Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Потенціальна енергія та енергія пружної деформації
Перетворення енергії - щоденне явище.
На гідроелектростанціях, наприклад, потенціальна енергія перетворюється на кінетичну. З кінетичної енергії потім виробляють електричну.
У цьому досліді перетворення енергії простежують за допомогою пружини. Енергія пружної деформації перетворюється на енергію руху і потенціальну енергію та навпаки.
Інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають знати поняття енергії та роботи, а також механічні форми енергії.
Принцип
Повна енергія замкненої системи з часом не змінюється. Це випливає із закону збереження енергії. Енергія може переходити з однієї форми в іншу, але ніколи не зникає. Крім того, енергію можна ввести в замкнену систему або вивести з неї.
Одиниця енергії (або ) в СІ - джоуль:
Енергія пружної деформації гвинтової пружини дорівнює:
Інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають зрозуміти, що енергія може переходити в різні форми. Це показано на прикладі енергії пружної деформації, кінетичної та потенціальної енергії.
Завдання
Учні:
- Спостерігають, яка сила потрібна, щоб підняти масу, і яка - щоб розтягнути гвинтову пружину.
- Підвішують масу до гвинтової пружини і дають їй «впасти» на пружині. Крім того, спостерігають цей процес і описують його через поняття енергії.
- Визначають енергію, запасену в розтягнутій пружині, застосовуючи закон збереження енергії.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Зауваження:
Система «маса - пружина» здійснює коливання. Щоб визначити енергію пружної деформації в нижній точці повороту коливання, висоту маси у верхній точці повороту (нерозтягнута пружина) треба вибрати так, щоб у нижній точці повороту маса ледь торкалася стола (попередній дослід 1). Щоб надійно встановити цю висоту, спершу визначають видовження пружини під дією нерухомої маси (закон Гука), а потім подвоюють цю відстань: .
Інформація для учнів
Мотивація
На гідроелектростанціях потенціальна енергія перетворюється на кінетичну. З кінетичної енергії потім виробляють електричну.
Потенціальна енергія та енергія пружної деформації
Перетворення енергії - щоденне явище.
У цьому досліді ти познайомишся з перетворенням енергії за допомогою пружини. Енергія пружної деформації перетворюється на енергію руху і потенціальну енергію та навпаки.
Схема досліду
Завдання
Схема досліду
- Поспостерігай, яка сила потрібна, щоб підняти масу, і яка - щоб розтягнути гвинтову пружину.
- Підвісь масу до гвинтової пружини і дай їй «впасти» на пружині. Поспостерігай за цим процесом і опиши його через поняття енергії.
- Визнач енергію, запасену в розтягнутій пружині, застосувавши закон збереження енергії
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense - сила і прискорення (Bluetooth + USB) | 12943-00 | 1 |
| 2 | Основа штатива, PHYWE | 02001-00 | 1 |
| 3 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=600 мм, d = 10 мм | 02037-00 | 1 |
| 4 | Подвійна муфта | 02043-00 | 2 |
| 5 | Тримач для прорізних тягарців, 10 г, конструкція PHY | 02204-00 | 1 |
| 6 | Прорізний тягарець, чорне лакове покриття, 10 г, конструкція PHY | 02205-01 | 3 |
| 7 | Гвинтова пружина, 3 Н/м | 02220-00 | 1 |
| 8 | Утримувальний болт | 03949-00 | 1 |
| 9 | Пластина зі шкалою | 03962-00 | 1 |
| 10 | Рулетка, l=2 м | 09936-00 | 1 |
| 11 | Тримач скляних трубок із затискачем для мірної стрічки | 05961-00 | 1 |
| 12 | measureAPP - безкоштовне вимірювальне програмне забезпечення для всіх пристроїв | 14581-61 | 1 |
Складання (1/3)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/3)
- Зкрути докупи розбірний штативний стрижень.
- Склади штативну основу і штативний стрижень у штатив.
- Затисни мірну стрічку в тримачі скляних трубок.
- Тоді закріпи тримач скляних трубок унизу на штативному стрижні.
Складання (3/3)
- Закріпи датчик сили в подвійній муфті й підвісь до нього гвинтову пружину.
- Установи мірну стрічку так, щоб її нульова позначка збігалася з кінцем гвинтової пружини.
Виконання (1/8)
Увімкнення
Вибір датчика в measureAPP
- Спершу знову зніми гвинтову пружину з датчика сили.
- Увімкни датчик сили, натиснувши й потримавши кілька секунд кнопку живлення. Коли він увімкнеться, побачиш, як блимає світлодіод (лівий рисунок).
- Запусти measureAPP. Торкнися вкладки «Датчики» і вибери датчик сили (правий рисунок).
