Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка для визначення результуючої сили на блоці
Якщо для відхилення нитки (волосіні), до якої прикладена сила, використовується блок, цей блок (шків) можна спрощено вважати безфрикційним (таким, що не має тертя). За такого припущення сили на обох кінцях нитки (волосіні) однакові.
Якщо ці сили також відомі, то можна визначити результуючу силу на опорі блока. Цю силу можна визначити або безпосередньо, вимірявши її за допомогою динамометра, або розрахувавши за допомогою математичної функції кута нахилу.
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
попередні знання
Учні повинні мати базове розуміння сил. Зокрема, вони повинні розуміти, як створюється паралелограм сил і як працюють сили в одному напрямку та в протилежних напрямках. Також учні повинні мати уявлення про те, як створюється сила , що виникає під дією зовнішніх сил.
Принцип
У цьому випадку результуючу силу можна виміряти безпосередньо або обчислити за допомогою математичних функцій кута.
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Учні мають навчитися визначати величину рівнодіючої сили, змінюючи кут між напрямками сил, що діють на блок, як експериментально, так і математично.
Завдання
- За допомогою блока відхиліть силу (вагу) і виміряйте рівнодіючу силу , що виникає на опорі блока.
- Визначте рівнодіючу силу в залежності від кута між силою та відхиленою силою .
У додатковому завданні учні, які знають тригонометричні функції, можуть обчислити результуючу (рівнодіючу) силу в залежності від , і кута .
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках з природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Блоки (шківи) парусної яхти
У багатьох технічних застосуваннях блоки (шківи) є важливими компонентами для зміни канатів і, таким чином, ефективний напрямок дії відповідних навантажень на канати в міру необхідності. Для спрощення розрахунку діючих сил, часто припускають, що шків не має тертя. Результатом такого спрощення є те, що сили, які діють на канат, однакові на обох кінцях каната.
У цьому контексті в блоки часто встановлюються ролики. Якщо вони розумно спроектовані та виготовлені, то сили, необхідні для підйому важких вантажів, можуть бути дуже малими.
У цьому експерименті Ви дізнаєтесь, які сили виникають при використанні блока.
Завдання
- За допомогою блока відхиліть вантаж і виміряйте рівнодіючу силу , що виникає на опорі блока.
- Змініть кут нахилу між вагою вантажу і відхиленою силою , а потім ще раз виміряйте рівнодіючу силу.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Основа штатива, PHYWE | 02001-00 | 1 |
| 2 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=600 мм, d = 10 мм | 02037-00 | 3 |
| 3 | Штативний стрижень, нерж. ст., з отвором, l=100 мм | 02036-01 | 2 |
| 4 | Подвійна муфта | 02043-00 | 2 |
| 5 | Динамометр, прозорий, 1 Н | 03065-02 | 1 |
| 6 | Динамометр, прозорий, 2 Н | 03065-03 | 1 |
| 7 | Тримач для динамометра | 03065-20 | 2 |
| 8 | Тримач для важків із прорізами, 10 г | 02204-01 | 1 |
| 9 | Гиря, 10 г, срібло/бронза | 02205-03 | 3 |
| 10 | Блок, рухомий, d=40 мм, з гаком | 03970-00 | 1 |
| 11 | Волосінь, d=0,7 мм, l=5 м | 02089-01 | 1 |
Додаткові матеріали
| Позиція | Матеріал | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | Кутовий диск (шаблон для копіювання) | 1 |
| 2 | Ножиці | 1 |
За наступним посиланням можна завантажити шаблон із кутовим диском:
Підготовка (1/3)
Спочатку скрутіть два штативних стрижня разом, щоб сформувати довгий стрижень. Тепер з'єднайте дві половини основи штатива з довгим штативним стрижнем і замкніть фіксувальні защіпки. Вставте два довгих штативних стрижня, що залишилися, в кожну половину основи штатива і закріпіть їх.
