Повертальна сила у відхиленому маятнику

Сили, що діють у нитяному маятнику

Силу тяжіння , що діє через підвішену масу , можна розкласти на дві складові. Це, по-перше, сила у нитці, яка її натягує, і, по-друге, повертальна сила , яка тягне маятник у положення рівноваги. Повертальна сила залежить від відхилення маятника. У положенні рівноваги відхилення дорівнює отже теж , а дорівнює . Але якщо маятник відхилити, зростає за формулою:

У наближенні малих кутів при цьому справджується:

Тож для повертальної сили маємо:

Попередні знання

Перед виконанням цього досліду учні мають опрацювати базові знання з теми «Сила і сила протидії».

Принцип

Повертальну силу можна або визначити експериментально динамометром, або обчислити за відомими геометричними параметрами з використанням тригонометричних функцій. У наближенні малих кутів вона дорівнює:

Навчальна мета

Учні мають експериментально встановити, що повертальна сила, яка діє в маятнику, зростає зі збільшенням його відхилення.

Завдання

Учні мають виміряти у відхиленому маятнику повертальну силу залежно від відхилення для двох різних довжин маятника l. Крім того, вони мають обчислити відношення і та порівняти їх між собою. Те, що ці відношення мають бути приблизно однакові, вони мають вивести з паралелограма сил у відхиленому маятнику.

Зауваження: для бездоганних результатів бічна сила протидії F має прикладатися в центрі мас маятника, тобто шнур має бути закріплений між тягарцями на тримачі. Крім того, треба стежити, щоб сила завжди діяла перпендикулярно до нитки маятника.

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Маятник Ньютона

Маятники, а отже й гармонічні коливання, - фундаментальне поняття у фізиці. До того ж є безліч технічних застосувань у вигляді щоденних предметів: гойдалки, гімнастичні кільця чи маятник Ньютона, а також човники в парку розваг, кулі для знесення будівель, маятникові годинники або альпініст на спуску по мотузці.

Усі ці різновиди маятника мають спільну властивість: без зовнішніх сил вони через певний час повертаються в положення рівноваги (маса маятника під точкою підвісу). Причина цього - так звана повертальна сила, яку ти й досліджуватимеш у цьому досліді.

Дослідь у цьому досліді повертальну силу та її залежність від відхилення для двох заданих довжин маятника.

Дій так:

1. Визнач за допомогою динамометра
2. Змінюй відхилення .
3. Укороти довжину маятника і повтори дослід.

З'єднання штативних стрижнів

З'єднання штативних основ

Фіксація штативного стрижня

Закріплення утримувального болта в подвійній муфті

Затисни подвійну муфту на довгому вертикальному штативному стрижні й закріпи на ній утримувальний болт.

Затисни мірну стрічку посередині тримача скляних трубок.

Тепер установи все це на короткому штативному стрижні, який міцно прикручують у другій половині штативної основи.

Установлення тримача скляних трубок із затиснутою мірною стрічкою на штативному стрижні

Вантаж, підвішений волосінню на утримувальному болті

Зав'яжи петлі на обох кінцях шматка волосіні (завдовжки приблизно 30 см) і підвісь цією ниткою на утримувальний болт тримач тягарців із додатковими 90 г .

Візьми ще одну коротку нитку з петлями на кінцях.

Начепи одну петлю на стрижень тримача тягарців і поклади ще 100 г . Так ти забезпечиш, що петля прикладається в центрі мас маятника.

Волосінь у центрі мас вантажу

Відхилення маси на відстань

• Відхиляй маятник по черзі на .
• За кожного відхилення зчитай показання динамометра і запиши значення в таблицю 1 у протоколі.

• Підказка: завжди ретельно стеж, щоб напрямок, у якому тягне динамометр, був точно перпендикулярний до нитки маятника (кут 90°).

Вимірювання довжини маятника

• Виміряй довжину маятника .
• Це відстань від точки підвісу на утримувальному болті до центра мас вантажу.

• Тепер укороти довжину маятника приблизно на 10 см і виміряй довжину ще раз.
• Як і раніше, визнач для кожного відхилення відповідну повертальну силу.
• Запиши значення в таблицю 2 у протоколі.

Неповний рисунок для визначення діючих сил

Візьми аркуш паперу і зроби на ньому рисунок, як на зображенні.

Доповни свій рисунок складовими сили тяжіння, які діють на масу маятника у відхиленому стані паралельно й перпендикулярно до нитки, і накресли паралелограм сил для виміряних значень більшої довжини маятника за відхилення .