Экспериментальные задачи по физике

 

Содержание.

Введение….………………………………………………………..………..3

Экспериментальные задачи

1. Суперудар……………………………………………………….……….4

2. Измерение силы, необходимой для обрыва нити……….………………6

3. Определение функциональной зависимости скорости вытекания струи жидкости из сосуда от уровня жидкости в нём……………………………7

4. Определение центра масс пустого сосуда……………………………..9

5. Определение коэффициента трения тела о стол………………………11

6. Измерение коэффициента трения………………………………………12

7. Исследование вращательного движения вращательного движения твердого тела………………………………………………………………14

8. Определение скорости истечения струи из ракеты………………….17

9. Определение начальной скорости свободно падающего тела……..19

Заключение…………………………………………………………………20

Список литературы……………………………………………………….21

 

 

 

 

 

 

Введение.

Физика – экспериментальная  наука. Постижение физических законов  и процессов не мыслимо без  эксперимента. Особенно интересным представляется эксперимент в виде задачи.

В данной работе предлагается ряд экспериментальных задач, которые  можно использовать как на уроках, так и в виде домашнего задания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суперудар.

После изучения темы «Законы  сохранения в механике» можно  предложить ученикам задачу, оборудование для которой легко найти даже дома – 2 мяча:

Известно, если тело бросить  без начальной скорости с некоторой  высоты, то после абсолютно упругого удара о поверхность оно не поднимется на высоту, больше первоначальной. Ситуация изменится, если бросить 2 тела друг за другом – верхнее тело поднимется выше первоначальной высоты.

При решении учитываем, что  все удары в системе абсолютно  упругие, центральные. Сопротивлением воздуха пренебрегаем:

После получения расчетной  формулы можно предложить ученикам проанализировать её, т.е. рассмотреть  случаи:

1) Массы 2 тел одинаковы,

2) Масса нижнего тела  во много раз больше массы  верхнего.

Успевающим и заинтересованным ученикам усложнить условия –  тела рассматривать не как материальные точки, а учитывать линейные размеры  мячей. Причем результат должен получится  тот же самый.

В качестве д/з предложить ученикам проделать опыт и описать  его (пояснить почему спичка вылетает из бутылки):

Налить в бутылку 1/3 воды. Поместить в бутылку спичку. Необходимо достать из бутылки спичку ударом ладони по боковой поверхности бутылки.

 

Измерение силы, необходимой  для обрыва нити.

При помощи простого оборудования — небольшой гирьки (100—200 г) и  миллиметровой бумаги определить силу, необходимую для обрыва нити (длина  нити 2—3 метра). Также используется заточенный карандаш, который можно  использовать только для рисования.

Проблема состоит в  том, что вес груза явно недостаточен для обрыва нити и не очень понятно, как из этого положения выходить.

Идея приемлемого варианта измерений основана на разложении сил. Подвесим груз к середине куска нити и начнём растягивать концы куска в стороны. При равновесии груза сила тяжести уравновешена векторной суммой сил натяжения с двух сторон точки подвеса. Можно измерить угол, составляемый частями нити с вертикалью, и провести вычисления:

 

На практике удобно провести вертикальную линию посредине и сделать на ней отметки пожирнее, чтобы они были лучше видны. Растягивать нить до тех пор, чтобы она проходила через две отмеченные точки — если лист миллиметровки перед глазами и мы растягиваем нить на его фоне, то всё видно очень хорошо. Останется только не пропустить отметку на вертикальной прямой, до которой поднялся груз перед самым обрывом нити. Все необходимые для расчёта отрезки будут на миллиметровке, для нахождения косинуса угла вовсе не понадобится измерять транспортиром сам угол — можно всё найти по отношению отрезков, а их можно измерить при помощи небольшого куска той же миллиметровой бумаги.

Ещё несколько существенных моментов. Прочность нити очень сильно меняется из-за наличия даже небольших  дефектов — поэтому не стоит цеплять грузик непосредственно крючком к нити (удобно использовать груз с крючком из набора по механике), лучше сделать из куска нити промежуточную петлю из нескольких витков. Не стоит завязывать узелок на «основной» нити или предварительно её растягивать — усилие обрыва может сильно измениться. Растягивать нить следует осторожно и не торопясь, но решительно. Не годится растянуть, не доводя до обрыва, отпустить немного, а потом уже потянуть сильно, нельзя и дёргать — даже несильно.

