Основне рівняння Ньютона: прискорення як функція маси з Timer 2-1

Схема досліду

Рівняння руху Ньютона, яке ще називають другим законом Ньютона, є фундаментальним рівнянням у
механіці. За допомогою цього рівняння можна повністю описати механічні системи в просторі й часі.

Воно стверджує, що добуток маси і прискорення дорівнює потрібній силі .

Воно застосовується всюди, де сили діють на тіла, що мають масу.

Попередні знання

Учні мають бути обізнані з поняттями прискорення, сили і швидкості. Крім того, учні мають уміти математично визначати кутовий коефіцієнт прямої та його розмірність.

Принцип

Вимірювальний візок на напрямній доріжці за допомогою напрямного блока і нитки рівномірно прискорюється силою гравітації. При цьому конкретне значення прискорення обчислюється з сили тяги і розганяної маси візка за другим законом Ньютона:

Навчальна мета

У цьому досліді учнів мають експериментально підвести до спрощеного формулювання другого закону Ньютона .

Завдання

1. Учні розганяють візок змінної маси на напрямній доріжці за допомогою підвішеної сталої маси, що тягне, і вимірюють час руху , потрібний візку для проходження шляху завдовжки . Для цього учні поступово збільшують повну розганяну масу (маса візка + маса, що тягне) від до .
2. Далі вони опрацьовують дані вимірювань і одержують лінійну залежність між прискоренням і розганяною масою, з якої визначають кутовий коефіцієнт та його розмірність.

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

Загальні зауваження

Для налаштування нахилу доріжки (для компенсації тертя) можна додати другий світловий бар'єр: підштовхнути візок, виміряти часи затінення на обох давачах. Порівняти обидва результати вимірювань (часи затінення) і за потреби скоригувати нахил доріжки.

Запуск ракети

Рівняння руху Ньютона, яке ще називають другим законом Ньютона, є фундаментальним рівнянням у механіці, за допомогою якого можна повністю описати механічні системи в просторі й часі.

Воно стверджує, що добуток маси і прискорення дорівнює потрібній силі , і застосовується всюди, де сили діють на тіла, що мають масу. Якщо, наприклад, має злетіти ракета, то за допомогою двигуна треба створити таку велику силу, щоб вона тривало і в багато разів перевищувала силу тяжіння Землі.

У цьому досліді ти експериментально дійдеш до другого закону Ньютона: .

1. Розганяй вимірювальний візок по напрямній доріжці при сталій силі тяги, але зі змінною повною масою, і вимірюй часи , потрібні візку для проходження заданого шляху .
2. Опрацюй дані вимірювань за допомогою графіка, на якому прискорення візка відкладено залежно від оберненого значення розганяної маси , і визнач кутовий коефіцієнт одержаної кривої та його розмірність.

Прив'язування кінця нитки до тримача тягарців

Прив'яжи інший кінець до тримача тягарців масою 1 г і добери при цьому довжину нитки так, щоб тарілка торкнулася підлоги лише після того, як візок пройде світловий бар'єр, установлений нижче.

Навантаж тарілку загалом чотирма тягарцями з прорізом по 1 г, щоб повна маса, що тягне, становила 5 г.

Тепер поклади нитку, що з'єднує вимірювальний візок із тримачем тягарців, на блок. При цьому нитка має проходити вище осі візка і паралельно до доріжки.

З'єднання перехідних пластин з світловими бар'єрами

З'єднай перехідні пластини (за потреби кожну з дистанційним штифтом) з вилкоподібними світловими бар'єрами так, щоб їх можна було зручно поставити поряд із доріжкою і щоб пластина на візку могла проходити крізь світлові бар'єри, не зачіпаючи їх.

Постав перший світловий бар'єр приблизно на позначці 8,2 см на вимірювальній стрічці, рахуючи від верхнього кінця доріжки, і розташуй другий давач на відстані 50 см від першого. Вимірювальний візок на старті має закінчуватися врівень із доріжкою, не перериваючи першого давача. За потреби відкоригуй відповідно положення давачів.

З'єднання світлових бар'єрів із приладом для вимірювання часу

З'єднай обидва світлові бар'єри з приладом для вимірювання часу.

Постав на приладі для вимірювання часу повзунковий перемикач над полем "Start" у праве положення.

Постав поворотний перемикач на приладі для вимірювання часу в третє положення зліва. Тоді прилад показуватиме час, що минув між перериванням першого і другого світлових бар'єрів.

Візок на верхньому кінці напрямної доріжки

• Посунь вимірювальний візок на верхній кінець доріжки. Візок, якщо дивитися згори, має закінчуватися врівень із кінцем доріжки.
• Простеж, щоб світловий бар'єр ще не був перерваний.
• Перевір, чи нитка справді проходить через напрямний блок і чи він вільно обертається.
• Перед кожним вимірюванням натискай кнопку "Reset" на Timer 2-1.
• Тепер відпусти візок, не підштовхуючи його, і злови його за другим світловим бар'єром.

Схема установки з візком на верхньому кінці напрямної доріжки

• Зчитай час руху і запиши значення в таблицю 1 у протоколі.
• Збільшуй масу (маса візка + маса, що тягне), яку розганяють, від 65 г (візок без тягарців + маса, що тягне) послідовно до 85 г, 115 г, 135 г, 165 г, 185 г за допомогою тягарців із прорізом на 10 г і 50 г.
• Перед кожним стартом перевіряй, чи нитка проходить через блок, і стеж за тим, щоб пусковий світловий бар'єр переривався лише після того, як ти відпустиш вимірювальний візок.

Внеси до таблиці свої виміряні часи руху , а також їхні квадрати .

Обчисли як обернене значення маси , так і прискорення візка. Для останнього використай формулу рівноприскореного руху :

65

85

115

135

165

185

Візьми тепер аркуш паперу і побудуй на ньому графік. На цьому графіку зобрази прискорення (вісь ) залежно від оберненого значення маси (вісь ).

Визнач кутовий коефіцієнт прямої з графіка і встанови його розмірність.

.

Схема досліду

Схема досліду

Схема досліду