Виконання (2/8)
- Торкнися вкладки «Конфігурація» і вибери «Точкове вимірювання» (лівий рисунок). У цій самій вкладці торкнися «Обнулити» і у вікні, що відкриється, вибери датчик сили.
- Вийди з вікна натисканням «зберегти» (правий рисунок).
Виконання (3/8)
Виконання - попередній дослід 1
- Підвісь до датчика сили масу 30 г і простеж у measureAPP миттєве значення сили.
- Потім знову підвісь до датчика сили гвинтову пружину і ще раз обнули датчик.
- Закріпи датчик сили з гвинтовою пружиною якомога вище на штативному стрижні.
- Потягни гвинтову пружину рукою вниз і так само простеж показ миттєвого значення сили.
Виконання (4/8)
Виконання - попередній дослід 2
- Тепер підвісь до гвинтової пружини масу 30 г і дай їй «впасти». Поспостерігай за процесом.
- Опусти точку підвісу настільки, щоб у нижній точці повороту коливання маса ледь торкалася стола.
- Тоді притримай масу, коли вона торкнеться поверхні стола, після цього знову відпусти її і поспостерігай, як дослід іде далі.
Виконання (5/8)
- Підвісь до гвинтової пружини тримач для прорізних тягарців ( ) і визнач видовження пружини.
- Збільшуй масу щоразу на до і для кожної маси визначай видовження (рисунок).
- Занеси значення до таблиці 1 у протоколі.
- Обчисли висоту за і теж занеси ці значення до таблиці 1.
Виконання (6/8)
- Зніми тримач скляних трубок із мірною стрічкою і закріпи другу подвійну муфту разом із пластиною в нижній частині штативного стрижня.
- Установи пластину на нижній подвійній муфті на висоті , яку ти визначив для .
- Виміряй силу тяжіння маси (тримач для прорізних тягарців) вимірювачем сили. Для цього гвинтову пружину можна ненадовго зняти. Не забудь перед тим знову обнулити датчик.
- Потім знову постав тягарець на пластину і підвісь гвинтову пружину назад до датчика сили. Занеси значення сили тяжіння до таблиці 1 у протоколі.
Виконання (7/8)
- Пересунь точку підвісу пружини так, щоб її нижнє вушко було саме на висоті гачка на тримачі для тягарців.
- Зніми пластину, підвісь тримач для тягарців ( ) до пружини і дай йому впасти. Поспостерігай за процесом.
- Повтори дослід (2 рази) так само для мас і .
Виконання (8/8)
Виконання - штативна основа
- Щоб розібрати штативну основу, натисни кнопки посередині й розведи обидві половини.
Протокол
Таблиця 1
Занеси до таблиці видовження і обчислену повну висоту коливання , а також відповідну силу тяжіння і пов'язану з нею енергію піднімання .
10
20
30
40
m = 10 г: dl [см]:
m = 10 г: h [см]:
m = 10 г: FG [Н]:
m = 10 г: WHub [Нсм]:
m = 20 г: dl [см]:
m = 20 г: h [см]:
m = 20 г: FG [Н]:
m = 20 г: WHub [Нсм]:
m = 30 г: dl [см]:
m = 30 г: h [см]:
m = 30 г: FG [Н]:
m = 30 г: WHub [Нсм]:
m = 40 г: dl [см]:
m = 40 г: h [см]:
m = 40 г: FG [Н]:
m = 40 г: WHub [Нсм]:
Накресли на аркуші паперу діаграму з повним видовженням на осі X та енергією на осі Y.
Таблиця 2
m = 10 г: s [см]:
m = 10 г: W_s [Нсм]:
m = 10 г: C [1]:
у [см] у [Нсм]
у [г]
10
20
30
40
m = 20 г: s [см]:
m = 20 г: W_s [Нсм]:
m = 20 г: C [1]:
m = 30 г: s [см]:
m = 30 г: W_s [Нсм]:
m = 30 г: C [1]:
m = 40 г: s [см]:
m = 40 г: W_s [Нсм]:
m = 40 г: C [1]:
- Занеси до таблиці видовження і енергію пружної деформації .
- Обчисли множник з енергій пружної деформації, поділивши щоразу більше значення на значення для , тобто і так далі.
Завдання 1
Питання
Питання
Питання
Питання
Питання
Питання
Завдання 2
Як ти можеш пояснити це явище? Вкладена енергія - потенціальна енергія, яку дає ____, - переходить в ____. На поверхні стола потенціальна енергія знову дорівнює ____. У системі ____ вивільняється, коли масу знову відпускають. Вона перетворюється на енергію руху (кінетичну енергію E_{kin}) і ____ маси: E_{pot} = W_{H}.
Завдання 3
Ти бачиш виміряні значення як функцію від .
Питання
Питання