Інформація для вчителів
Опис
Відповідно до закону Гука, сила , що розтягує пружину, пропорційна видовженню
Під дією сили тяжіння пружина розтягується на довжину і перебуває в положенні спокою
Простий пружинний маятник має верхню і нижню точки реверсу з відповідною амплітудою коливань ( ) відносно положення спокою. У верхній точці реверсу вся енергія системи зберігається у вигляді потенціальної енергії, тоді як у нижній точці реверсу вона повністю перетворюється в енергію натягу пружини. Таким чином, максимальна висота коливань дорівнює максимальному видовженню пружини:
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
попередні знання
Учні вже повинні мати базове розуміння того, як діють сили і як їх визначати за допомогою динамометра.
Принцип
Повна енергія замкненої системи не змінюється з часом. Цей факт ґрунтується на законі збереження енергії. Хоча енергія може перетворюватися між різними формами енергії, вона ніколи не втрачається. Крім того, у закриту систему можна вводити або виводити енергію.
Одиницею енергії ( (або ) в системі СІ є Джоуль:
Енергія розтягування спіральної пружини
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Учні мають зрозуміти, що енергія ніколи не втрачається, а лише перетворюється. Крім того, використовуючи закон збереження енергії, вони мають визначити енергію деформації пружини.
Завдання
- Визначте, яка сила необхідна для підйому вантажу, а яка - для розтягування пружини.
- Покладіть на пружину вантаж і відпустіть її вниз.
- Визначте енергію, що міститься в розтягнутій пружині.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках з природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Пружина як амортизатор на мотоциклі
У спіральній пружині енергія може бути збережена у вигляді енергії деформації при стисканні або розтягуванні пружини. Цей принцип також використовується, наприклад, у пружинних амортизаторах автомобілів. У цьому випадку удар, спричинений, наприклад, зіткненням з перешкодою, буквально пом'якшується, завдяки чому має відповідно більш м'який ефект для водія/пасажирів. Механічне навантаження на кузов автомобіля також утримується в межах допустимого.
У цьому експерименті досліджується перетворення простих форм енергії. Для цього необхідно вивчити взаємозв'язок між енергією руху та енергією деформації спіральної пружини.
Завдання
У цьому експерименті досліджується закон збереження енергії.
- Визначте яка сила потрібна для підйому вантажу, а яка - для деформації (розтягування) пружини.
- Повісьте тягарці на спіральну пружину і відпустіть. Спостерігайте за процесом і опишіть його, користуючись поняттям енергії.
- Визначте енергію розтягнутої пружини, використовуючи закон збереження енергії.
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 | 1 |
| 3 | Подвійна муфта | 02043-00 | 2 |
| 4 | Тримач для важків із прорізами, 10 г | 02204-01 | 1 |
| 5 | Гиря, 10 г, срібло/бронза | 02205-03 | 3 |
| 6 | Спіральна пружина, 3 Н/м | 02220-00 | 1 |
| 7 | Динамометр, прозорий, 2 Н | 03065-03 | 1 |
| 8 | Кріпильний болт | 03949-00 | 1 |
| 9 | Пластина зі шкалою | 03962-00 | 1 |
| 10 | Рулетка, l=2 м | 09936-00 | 1 |
| 11 | Тримач для скляної трубки | 05961-00 | 1 |
Підготовка (1/3)
З'єднайте дві половинки основи штатива.
Потім скрутіть штативні стрижні в один довгий стрижень.
Закріпіть довгий штативний стрижень вертикально в основі штатива.
Збірка основи штатива
Скручування штативних стрижнів
Кріплення штативного стрижня до основи штатива
Підготовка (2/3)
Підвішування пружини у отвір кріпильного болта
Закріпіть подвійну муфту на верхній частині штативного стрижня.
Потім закріпіть кріпильний болт у подвійній муфті.
Повісьте пружину в отвір кріпильного болта.
