Загальна інформація
Застосування
Схема досліду
На похилій площині тіло зазнає сталого прискорення, напрямленого паралельно до площини, - через складову сили тяжіння, що діє на нього.
Якщо це прискорення напрямлене проти початкової швидкості тіла, воно сповільнює його рух і зрештою змінює напрям руху на протилежний.
Тут за вимірюваннями часу руху візка похилою роликовою напрямною треба підтвердити закони рівносповільненого руху.
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.
Якщо це прискорення напрямлене проти напряму руху, тіло сповільнюється.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Якщо тіло рівномірно прискорюється в напрямі, протилежному до напряму його руху, цей рух сповільнюється.
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 сповільнювального прискорення за кутом нахилу напрямної.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Пройдений шлях змінюється за законом шляху й часу параболічно, а швидкість - лінійно, за законом швидкості й часу:
При цьому слід зважати, що і мають різні знаки.
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)
Пусковий пристрій для 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 нижчому, лівому кінці напрямної закріплюють пусковий пристрій.
Зверніть увагу: щоб візок стартував без початкового імпульсу, 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 тягарцями слід підібрати так, щоб він досягав кінцевого тримача щонайбільше з мінімальною залишковою швидкістю.
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.
Встановлення світлових бар'єрів
Складання (5/6)
Під'єднання до вимірювача часу
7. 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
8. 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.
9. 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. Поштовх пускового пристрою надає вимірювальному візку початкової швидкості , і через складову сили тяжіння, що діє на візок, він зазнає сталого прискорення, напрямленого проти його швидкості.
Виконання (3/4)
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.
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 лівим рисунком.Простежте, щоб візок повністю проходив крізь бар'єр (правий рисунок).
Опрацювання результатів (1/8)
Спостереження
Якщо відстані між світловими бар'єрами вибрано приблизно однаковими, помітно, що різниці часів руху і часи затемнення візка через прискорення, напрямлене проти його руху, з наростанням шляху дедалі більшають. Досягнувши найвищої точки, візок змінює напрям руху на протилежний і рухається рівноприскорено до стартової точки.
Опрацювання результатів (2/8)
Виміряні значення
Опрацювання результатів (3/8)
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.
На додачу до наведених вище формулювань законів шляху й часу та швидкості й часу тепер треба врахувати, що на момент старту t = 0 візок уже має початкову швидкість v(0).
Опрацювання результатів (4/8)
- У системі координат (v, t) відкладають знайдені миттєві швидкості проти часу і визначають нахил прямої та її відрізок на осі - графічно або лінійною регресією (див. рисунок).
- Середні швидкості подають у системі координат (s/t, t). Для цього виміряні значення шляху за одиницю часу відкладають проти часу і так само визначають нахил прямої та її відрізок на осі - графічно або лінійною регресією (див. рисунок).
Опрацювання результатів (5/8)
Для прикладу вимірювання маємо
діаграма : = –0,180 м/с, = 0,61 м/с,
діаграма : = –0,178 м/с, = 0,64 м/с.
Опрацювання результатів (6/8)
4. На першому графіку за законом швидкості й часу
нахил прямої відповідає прискоренню a. Відрізок на осі відповідає початковій швидкості візка в момент . Протилежні напрями початкової швидкості й прискорення виражаються різними знаками - їх можна розглядати як векторні величини.
Якщо в момент швидкість дорівнює нулю, то вся кінетична енергія мала перетворитися на потенціальну.
Опрацювання результатів (7/8)
5. З другого графіка дістаємо лінійну залежність
Порівняння одержаних коефіцієнтів показує: і . Підставивши їх, дістаємо закон шляху й часу для рівносповільненого руху:
І тут протилежні напрями початкової швидкості й прискорення виявляються в протилежних знаках. За від'ємного графік - це парабола, гілки якої напрямлені вниз, а її вершина при є точкою повороту руху.
Опрацювання результатів (8/8)
6. Прискорення , що діє на візок, можна підтвердити й самим лише кутом нахилу напрямної - розклавши силу тяжіння на складові і , як показано на рисунку на слайді 18:
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 . Що повільніше рухається візок, то більшою стає систематична похибка.
Маса візка не впливає на його прискорення. Проте вона впливає на дальність руху. Причина - стартовий імпульс , який пусковий пристрій передає візку. Отже, за більшої маси візка початкова швидкість має зменшуватися обернено пропорційно.