Скручування штативних стрижнів
З'єднання основи штатива з довгим штативним стрижнем
Закріплення штативних стрижнів
Підготовка (2/3)
Вставте два тримачі динамометра в короткі штативні стрижні 100 мм з отвором. Зафіксуйте подвійні муфти на штативному стрижні та закріпіть короткий стрижень з тримачем для динамометра в затискачі. За допомогою подвійної муфти зафіксуйте два динамометри та від'юстуйте їх за допомогою регулювальних гвинтів на позначку "нуль".
Вставте тримач динаметра в штативний стрижень
Кріплення штативних стрижнів до подвійної муфти
Встановлення і регулювання динамометрів
Підготовка (3/3)
Кріплення динамометра до штативного стрижня за допомогою подвійної муфти
Підвісьте блок на гачок (вушко) динамометра 1Н. Прикріпіть динамометр 1Н до верхньої частини правого штативного стрижня за допомогою тримача, а динамометр 2Н з тримачем динамометра в горизонтальному положенні - до лівого. Пропустіть через блок нитку (волосінь), з одного боку якої прив'язаний тримач для тягарців з прорізами, а вільний кінець нитки (волосіні) прикріпіть до динамометра 2Н.
.
Кріплення тримача з важками до блока
Виконання роботи (1/4)
Експериментальна установка
- Повісьте на тримач для важків 3 тягарця по 10 г () і відрегулюйте динамометр 2 Н так, щоб він перебував точно в горизонтальному положенні ().
- Переконайтеся, що що вантаж вільно звисає, а нитка (волосінь) може вільно рухатися.
- Зніміть показання обох динамометрів і запишіть виміряні значення відхиляючої сили і результуючої сили на блоці в таблицю 1 в протоколі.
Виконання роботи (2/4)
Розташування шкали в експериментальній установці для кута α=90°.
- Змініть кут нахилу між силою та , переміщуючи тримач динамометра 2 Н з горизонтального положення з горизонтального положення спочатку вертикально вгору, а потім горизонтально вниз. Послідовно встановіть кути 105°, 120°, 70° і 50°.
- Тримайте кутовий диск так, щоб його центр знаходився на перетині ліній дії сил.
- Для кожного положення кута зчитайте сили та і запишіть значення в таблицю 1.
Виконання роботи (3/4)
Виконання роботи (4/4)
Вертикально розташований динамометр ()
- Зніміть динамометр 2 Н з тримача і потягніть його вниз паралельно до сили ()
- Запишіть відповідні значення в таблицю 1 в протоколі.
Перед зчитуванням значень завжди перевіряйте всі встановлені кути за допомогою шаблону транспортира.
Вирівнювання встановленого кута за допомогою кутового диска
Протокол
Таблиця 1
Запишіть виміряні значення в таблицю. Розрахуйте силу для і також внесіть у таблицю
альфа = 90°: свіжі [N]:
альфа = 90°: F1 [N]:
90
120
105
70
50
0
ФГ [Н]:
альфа = 120°: F1 [N]:
альфа = 120°: свіжі [N]:
.
альфа = 105°: F1 [N]:
альфа = 105°: свіжі [N]:
альфа = 70°: F1 [N]:
альфа = 70°: свіжі [N]:
альфа = 50°: F1 [N]:
альфа = 50°: свіжі [N]:
альфа = 0°: F1 [N]:
альфа = 0°: свіжі [N]:
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Яка вага блоку ? Виміряйте за допомогою динамометра.
ФГ, котитися [Н]:
.
Яка маса блоку ?
Розрахуйте це, використовуючи знасення прискорення вільного падіння ().
ФГ [Н]:
.
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Питання
Завдання 6
Питання
Додаткове завдання 1
Накресліть на аркуші паперу паралелограм сил для кутів 70° і 120° за виміряними значеннями в таблиці 1. Визначте масштаб для сили, наприклад, 1 Н = 1 см . Накресліть на діаграмі результуючу силу і порівняйте її з виміряними значеннями з таблиці.
Тепер обчисліть для двох кутів за такою формулою для сил та :
Свіжі [N]: 120°:
50°:
120 70
Додаткове завдання 2
Питання