Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Вільне падіння трапляється нам у повсякденні всюди, де речі падають на землю. Історія навіть каже, що Ісаак Ньютон лише завдяки яблуку, яке впало з дерева, дійшов до ідеї своїх теорій і висновків щодо механіки та гравітації і перенесення їх на небесну механіку.
Проте що менша густина тіла, яке падає, і що більша його поверхня, то більше вільне падіння перетворюється на менш прискорене або сповільнене падіння. У вакуумі ж усі предмети падають однаково швидко.
Прискорення вільного падіння аж ніяк не є сталою: воно зменшується зі збільшенням відстані від поверхні Землі.
Інша інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з поняттями швидкості й прискорення, а також потенціальної та кінетичної енергії. Вони мають знати, що сила земного тяжіння випливає з прискорення вільного падіння. Крім того, учні мають математично вміти визначати кутовий коефіцієнт прямої і виконувати аналіз розмірності знайденого кутового коефіцієнта.
Принцип
Маса сталевої кульки зазнає в гравітаційному полі Землі сталої однаково напрямленої сили, яка рівномірно прискорює кульку.
Ефекти тертя об повітря в межах цього досліду так само нехтовні, як і виштовхувальна сила, що діє на кульку з боку навколишнього повітря.
Інша інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають експериментально визначити прискорення вільного падіння і усвідомити, що вільне падіння є рівноприскореним рухом.
Завдання
- Учні дають сталевій кульці впасти з тримача і вимірюють час падіння для різних висот падіння за допомогою двох світлових бар'єрів.
- Вони досліджують одержані результати вимірювань шляху падіння і часу падіння на закономірності, які пов'язують ці дві величини, і врешті обчислюють із них значення прискорення вільного падіння .
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Вільне падіння в парку розваг
Вільне падіння відбувається всюди, де предмет відпускають з певної висоти. Це стосується вежі вільного падіння в парку розваг так само, як банджі-джампінгу, стрибків з парашутом чи стрибка з 10-метрової вишки в басейні.
Як ти знаєш, час падіння залежить від маси тіла, що падає, і від прискорення вільного падіння. До того ж зазвичай відбувається гальмування через опір повітря.
У цьому досліді ти визначиш залежні від висоти часи падіння кульки за допомогою двох світлових бар'єрів, дослідиш наявні закономірності й визначиш таким чином прискорення вільного падіння.
Завдання
- Дай сталевій кульці впасти з утримувального затискача і виміряй час , потрібний кульці для заданої висоти падіння . Повтори дослід для різних висот падіння.
- Дослідь дані вимірювань на закономірності, які пов'язують виміряні величини - висоту падіння і час падіння, - і визнач із результатів вимірювань прискорення вільного падіння.
Обладнання
| Позиція | Матеріал | Артикул | 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 | Рулетка, l=2 м | 09936-00 | 1 | 5 | Затискач для спуску кульки | 02505-00 | 1 | 6 | Сталева кулька, d = 19 мм | 02502-01 | 1 | 7 | PHYWE Таймер 2-1 | 13607-99 | 1 | 8 | Вилкоподібний світловий бар'єр, компактний | 11207-20 | 1 | 9 | З'єднувальний провід, 32 А, 1000 мм, червоний, експериментальний кабель, штекер 4 мм | 07363-01 | 1 | 10 | З'єднувальний провід, 32 А, 1000 мм, жовтий, експериментальний кабель, штекер 4 мм | 07363-02 | 2 | 11 | З'єднувальний провід, 32 А, 1000 мм, синій, експериментальний кабель, штекер 4 мм | 07363-04 | 2 |
|---|
Складання (1/3)
Скручування стрижнів штатива
Склади штатив.
Для цього скрути розбірні стрижні штатива і закріпи їх вертикально у зібраній основі штатива.
Закріпи одну подвійну муфту зовсім угорі на довгому стрижні штатива, а другу - на половині висоти під нею.
