Загальна інформація
Застосування
Схема досліду
При непружному ударі система втрачає частину енергії руху: та переходить у внутрішню енергію, яка для руху вже недоступна.
Отже, з кожним ударом кінетична енергія зменшується. Тіла при цьому здебільшого деформуються і далі рухаються разом з імпульсом, що дорівнює сумі їхніх окремих імпульсів до ударів.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Основне поняття непружного удару і класичну механіку на уроках уже мали розглянути.
Принцип
Для кількох непружних ударів поспіль справджується
Енергія всієї системи зберігається, якщо врахувати енергії деформації :
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Коли два візки вдаряються непружно, вони рухаються далі разом, в один бік і з однаковою швидкістю. Імпульс цього руху дорівнює сумі окремих імпульсів до удару.
Завдання
Визначення імпульсів до і після двох непружних ударів візка, що рухається, об два нерухомі візки.
Визначення кінетичної енергії до і після двох непружних ударів візка, що рухається, об два нерухомі візки.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Обладнання
Складання та виконання
Складання (1/4)
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.
Для налаштування можна також пустити візок із початковим імпульсом уздовж напрямної і порівняти часи затемнення світлових бар'єрів.
2. На лівому кінці напрямної закріплюють пусковий пристрій.
Зверніть увагу: щоб візок стартував із початковим імпульсом, пусковий пристрій треба встановити так, аби штовхач передавав візку поштовх.
Складання (2/4)
Кінцевий тримач із пластиліном
3.У кінцевий тримач на правому кінці напрямної вставляють трубку, наповнену пластиліном, щоб зупиняти візок без різкого удару.
4.Три вилкоподібні світлові бар'єри кріплять на напрямній за допомогою тримачів на позначках 30 см, 70 см і 110 см.
Бар'єр, ближчий до пускового пристрою, називаємо світловим бар'єром 1, середній - світловим бар'єром 2, а найближчий до кінцевого тримача - світловим бар'єром 3.
Складання (3/4)
Під'єднання світлових бар'єрів
5. Вилкоподібні світлові бар'єри по черзі зліва направо з'єднують із гніздами полів «1»–«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 (див. рисунок).
6. Обидва повзункові перемикачі на вимірювачі часу для вибору фронту запуску переводять у праве положення «спадний фронт» ( ).
Складання (4/4)
Удар завершено перед світловим бар'єром
7.Обидва вимірювальні візки ставлять на напрямну.
- Лівий візок, найближчий до пускового пристрою (далі - візок 1 зі швидкістю ), споряджають утримувальним магнітом зі штекером із боку пускового пристрою і голкою зі штекером у напрямі руху.
- У боки середнього візка (візок 2 зі швидкістю ) і правого візка (візок 3) вставляють по трубці, наповненій пластиліном, - у бік візка 1, і по голці зі штекером - у напрямі руху.
- В усі візки з того боку, де стоятимуть вилкоподібні світлові бар'єри, защіпають шторки для вимірювального візка (b = 100 мм).
Виконання (1/3)
1. На початку вимірювання маси візків визначають на вагах. Через різні насадні деталі маси візків можуть трохи різнитися. Але спершу в цьому досліді всі три маси мають бути приблизно однакові, тож невеликі поправки варто зробити прорізними тягарцями по 1 г.
2.Для виконання вимірювач часу перемикають у режим роботи 1 «v(s)» ( ). У ньому визначають часи затемнення вилкоподібних світлових бар'єрів, за якими через довжину шторки обчислюють середню швидкість під час відповідного проїзду.
3. Перед кожним ударним дослідом треба натиснути кнопку «Reset», щоб скинути покази.
Виконання (2/3)
4.Візок 1 ставлять у пусковий пристрій. Візок 2 стоїть між світловими бар'єрами 1 і 2, впритул до бар'єра 2. Візок 3 ставлять за світловим бар'єром 2, трохи перед бар'єром 3.
Треба стежити, щоб кожен удар відбувався лише тоді, коли (передній) візок, що котиться, уже повністю проїхав попередній світловий бар'єр, і щоб удар завершився ще до того, як штовхнутий візок увійде в наступний бар'єр.
5. Спрацюванням пускового пристрою візок 1 розганяють у бік візка 2.
Він дістає початкову швидкість і вдаряє візок 2.
Далі обидва рухаються зчепленими зі спільною швидкістю . Потім вони вдаряють візок 3 і разом проходять крізь задній світловий бар'єр зі швидкістю .
