Загальна інформація
Застосування
Схема досліду
Якщо на тіло діє стала сила, воно зазнає сталого прискорення. Зміна його руху пропорційна до рушійної сили.
Тут на роликовій напрямній треба описати зв'язок між прискоренням візка та його масою, а також рушійною силою.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з основними поняттями й термінами законів Ньютона та класичних рівнянь руху.
Принцип
Зв'язок між масою і прискоренням розглядають для різних інертних мас і різних рушійних сил.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Другий закон Ньютона стверджує, що зміна руху тіла пропорційна до діючої сили:
Завдання
Визначення прискорення як функції розігнаної маси.
Визначення прискорення як функції сили.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Обладнання
Складання та виконання
Складання (1/6)
1.Щоб скомпенсувати невелике тертя, напрямну регулювальними гвинтами на ніжках трохи нахиляють так, аби вимірювальний візок ще тільки-но не починав котитися праворуч.
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.
Пусковий пристрій без поштовху
Складання (2/6)
Кінцевий тримач із пластиліном
3.У кінцевий тримач на правому кінці напрямної вставляють трубку, наповнену пластиліном, щоб зупиняти візок без різкого удару.
4.Напрямний ролик кріплять на правому кінці напрямної за допомогою тримача для напрямного ролика і встановлюють інкрементальне колесо.
Складання (3/6)
Кріплення нитки до візка
5. На вимірювальний візок встановлюють утримувальний магніт зі штекером і шторку для вимірювального візка (b = 100 мм).
6. Початок нитки згори просовують у вертикальний отвір кінцевої кришки візка і фіксують, вставивши спереду голку зі штекером.
Складання (4/6)
7.Нитку перекидають через інкрементальне колесо напрямного ролика і прив'язують її кінець до тримача тягарців так, щоб той вільно висів безпосередньо під колесом, як показано на рисунку. Сталою рушійною силою слугує тримач разом із покладеними на нього 5–20 прорізними тягарцями (по 1 г). Слід простежити, щоб нитка йшла паралельно до напрямної.
8.Масу візка можна змінювати за допомогою тягарців.
Розташування тримача тягарців
Складання (5/6)
Звільнення світлових бар'єрів після проходження шторки
9. Два вилкоподібні світлові бар'єри кріплять на напрямній за допомогою тримачів і розподіляють уздовж вимірюваної ділянки. Простежте, щоб під час руху візка всі світлові бар'єри могла проходити задня частина шторки.
10. Вилкоподібні світлові бар'єри з'єднують із гніздами полів «1» і «3» вимірювача часу.
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)
Під'єднання світлових бар'єрів і пускового пристрою
11. 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.
12. Обидва повзункові перемикачі на вимірювачі часу для вибору фронту запуску переводять у праве положення «спадний фронт» ( ).
Виконання (1/3)
1. Під дією тримача тягарців візок має рухатися рівноприскорено.
Його прискорення визначають, по-перше, залежно від повної інертної маси, а по-друге - залежно від рушійної маси.
Для цього спершу на вагах визначають масу візка без додаткових тягарців із чорним лаковим покриттям.
2.Вимірювальний візок відпускають пусковим пристроєм, і він зазнає сталого прискорення, доки тримач тягарців не торкнеться підлоги.
Виконання (2/3)
3.Щоб визначити прискорення візка, виконують вимірювання в режимі 5 ( ).
Тут візок проходить два світлові бар'єри, і водночас визначають як час , потрібний, щоб дістатися відповідного світлового бар'єра, так і час затемнення - тривалість перекриття бар'єра.
Часи проходження відрізків виводяться на цифрових індикаторах 1 і 3, а часи затемнення - на індикаторах 2 і 4.
4.Прискорення візка дістають із закону швидкості й часу:
де довжина шторки =100 мм.
Виконання (3/3)
5. Щоб визначити прискорення як функцію маси, знімають серію вимірювань, у якій масу візка збільшують кроками приблизно по 10–50 г, а рушійна маса на тримачі тягарців лишається сталою.
6.При вимірюванні прискорення як функції сили повна маса має лишатися сталою, а рушійну силу змінюють. Цього досягають перенесенням маси з візка на тримач тягарців.
Зручно спочатку покласти на візок близько десяти прорізних тягарців по 1 г (див. рисунок) і для кожного вимірювання по черзі переставляти один із них на тримач тягарців. При цьому рушійна маса не має перевищувати 20 г.
Додаткові тягарці для вимірювання сили
Опрацювання результатів (1/9)
Спостереження
Збільшення інертної маси за сталої рушійної сили сповільнює рух візка.
Перерозподіл маси змінює прискорення, бо повна маса хоч і лишається тією самою, але до розгону візка причетна виключно маса тримача тягарців.
Опрацювання результатів (2/9)
Приклад вимірювання 1
Опрацювання результатів (3/9)
a) Прискорення як функція інертної маси
1.Зразкове вимірювання для визначення залежності між масою і прискоренням наведено у прикладі вимірювання 1.
Повна маса складається з маси візка , яка своєю чергою складається з його власної маси і покладених додаткових тягарців , а також зі сталої маси тримача тягарців.
2.Виміряні часи і разом із довжиною шторки за законом швидкості й часу безпосередньо дають прискорення , що діє на візок. У межах точності вимірювання його можна вважати однаковим на обох світлових бар'єрах і тому усереднити:
.
Опрацювання результатів (4/9)
Опрацювання результатів (4/9)
3.На рисунку показано прискорення , спричинене масою = 10 г, як функцію інертної маси .
Отже, зі зростанням інертної маси прискорення візка спадає.
Опрацювання результатів (5/9)
Опрацювання результатів (5/9)
4. На рисунку ті самі виміряні значення відкладено проти оберненої інертної маси . Дістаємо лінійну залежність, яка випливає з рівняння руху Ньютона.
У цьому випадку йдеться про одновимірний рух, спричинений силою
, яку утворюють маса тримача тягарців і прискорення вільного падіння .
Опрацювання результатів (6/9)
Опрацювання результатів (6/9)
5.Оскільки ця маса безпосередньо зв'язана з візком, маємо рівновагу сил
між силою тяжіння і силою , що виникає в русі всієї системи. Звідси випливає показана на рисунку 2 лінійність між прискоренням і оберненою інертною масою:
.
Опрацювання наведеного прикладу вимірювання дає нахил 0,0946 кг·м/с² = 0,0946 Н, що добре узгоджується з теоретичним значенням .
Опрацювання результатів (7/9)
Приклад вимірювання 2
Опрацювання результатів (8/9)
Опрацювання результатів (8/9)
b) Прискорення як функція сили
1. У прикладі вимірювання 2 наведено значення для вимірювання залежності між прискоренням і рушійною масою. Повна маса лишалася сталою, а масу тримача тягарців крок за кроком збільшували.
Опрацювання результатів (9/9)
Опрацювання результатів (9/9)
2. Лінійну залежність, яка так само випливає з рівноваги сил, показано на рисунку.
Нахил у прикладі вимірювання дає коефіцієнт пропорційності 0,986 , що відповідає інертній масі 1,014 і, отже, приблизно дорівнює справжній повній масі 0,967.
Зауваження
- Щоб зменшити відстань від тримача тягарців до інкрементального колеса, нитку можна вкоротити: кілька разів обернути на візку голку зі штекером, намотавши на неї нитку.
- Часи затемнення використали, щоб визначити швидкості візка. Оскільки на візок під час проходження шторки крізь світловий бар'єр далі діє прискорення, ці обчислені швидкості, строго кажучи, не є миттєвими - цим і пояснюються відхилення результатів від теоретичних значень на кілька відсотків.