Загальна інформація
Застосування
Пружина
Для всіх пружно деформівних тіл, і насамперед для пружин, зміна довжини пропорційна прикладеній силі:
F ~ sабоF/s = сталаабоF = D * s
Цей зв'язок називають законом Гука - його відкрив Роберт Гук. Так можна визначити жорсткість пружини, тобто так звану твердість.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають знати співвідношення .
Принцип
Треба показати, що при навантаженні гвинтових пружин виконується закон Гука і що видовження пружини залежить від прикладеної сили та від твердості самої пружини.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають переконатися, що деформація - характерна властивість кожної пружини, на якій видно фундаментальний закон (закон Гука). Вимірюваннями на двох гвинтових пружинах різної жорсткості учні мають простежити суть закону Гука - пропорційність між силою та видовженням у межах пружності тіла.
Завдання
- Розуміння зв'язку F ~ s
- Вимірювання двох різних жорсткостей пружин
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Гачок на магнітному тримачі | 02151-03 | 1 |
| 3 | Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н | 03069-03 | 1 |
| 4 | Масштабна лінійка для демонстраційної дошки | 02153-00 | 1 |
| 5 | Гвинтова пружина, 3 Н/м | 02220-00 | 1 |
| 6 | Гвинтова пружина, 20 Н/м | 02222-00 | 1 |
| 7 | Струбцина | 02014-00 | 2 |
Складання та виконання
Складання
- Установити гачок на магнітному тримачі на верхньому краї демонстраційної дошки і почепити на нього м'яку гвинтову пружину 3 Н/м
- Установити динамометр одразу під пружиною, зачепити шнур за пружину і повернути динамометр так, щоб шнур був якомога коротший, а пружина - трохи натягнута
- Прикласти масштабну лінійку вертикально так, щоб нижній край пружини був точно на позначці 0
- Вивести стрілку динамометра на нуль і зафіксувати шкалу (рис. 1)
Рисунок 1
Виконання
- Пересувати динамометр донизу, поки він не покаже 0,2 Н; виміряти спричинене видовження s і занести в таблицю 1
- Далі щоразу збільшувати силу натягу на 0,2 Н (якщо динамометр дійшов до нижнього краю дошки, трохи повернути його, намотавши шнур, щоб дійти до F = 0,8 Н), щоразу вимірювати видовження і записувати в таблицю 1
- Так само виконати дослід із твердою гвинтовою пружиною 20 Н/м (до F = 1,2 Н) і занести виміряні значення в таблицю 2
Опрацювання результатів (1/3)
Графічне зображення виміряних значень (рис. 2) дає в кожному випадку пряму. Отже: F ∼ s
Це рівнозначно , що підтверджує обчислення часток (див. таблицю 1 чи 2, останній стовпець). Деформація (видовження) гвинтової пружини пропорційна силі, яка її деформує.
Різниця між двома результатами в тому, що однакові сили дають у дослідженій першою пружині більш ніж у 6 разів більше видовження, ніж у другій.
Опрацювання результатів (2/3)
Кажуть так: пружини мають різну твердість, і виражають це жорсткістю D = F / s. Вимірювання дає для м'якої, дослідженої першою пружини жорсткість близько 3,1 Н/м, а для твердої, другої - близько 20 Н/м (див. перелік обладнання) .
Зв'язок F ~ s називають законом Гука. Із F / s = Dдістаємо закон Гука у формі F = D * s.
Рис. 2
Рис. 3
Опрацювання результатів (3/3)
Під час вимірювань треба уважно стежити, щоб похибки паралакса при зчитуванні значень s і при встановленні стрілки динамометра були якомога меншими. Пружні тіла тим і характерні, що після деформації силою повертають початкову форму, щойно сила перестає діяти. Отже, їхня деформація оборотна - але лише якщо сила не перевищує певного значення. Лінійний зв'язок F ~ s, або F = D * s, який виявив Роберт Гук, - окремий випадок для пружних деформацій: є тіла з матеріалів, які і в пружній області поводяться нелінійно щодо «сила - деформація». У таких випадках F = D * s справджується лише в так званій області пропорційності.
У цьому досліді гвинтову пружину розтягували динамометром, щоб визначити зв'язок між видовженням і силою напряму. Пружину можна розтягувати й підвішеними тягарцями (рис. 3) - тоді для опрацювання результатів треба щоразу обчислювати силу тяжіння.