Величину з одним штрихом виміряно після першого удару, з двома штрихами - після другого.
Виконання (3/3)
6. Перекриті світлові бар'єри записують лише час затемнення шторкою переднього візка.
Але оскільки візки рухаються зчепленими з однаковою швидкістю, цей час затемнення щоразу чинний для всіх візків.
7. За трьома часами затемнення і довжиною шторки b = 100 мм щоразу визначають швидкості .
8.Час слід виміряти до п'яти разів поспіль і усереднити. Після цього вимірювання повторюють як для різних мас візків, так і для різних співвідношень мас.
Опрацювання результатів (1/11)
Спостереження
Візки стикаються один за одним і рухаються далі зчепленими в один бік. При цьому з кожним ударом швидкість меншає.
Опрацювання результатів (2/11)
Приклад вимірювання для однакових мас
Опрацювання результатів (3/11)
Приклад вимірювання для однакових мас
Опрацювання результатів (4/11)
Приклад вимірювання для однакових мас
Опрацювання результатів (5/11)
Приклад вимірювання для різних мас візків
Опрацювання результатів (6/11)
Приклад вимірювання для різних мас візків.
Опрацювання результатів (7/11)
Опрацювання результатів (7/11)
Приклад вимірювання для різних мас візків
Опрацювання результатів (8/11)
1.Для кожного вимірювання за масами візків і швидкостями обчислюють імпульс до удару, після першого і після другого удару. Оскільки після непружного удару візки лишаються разом, їх можна розглядати як один візок більшої маси.
2. При центральних ударах трьох мас до і після кожного удару справджується закон збереження імпульсу:
. (1)
За початкових умов закон збереження імпульсу в цьому досліді спрощується так:
. (2)
Опрацювання результатів (9/11)
3.Порівняння з виміряними імпульсами (див. приклад вимірювання) підтверджує закон збереження імпульсу в межах очікуваних похибок.
Через тертя імпульс візків зменшується зі зростанням пройденого шляху. У прикладі вимірювання повний імпульс між двома світловими бар'єрами щоразу зменшувався приблизно на 2–4 %. За великих повних мас відхилення зростають - через малі швидкості візків. Найпомітніше це на прикладі вимірювання з трьома важкими візками по 800 г, де повний імпульс зменшується більш ніж на 15 %.
4.Обчислюють кінетичні енергії до удару та і після відповідних ударів. Порівняння кінетичних енергій показує, що після кожного удару енергія руху помітно меншає (див. приклад вимірювання). Після двох ударів кінетична енергія спадає на значну частину і здебільшого становить менш як 50 % початкової (див. .
Опрацювання результатів (10/11)
5.Проте в замкненій системі енергія має зберігатися й не може зникнути. Річ у тім, що при ударах енергія витрачається на деформацію пластиліну. Повна енергія деформації складається з енергій деформації окремих ударів і зменшує кінетичну енергію. Отже, закон збереження енергії має такий вигляд:
. (3)
Опрацювання результатів (11/11)
6. З урахуванням закону збереження імпульсу (2) із закону збереження енергії (3) дістаємо очікувану повну енергію деформації
Тут вона залежить лише від окремих мас і початкової швидкості. Порівняння теоретичних значень із виміряними дає дуже добре узгодження.
Зауваження (1/2)
1. Щоб розігнати візок 1 пусковим пристроєм, штовхач втискають доти, доки він не зафіксується. Пусковий пристрій має три різні щаблі фіксації, тож треба стежити, щоб у кожному досліді використовували той самий, - інакше при спрацюванні передаватиметься неоднакова сила.
2. Візки рухаються не зовсім без тертя - залишкове тертя є, і повний імпульс дещо зменшується. Через це є й втрата енергії, тож різниці кінетичних енергій до і після ударів не дорівнюють точно енергії деформації ΔE пластиліну.
3. Перед кожним вимірюванням варто перевіряти, чи правильно сидять усі шторки на візках: від різкого гальмування вони можуть зсуватися.
Зауваження (2/2)
Перекриття бар'єрів після другого удару
4. Пластилін час від часу треба переминати, щоб удар візка щоразу пом'якшувався якнайкраще.
5. Кожен світловий бар'єр записує лише одну тривалість перекриття; на рисунку, наприклад, показано стан одразу після другого удару.
Світлові бар'єри 2 і 3 перекриті обидва.
Але поки бар'єр 3 записує час затемнення переднім візком, бар'єр 2 уже не активний: на ньому раніше виміряли час затемнення середнім візком до другого удару.