Домашнее задание также  может быть выполнено в виде экспериментальной  задачи на разложение сил. Пример — проградуировать пружинку (резинку) для измерения различных сил, используя только один грузик. Пример выполнения этой работы: подвесим груз на нити, на небольшом расстоянии от груза прикрепим к нити один из концов пружинки и потянем её в сторону, оставляя всё время горизонтальной. Горизонтальность пружинки и её удлинение можно контролировать и измерять при помощи куска миллиметровки, укреплённого на стене.

Этот способ особенно точен  при малых силах растяжения пружинки. Если же груз лёгкий, а пружинка тугая  и предназначена для существенно больших сил, то удобнее подвесить груз на пружинке и отводить его в сторону при помощи горизонтально расположенной нитки. Перед тем как давать подобный эксперимент школьникам, полезно упомянуть о возможности использования разложения сил в практической ситуации — например, разобрать известную проблему вытаскивания бегемота из болота при помощи прочной верёвки и расположенного рядом дерева. Без этого догадаться ребятам будет очень трудно.

 

 

Определение функциональной зависимости скорости вытекания  струи жидкости из сосуда от уровня жидкости в нём.

Ученикам  можно предложить исследовать функциональную зависимость  скорости вытекания жидкости из сосуда от уровня жидкости в нём. Для этого  необходимо изготовить устройство, скорость истечения жидкости из которого в  течение 30 с оставалась бы постоянной.

Оборудование: двухлитровая пластиковая бутылка с пробкой, шило, две пластмассовые трубочки (для коктейля), пластилин, подставка  для бутылки, линейка с миллиметровыми делениями, емкость для стока  воды.

Решение: Постоянство скорости истечения жидкости обеспечивает сосуд  Мариотта

Его устройство: в герметичный  сосуд сквозь пробку вставляется  длинная трубочка, сообщающаяся с атмосферой. В этом случае до тех пор, пока уровень воды в бутылке не опустится до нижнего края столба воздуха в вертикальной трубке, перепад давлений жидкости, обеспечивающей её истечение, будет постоянным и равным ρgН, где ρ - плотность воды, Н - высота столба воды, между нижним краем столба воздуха в трубке и отверстием.

 Давление воздуха внутри бутылки равно

p = p₀-ρgh,

где p₀ - атмосферное давление, h - расстояние от поверхности жидкости в сосуде до поверхности жидкости в трубке.

Изменяя величину Н, мы, тем самым, изменяем скорость истечения воды из бутылки. Скорость течения воды определяется по дальности полета струи.

Из закона Бернулли:

 

Следует, что скорость пропорциональна  квадратному корню из высоты H.

Прибор Мариотта позволяет  более точно измерить зависимость  скорости истечения от высоты уровня жидкости, т. к. при этом не меняется эффективный уровень жидкости. Из экспериментального графика определяется константа пропорциональности в зависимости:

 

Указание: диаметр трубочек должен быть 4 мм. Длина одной из них 4-6мм, длина другой - порядка 20 мм.

 

 

 

 

Определение центра масс пустого сосуда.

Задание: используя знания о законах равновесия плавающих тел, определить положение центра тяжести пустого цилиндрического сосуда.

Оборудование: большой сосуд, малый цилиндрический сосуд, мензурка, линейка, вода.

Решение: Центр тяжести С пустого стаканчика (малого цилиндрического сосуда) лежит выше так называемого центра давления О, т.е. точки приложения выталкивающей силы, действующей на стаканчик, погруженный в воду. Поэтому равновесие пустого стаканчика в воде неустойчивое: малейшее отклонение от вертикального положения приводит к появлению момента сил, стремящегося опрокинуть стаканчик.

Если приливать в стаканчик  воду небольшими порциями, то центр  тяжести стаканчика с водой будет  сначала понижаться, а центр давления- повышаться, так как стаканчик  будет глубже погружаться в воду. В тот момент, когда эти точки  совпадут, стаканчик принимает устойчивое вертикальное положение, что экспериментально легко зафиксировать.

Вводя обозначения  и для расстояний от точек C и О до дна стаканчика, а также глубины погружения стаканчика в воду и уровня воды налитой в стаканчик, как показано на рисунке, можно записать соотношение, определяющее положение центра тяжести стаканчика в момент установления равновесия:

(1)

где - масса стаканчика, - масса налитой в стаканчик воды.

В момент установления устойчивого равновесия, как уже отмечалось, центр тяжести стаканчика с водой совпадает с точкой приложения выталкивающей силы О, т. е.

