки накидають на шків диска і на вісь електродвигуна. Обертання диска за допомогою електродвигуна дозволяє плавно регулювати число зворотів; це досягається зміною напруги за допомогою регулювальника РНШ.

Все приладдя встановлює на диску залежно від характеру досліду. Тахометр, жолоб, стопки закріплюють на диску за допомогою фасонних гайок. Тахометр має ділення. Якщо при обертанні диска схил тахометра встановлюється проти першого великого ділення, то диск робить 0,5 об/с, а якщо проти другого великого ділення, то 1 об/с. При установці тахометра необхідно стежити, аби площина його шкали була направлена уздовж радіусу диска.

Ділення на жолобі показують відстань від центру диска в сантиметрах. Уздовж жолоба можуть рухатися катки масою 250 і 500 г. За дужку катка можна зачепити тасьму, яку перекидають через блок, укріплений на кінці жолоба, і вільний кінець тасьми чіпляють гачком за динамометр.

Застосовуючи диск, що обертається, можна демонструвати різні досліди. Наприклад, якщо до дуги (див. мал. 166) підвісити кульку, напрям нитки якого проходитиме через центр диска, то можна продемонструвати маятник Фуко. Для цього кульку відхилюють і відпускають без бічного поштовху. Помічають, що площина коливань зберігається. Потім диск наводять в повільне обертання і переконуються в незмінності площини коливань маятника.

Для вивчення лінійної і кутової швидкості вісь диска можна укріпити в муфті штатива, тоді диск розташується у вертикальній площині.

 

Метроном:

 

призначений для гучного відліку рівних проміжків часу порядка секунди. Прилад є годинниковим механізмом, забезпеченим ударником (мал. 159).

мал. 159

Маятник механізму у вигляді сталевої смуги виступає з корпусу вгору. На маятнику знаходиться пересувний вантаж, що дозволяє міняти частоту коливань в межах від 40 до 208 ударів в хвилину. За маятником розташована вертикальна шкала, що дозволяє встановити движок відповідно до вибраної частоти коливань. Збоку на корпусі є ключ. Аби завести пружину механізма, потрібно зробити 4-5 зворотів по напряму годинникової стрілки.

При зберіганні движок опускають вниз, кінець маятника прибирають під планку, укріплену вище за шкалу, а потім закривають кришкою.

 

Секундомір демонстраційний СЕД:

(мал. 157) служить для виміру часу від 0 до 12с з точністю до 0,01 с; прилад застосовують також як датчик часу. Секундомір підключається до мережі змінного струму напругою 220 або 127 В. На лицьовій панелі приладу змонтовані вимикач мережі, перемикач роду роботи на два положення («Секундомір», «Датчик»), затиски «Вхід» і «Вихід». Велика шкала містить 100 ділень (ціна ділення 0,01 с), а мала-12 ділень (ціна ділення 1 с). Дві червоні стрілки, служать для установки часу, коли прилад працює в режимі датчика. На верхній кришці корпусу змонтовано дві кнопки: «Пуск», «Установка нуля». Для роботи приладу в режимі секундоміра перемикач роду роботи встановлюють в положення «Секундомір». Після установки ключа в положення «Вкл» починає працювати електродвигун приладу, шум якого чутний досить добре. Натисненням кнопки «Установка нуля» включають привід, що обертає чорні стрілки. Стрілки обертаються до моменту установки на нуль. Так прилад наводиться у вихідне положення. При натисненні на кнопку «Пуск» або при замиканні затисків «Вхід» починається відлік часу. Стрілки зупиняються відразу ж після відпуску кнопки «Пуск» або розмикання затисків «Вхід». Для установки приладу у вихідне положення потрібно знов короткочасно натискувати кнопку «Установка нуля».

Для вживання приладу як датчик часу перемикач роду роботи встановлюють в положення «Датчик». За допомогою ручки управління червоними стрілками встановлюють значення секунд і сотих доль секунди інтервалу часу, який повинен відлічити секундомір. Натисненням кнопки «Пуску» починається відлік встановленого інтервалу часу, зупинка стрілок здійснюється автоматично. Під час відліку затиски «Вихід» будуть замкнутими.

 

ДИНАМОМЕТРИ ДЕМОНСТРАЦІЙНІ

Призначення і пристрій

Динамометри демонстраційні з круглою шкалою до 12Н (мал. 1) служать для вимірювання сил в дослідах по механіці.

У комплект входять:

1) два динамометри 1 до 12 Н (мал. 1);

2) модель балки двотаврового перетину з діленнями завдовжки 600 мм;

3) два гачки Е;

4) дві тригранні призми В;

5) два блоки Г;

6) два столики Д.

Два динамометри з набором приладдя дають можливість демонструвати:

а) складання і розкладання сил;

б) визначення реакції опор на балку, лежачу на двох опорах;

в) закон Архімеда;

г) умова рівноваги важелів і ін.

Динамометр (мал. 2) виготовлений у вигляді круглого металевого кожуха, що має з одного боку циферблат із стрілкою, а з іншої - механізм.

Механізм складається з двох спіральних пружин а, надітих на осі Про, і зубчастої рейки б. Рейка пов'язує верхню вісь з нижньою і зчеплена з шестерінкою ст. До шестерні прикріплена стрілка С.

Механізм закритий металевою коробкою, з якої виходять кінці осі вгору і вниз. При дії сили на вісь Про (зверху або знизу) рейка переміщається і обертає шестерню разом із стрілкою вліво або управо.

За допомогою стержня Cm кожен динамометр зміцнюється на стійці фізичного штатива.

Під час демонстрацій динамометр можна повертати разом із стержнем в муфті штатива, на якому він прикріплений.

Регулювання механізму динамометра виробляється за допомогою коректорів До (мал. 2).

Диск із скла оберігає від пошкоджень стрілку Про динамометра і циферблат Ц. Шкала має вліво і вправо від нуля 12 ділень ціною один ньютон кожне. Таким чином, вся шкала розрахована на навантаження 12 ньютонов.

Цифри позначені на шкалі через кожних 2 ньютони - 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12; кожне ділення береться за один ньютон.

Циферблат разом із склом може з легким тертям обертатися відносно кожуха і стрілки, що дає можливість швидко і зручно встановлювати стрілку приладу на нуль шкали в різних положеннях.

Модель балки (мал. 1) має двотавровий перетин, що додає їй достатню жорсткість при незначній вазі і, крім того, дає можливість на верхній майданчик ставити гирі (навантаження при цьому не має бути більш 10н), а на нижню - підвішувати за допомогою гачків гирі або вантажі по механіці (мал. 3). По ребру балки з обох боків нанесена шкала з дев'ятьма чорними діленнями. Як опори при установці балки на динамометрах служать призми П, які насаджуються на стержень динамометра. Столики і блоки (мал. 4 і 5), як і призми, насаджуються на стержнях динамометрів, причому на столиках поміщаються гирі або інші вантажі, а через блоки перекидаються нитки з вантажами.

Динамометри з комплектом приладдя дають можливість здійснити наступні досліди.

1. Визначення реакції балки, лежачої на двох опорах. Дослід проводиться з двома динамометрами, встановленими на двох фізичних штативах (мал. 6). На осі динамометрів насаджують призми, а на призми поміщають балку в горизонтальному положенні.

Перед навантаженням балки стрілки динамометрів слід встановити на нуль, що спрощує завдання; за таких умов в подальших звітах вага балки виключається. Навантажують балку гирями, які ставлять на її верхню полицю, або за допомогою підвішування вантажів на гачок, що надівається на нижню полицю балки, як показано на малюнку 3.

Вироблене на балку навантаження реєструється обома динамометрами,що вказують величини реакції опор навантаженої балки.

 

2. Складання і розкладання сил може бути показане з одним динамометром (мал. 7а і 7б) і з двома (мал. 7в).

У прикладі складання сил, змальованому на малюнку 7а, гиря Р1, встановлена на столику, важить 2 Н, підвішені знизу важки Р2 важать також 2Н І. Динамометр показує 4 Н (після установки столика на вісь динамометра стрілка була приведена до нуля, тому вага столика в свідченнях виключається).

На малюнку 7б показаний варіант розкладання сил. В цьому випадку вісь динамометра прямує похило і нуль шкали встановлюється по осі.

Нитка, на яку підвішуються важки, одним кінцем прикріпляється до гачка осі, а інший варіант розкладання іншим - до якого-небудь гачка в стіні або на штативі. Тоді сили P1 і Р2 є такими, що становлять; R - рівнодійна, дорівнює врівноважуючим вантажам АН. У окремому випадку при а = 60°, Р1 = Р2*4 Н.

 

 

На малюнку 7в змальований інший варіант розкладання сил, коли використовуються два динамометри. В цьому випадку динамометри встановлюються на фізичних штативах на різній висоті. Вісь верхнього динамометра розташовують горизонтально, циферблат повертають так, щоб нуль і вісь збігалися. Висота розташування іншого динамометра підбирається з таким розрахунком, аби нитка, прикріплена до гачка осі першого динамометра, будучи перекинута через блок, насаджений на похило поставлену вісь другого динамометра, складала разом з віссю першого динамометра пряму лінію. До іншого кінця нитки підвішуються важки. В цьому випадку складові сили P1 і Р2 визначаються важками, свідченням верхнього динамометра, а рівнодійну силу R показує нижній динамометр.

 

3. Закон Архімеда можна продемонструвати з одним динамометром, скориставшись відерцем Архімеда, як показано на малюнку 8. До гачка динамометра підвішуються відерце і циліндр. Стрілка динамометра реєструє вагу циліндра і відерця: її положення корисно зафіксувати, наклавши на скло циферблату смужку мокрого білого паперу (проти кінця стрілки). Далі проводиться в звичайному порядку.

4. Розподіл сил в нерухомому блоці можна показати на установці, зібраній, як показано на малюнку 9. Блок за допомогою затиску прикріпляється до нижнього кінця осі динамометра, після чого стрілка приладу наводиться до нуля. Нитка з вантажем Р на одному кінці перекидається через блок. Інший кінець нитки стримується в руці. Стрілка динамометра в такому разі показує силу, рівну 2Р.

 

Регулювання приладу

Регулювання свідчень динамометра виробляється спеціальними коректорами До (мал. 2), крізь який проходить вісь приладу. Поворотом верхньої і нижньої гайок змінюють число робочих витків пружини, після чого виробляють поступове навантаження динамометра гирями, аби перевірити його свідчення за всією шкалою (з точністю до 2%).

При зберіганні динамометрів не рекомендується залишати їх під навантаженням.