Підготовка (3/3)
Зафіксуйте стрічку рулетки в тримачі для скляних трубок і закріпіть його внизу штативного стрижня
Відрегулюйте довжину рулетки так, щоб нульова позначка перебувала на одному рівні з нижнім краєм пружини.
Закріплення рулетки в тримачі для скляних трубок
Регулювання вимірювальної стрічки
Виконання роботи (1/6)
Динамометр з вантажем
- Повісьте послідовно тягарці масою 10 г, 20 г, 30 г, 40 г з попередньо встановленим на нуль динамометром і для кожного визначте силу тяжіння (вагу) , Запишіть результати в таблицю в протоколі
- Прикріпіть спіральну пружину якомога вище на штативному стрижні.
- Потягніть донизу пружину за допомогою динамометра і визначте силу деформації при різних розтягненнях.
Визначення сили пружності
Виконання роботи (2/6)
Експериментальна установка
- Тепер підвісьте на спіральну пружину вантаж масою 40 г і нехай вона вільно опускається. Слідкуйте за процесом.
- Опустіть точку підвісу так, щоб вантаж ледь торкнувся столу в нижній точці реверсу коливань.
- Потім зупиніть вантаж, коли він торкнеться поверхні столу, відпустіть його і знову спостерігайте за процесом.
Вантаж на столі
Виконання роботи (3/6)
Визначення сили пружності пружини
- Підвісьте тягарець на спіральну пружину і визначте видовження пружини.
- Збільшуйте масу на 10 г до максимального значення 40 г і визначте видовження для кожної маси.
- Значення запишіть у таблицю в протоколі.
- Визначте висоту коливань за формулою і також запишіть ці значення в таблицю 1.
Виконання роботи (4/6)
Піднімання вантажу на пластину
- Закріпіть на штативі замість рулетки пластину за допомогою другої подвійної муфти.
- Встановити пластину на висоту , яку визначили для 10 г.
- Розташуйте на пластині тримач для важків масою 10 г (вантаж).
- Перемістіть точку підвісу пружини так, щоб її нижнє вушко було на висоті гачка на пластині.
Виконання роботи (5/6)
Тримач для важків, підвішений на пружині.
- Тепер підвісьте на пружину тримач для важків 10 г) і відпустіть її. Спостерігайте за процесом.
- Повторіть експеримент (3 рази)за попередньою процедурою для вантажів масою 20 г, 30 г, 40 г.
- Для кожного випадку переконайтеся, що визначена Вами висота коливань є правильною, тобто вантаж майже торкається поверхні столу (нижня точка реверсу).
Виконання роботи (6/6)
Розбирання основи штатива
- Щоб розібрати основу штатива, натисніть на жовті кнопки посередині і потягніть обидві половини в сторони.
Протокол
Таблиця
Запишіть величину розтягу , розраховану висоту і відповідні вагу (силу тяжіння) і енергію у таблицю.
10
20
30
40
Намалюйте на аркуші паперу графік залежності, що показує повне розтягнення по осі та енергії по осі .
m = 10g: dl [см]:
m = 10g: h [см]:
m = 10g: FG [N]:
m = 10g: WHub [Нсм]:
m = 20g: dl [см]:
m = 20g: h [см]:
m = 20g: FG [N]:
m = 20g: WHub [Нсм]:
m = 30g: dl [см]:
m = 30g: h [см]:
m = 30g: FG [N]:
m = 30g: WHub [Нсм]:
m = 40 г: dl [см]:
m = 40g: h [см]:
m = 40g: FG [N]:
m = 40г: WHub [Нсм]:
Завдання 1
Що Ви спостерігаєте під час підйому вантажу і розтягування пружини на динамометрі? Вставте слова в тексті в потрібне місце! Сила, ____ вантажу не залежить від ____ і є ____ для вантажу, тоді як під час розтягування ____, сила ____ зі збільшенням відстані.
Підйом вантажу і розтягнення пружини
Завдання 2
Експериментальна установка
Питання
Завдання 3
Вантаж у нижній точку реверсу
Питання
Завдання 4
Експериментальна установка
Питання