Силы тяжести пустого  стаканчика и налитой воды можно определить так:

 

где S - площадь сечения стаканчика.

Подставляя эти данные в соотношение (1), окончательно получим:

 

Следовательно, для определения  положения центра тяжести пустого  стаканчика необходимо определить с помощью линейки глубину погружения в момент установления устойчивого равновесия. Для уменьшения ошибок измерения опыт следует проделать несколько раз.

 

 

 

 

 

 

 

Определение коэффициента трения тела о стол.

Задача: Определите коэффициент трения µ тела о поверхность стола.

Оборудование: два тела одинаковой массы, измерительная линейка, леска, стул, стол.

 Примечание: Наклонять стол запрещено, леску можно считать достаточно гладкой.

 

(1)

где m - масса тел, v - скорость тел непосредственно перед касанием падающим грузом стула.

Далее движущееся по столу  тело проходит по инерции путь L₂ до полной остановки. Его кинетическая энергия целиком расходуется на работу против сил трения

 (2)

Решая совместно уравнения (1) и (2), получим

 

L₂ вычисляется по разности всего пройденного телом по поверхности стола пути L и расстояния L₁ от начального положения падающего груза до стула.

Для получения надежного  результата необходимо провести несколько  измерений и усреднить результат. 

 

 

 

 

Измерение коэффициента трения.

Задание: Определите коэффициент  трения скольжения стали по алюминию.

Оборудование: алюминиевая пластина, стальной диск, измерительная линейка, брусок.

Методические указания: Для выполнения эксперимента можно использовать алюминиевую пластину длиной примерно 1 м и шириной 10—20 см. На расстоянии примерно 1/3 длины от одного конца пластину нужно изогнуть под углом 30°—40° таким образом, чтобы переход с наклонной плоскости на горизонтальную поверхность был плавным для свободного скольжения диска.

Решение: Необходимо установить диск у верхнего края наклонной плоскости и отпустить его. Диск скользит по наклонной плоскости до ее основания, затем продолжает движение по горизонтальной поверхности до остановки. Изменение потенциальной энергии диска равно работе А₁ сил трения при движении диска по наклонной плоскости и работе А₂ по горизонтальной поверхности:

 

 

Т.к. и   , то

 

 

Окончательно: 

 

Следовательно, для определения  коэффициента трения необходимо измерить высоту h начального положения диска и расстояние b.

Для повышения точности измерений  следует сделать 5—10 повторных измерений без изменений условий эксперимента, определить среднее значение расстояния b и вычислить коэффициент трения .

 

Исследование  вращательного движения вращательного  движения твердого тела.

Задание: Движение диска происходит из состояния покоя под действием сил тяжести и сил упругости двух вертикально расположенных нитей, навитых на горизонтальную ось диска («маятник Максвелла»). Рассчитайте время, за которое диск опустится на расстояние h. Результаты расчета проверьте экспериментально.

Оборудование: Диск грампластинки на оси, штатив, нить, линейка измерительная, секундомер, весы с разновесом.

Методические указания: Для экспериментальной задачи целесообразно использовать пластинку-гигант, в качестве оси можно использовать карандаш. Особое внимание необходимо обратить на закрепление диска на оси, предотвращающее возможность вращения диска относительно оси. Для этого надо точно подобрать диаметр стержня либо применить клей. При этом нужно проследить, чтобы плоскость диска была перпендикулярна стержню-оси.

Нити подвеса нужно  закрепить таким образом, чтобы  при движении диска они были вертикальными.

Решение: Скорость v центра масс системы и угловая скорость со вращения диска согласно закону сохранения энергии связаны с пройденным расстоянием h уравнением:

  (1)

где М и т — массы диска и стержня, I — момент инерции системы относительно оси, равный сумме момента инерции диска с отверстием:

 

 

и момента инерции I₂ стержня:

 

где R и r — радиусы диска и стержня, т. е:

 

Угловая скорость ω вращения диска и скорость v его поступательного движения связаны соотношением

 

Подставив формулы (2) и (3) в  выражение (1), получим:

 

Получилось, что скорость в любой момент времени пропорциональна корню квадратному из высоты падения, следовательно, движение диска равноускоренное. При ускоренном движении справедливы выражения:

 

Подставив в последнюю  формулу v из выражения (4), получим расчетную формулу для определения времени перемещения центра диска вниз на расстояние h: