Загальна інформація
Застосування
Схема досліду
На похилій площині тіло зазнає сталого прискорення, напрямленого паралельно до площини, - через складову сили тяжіння, що діє на нього.
Тут за вимірюваннями часу руху візка похилою роликовою напрямною треба підтвердити закони рівноприскореного руху.
Крім того, з урахуванням другого закону Ньютона можна перевірити значення прискорення вільного падіння.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з основними поняттями й термінами класичних рівнянь руху.
Принцип
Коли тіло рухається похилою площиною, гравітаційне поле Землі надає йому сталого прискорення, напрямленого паралельно до цієї площини.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Якщо тіло рухається рівноприскорено, пройдений шлях зростає з часом квадратично - за законом шляху й часу.
Завдання
Визначення залежності шляху від часу за кількома вимірюваннями часу для різних пройдених відстаней.
Визначення залежності швидкості від часу за часом затемнення світлових бар'єрів у різних положеннях.
Визначення прискорення вільного падіння за масою візка і кутом нахилу напрямної.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Швидкість змінюється лінійно за законом швидкості й часу:
Залежно від кута нахилу напрямної сила тяжіння, що діє на візок, спричиняє рівноприскорений рух, пропорційний прискоренню вільного падіння:
Обладнання
Складання та виконання
Складання (1/6)
Піднятий пусковий пристрій без поштовху
1.Щоб скомпенсувати невелике тертя, напрямну регулювальними гвинтами на ніжках трохи нахиляють так, аби вимірювальний візок ще тільки-но не починав котитися праворуч.
Після цього підкладіть під двоопорний штатив напрямної якийсь предмет (підкладні бруски, книжки, стос паперу тощо), щоб підняти його приблизно на 1–5 см.
Складання (2/6)
Кінцевий тримач із пластиліном
2. На лівому кінці напрямної закріплюють пусковий пристрій.
Зверніть увагу: щоб візок стартував із початковим імпульсом, пусковий пристрій треба встановити так, аби при спрацюванні штовхач віддалявся від вимірювального візка.
3.У кінцевий тримач на правому кінці напрямної вставляють трубку, наповнену пластиліном, щоб зупиняти візок без різкого удару.
Складання (3/6)
Передня частина вимірювального візка
4.На вимірювальний візок встановлюють утримувальний магніт зі штекером, голку зі штекером і шторку для вимірювального візка (b = 100 мм).
5. Масу візка можна змінювати за допомогою тягарців.
Складання (4/6)
6.Чотири вилкоподібні світлові бар'єри кріплять на напрямній за допомогою тримачів. Розташуйте їх так, щоб вимірювана ділянка ділилася на приблизно однакові відрізки.
7.Масу візка можна змінювати за допомогою тягарців із чорним лаковим покриттям.
Встановлення світлових бар'єрів
Складання (5/6)
Під'єднання до вимірювача часу
8. Чотири вилкоподібні світлові бар'єри по черзі зліва направо з'єднують із гніздами полів «1»–«4» вимірювача часу, як показано на рисунку.
При цьому жовті гнізда світлових бар'єрів з'єднують із жовтими гніздами приладу, червоні - з червоними, а сині гнізда світлових бар'єрів - із білими гніздами вимірювача часу.
Складання (6/6)
Перевірка налаштувань
9. Пусковий пристрій треба з'єднати з обома гніздами «Start» вимірювача часу.
При цьому слід дотримати правильної полярності.
Червоне гніздо пускового пристрою з'єднують із жовтим гніздом вимірювача часу.
10. Обидва повзункові перемикачі на вимірювачі часу для вибору фронту запуску переводять у праве положення «спадний фронт» ( ).
Виконання (1/4)
1. Вимірюють відстані від світлових бар'єрів до стартового положення візка.
При цьому слід зважати, що світлові бар'єри перекриваються лише переднім краєм шторки, встановленої на візку.
Для точного визначення відстаней можна діяти так:
Поставити візок у стартове положення і зчитати на мірній стрічці значення () біля правого кінця візка.
Перевести візок у положення, у якому правий край шторки якраз перекриває промінь вилкоподібного світлового бар'єра i, і зчитати на мірній стрічці значення () біля правого кінця візка.
- це шлях, який візок подолав від старту до відповідного світлового бар'єра.
Виконання (2/4)
Перекриття світлового бар'єра
2. Вимірювальний візок відпускають пусковим пристроєм, і він зазнає сталого прискорення від складової сили тяжіння, що діє на нього.
3.У режимі 2 ( ) визначають часи , потрібні для проходження відстаней від стартового положення до відповідного світлового бар'єра. Після цього для визначення відповідних швидкостей виконують вимірювання в режимі 1 ( ). Під час нього визначають часи затемнення чотирьох вилкоподібних світлових бар'єрів; за ними згодом, використавши довжину шторки (100 мм), обчислюють середню швидкість під час відповідного проїзду.
Виконання (3/4)
4. Час вимірюють до п'яти разів поспіль. Перед кожним запуском треба натиснути кнопку «Reset», щоб скинути покази.
5. Щоб отримати більше точок вимірювання, можна переставити світлові бар'єри й виконати ще одну серію вимірювань, як описано вище.
6. Масу візка визначають на вагах.
Виконання (4/4)
7. Щоб визначити кут нахилу напрямної, виміряйте відстань між штативами напрямної і висоту предмета, підкладеного під напрямну. Порівняйте з рисунком.
Опрацювання результатів (1/7)
Спостереження
Якщо відстані між світловими бар'єрами вибрано приблизно однаковими, помітно, що різниці часів руху і часи затемнення через прискорення візка з наростанням шляху дедалі меншають.
Опрацювання результатів (2/7)
Виміряні значення
Опрацювання результатів (3/7)
a) Закон шляху й часу та закон швидкості й часу
З п'яти вимірювань кожного з і визначають середні значення і .
За часами затемнення обчислюють швидкості , де довжина шторки = 0,1 м.
Для рівноприскореного руху прискорення можна визначити двома різними способами: або за законом шляху й часу - з часу руху й відповідного положення світлових бар'єрів, або за законом швидкості й часу - з часу руху й відповідної швидкості.
Опрацювання результатів (4/7)
- Щоб перевірити закон шляху й часу, нанесіть виміряні значення в системі координат . Прискорення можна знайти як графічно - з нахилу прямої, що проходить через початок координат , - так і обчисленням.
Опрацювання результатів (5/7)
- У системі координат (v, t) відкладають знайдені швидкості проти виміряного часу. Закон швидкості й часу дістають графічно - з нахилу прямої, що проходить через початок координат, - або обчисленням.
Опрацювання результатів (6/7)
b) Визначення прискорення вільного падіння
Силу тяжіння , що діє на вимірювальний візок, можна розкласти на дві складові: - уздовж напрямної і - перпендикулярно до неї. Зі зростанням кута нахилу αα зростає й складова прискорення вздовж напрямної. спричиняє рівноприскорений рух. На рисунку на слайді 18 показано векторне розкладання сили за допомогою паралелограма сил. Справджується .
Кут нахилу знаходять з висоти h предмета, підкладеного під напрямну, і відстані l між обома штативами напрямної: . У наведеному тут прикладі вимірювання h = 1,9 см і l = 139 см, тобто .
Опрацювання результатів (7/7)
За другим законом Ньютона
і прискоренням, визначеним за рисунком зі слайда 22,
= 0,133 м/с²
для прискорення вільного падіння дістаємо значення
9,73 м/с²
З вимірювань швидкості за рисунком зі слайда 23 відповідно дістаємо таке прискорення вільного падіння:
= 9,95 м/с²
Зауваження
Швидкості , обчислені з , строго кажучи, не є миттєвими, бо на візок під час проходження шторки крізь світловий бар'єр далі діє прискорення. Тому ці швидкості відповідають нахилу січної, а не дотичної до графіка . За = 0,1 м слід очікувати систематичну похибку близько 2 %.
Додатково піднявши стартове положення, можна показати пропорційність між прискоренням і синусом кута нахилу. Повторивши вимірювання з різними прорізними тягарцями на візку, можна продемонструвати, що прискорення і швидкість візка (за відсутності тертя) не залежать від маси. Цей зв'язок доречно згадати і в межах досліду з вільного падіння.