Закріплення подвійних муфт на стрижні штатива
Складання (2/3)
Прикрути стрижень-тримач до вилкоподібних фотоворіт так, щоб їх можна було закріпити в подвійній муфті. З'єднай світловий бар'єр із приладом для вимірювання часу. Встав жовтий і синій кабелі в гнізда на затискачі. Встав інші кінці кабелів у два гнізда в полі "Start". Полярність тут значення не має. Закріпи світловий бар'єр горизонтально в нижній муфті.
Складання (3/3)
Закріплення затискача горизонтально в муфті
Закріпи світловий бар'єр горизонтально в нижній муфті. Утримувальний отвір затискача, якщо дивитися згори, має лежати на одній лінії зі світловим променем давача. Постав на приладі для вимірювання часу повзунковий перемикач над полем із написом "Start" у ліве положення, щоб розмикання електричного кола на вході "Start" приладу запускало секундомір.
Постав поворотний перемикач на приладі для вимірювання часу в третє положення зліва. Тоді прилад показуватиме час, що минув між розмиканням пускового кола і спрацюванням світлового бар'єра.
Вирівнювання утримувального отвору затискача на одній лінії з світловим бар'єром
Виконання (1/2)
Схема досліду
- Перед кожним вимірюванням натискай кнопку "Reset" на приладі для вимірювання часу лише після того, як кульку затиснуто в затискачі і контакти пускового кола замкнено. Вимірювання часу тоді почнеться при розмиканні кола.
- За допомогою вимірювальної стрічки встанови відстань між нижнім краєм кульки в затискачі та серединним швом світлового бар'єра .
- Зауваження: затискай кульку в затискачі завжди однаково.
(Нижній світловий бар'єр у кожному частковому досліді має бути змонтований ще настільки високо, щоб ти міг зловити кульку під ним рукою.)
- Тепер якомога швидше відкрий затискач.
Виконання (2/2)
Схема досліду
- Зчитай на приладі час падіння і внеси його до таблиці 1 протоколу.
- Перевір, чи одержуєш ти при повторному вимірюванні ті самі значення. Якщо ні, то перевір, чи кулька має правильний контакт і чи ти щоразу однаково її затискаєш.
- Якщо кулька не влучає у світловий промінь нижнього світлового бар'єра або торкається його корпусу, або якщо ти виміряв час більший за 0,5 с, то відрегулюй шлях падіння і повтори вимірювання, доки не отримаєш відтворюваний результат.
- Змінюй відстань від нижнього краю кульки до серединного шва світлового бар'єра послідовно на 10 см, 15 см, 20 см, 30 см, 40 см, 45 см і повторюй вимірювання часу.
Протокол
Таблиця 1
Внеси часи падіння до таблиці.
потім обчисли з них квадрати часів падіння і також внеси їх до таблиці.
h = 7,5 см: t [с]:
h = 7,5 см: t^2 [с^2]:
h = 10 см: t [с]:
h = 10 см: t^2 [с^2]:
7,5
10
15
20
30
40
45
h = 15 см: t [с]:
h = 15 см: t^2 [с^2]:
h = 20 см: t [с]:
h = 20 см: t^2 [с^2]:
h = 30 см: t [с]:
h = 30 см: t^2 [с^2]:
h = 40 см: t [с]:
h = 40 см: t^2 [с^2]:
h = 45 см: t [с]:
h = 45 см: t^2 [с^2]:
Завдання 1
Візьми тепер аркуш паперу і побудуй на ньому графік. На цьому графіку зобрази висоту (вісь ) залежно від квадрата часу падіння (вісь ).
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання
До таблиці 1 було побудовано графік, на якому висоту падіння відкладено залежно від квадрата часу падіння . Ти маєш отримати доволі гарну лінійну залежність.
Дослідь розмірність кутового коефіцієнта прямої, що проходить через початок координат, тобто коефіцієнта пропорційності між і , і вибери правильну одиницю!
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Обчисли числове значення кутового коефіцієнта прямої, що проходить через початок координат, і внеси його нижче
.
k [м/с^2]:
Для рівноприскореного руху з прискоренням для шляху , пройденого за час , справджується співвідношення .
У цьому досліді висота падіння є пройденим шляхом . Обчисли з цією інформацією прискорення і внеси значення у віконце.
a = 2k [м/с^2]:
.