Загальна інформація
Застосування
Маятник - це простий механічний коливальний пристрій, у якому закріплене на підвісі тіло, що його наближено можна вважати точковим, коливається туди-сюди в одній площині.
Силу, що діє на маятник, називають повертальною силою .
Що більший кут відхилення, то більша ця сила.
Рис. 1: рух маятника
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Попередні знання не потрібні.
Принцип
На нитяному маятнику дослідити, якою є сила, з якою відхилений маятник прагне повернутися в положення рівноваги.
Крім того, дослідити, як ця сила, яку називають повертальною, залежить від кута відхилення маятника і як її обчислити.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
На прикладі досліду учням пояснюють зв'язок між повертальною силою і кутом відхилення
Завдання
Учні мають виконати спостереження і вимірювання, щоб визначити сили, які діють у маятнику.
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 | Вісь на магнітному тримачі | 02151-02 | 1 |
| 3 | Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н | 03069-03 | 1 |
| 4 | Масштабна лінійка для демонстраційної дошки | 02153-00 | 1 |
| 5 | Тримач для прорізних тягарців | 02204-01 | 1 |
| 6 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 10 г | 02205-03 | 2 |
| 7 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 10 г | 02205-03 | 2 |
| 8 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г | 02206-03 | 1 |
| 9 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г | 02206-03 | 1 |
| 10 | Кутовий диск, магнітний | 08270-09 | 1 |
| 11 | Волосінь на котушці, d = 0,5 мм, 100 м | 02090-00 | 1 |
| 12 | Лабораторний маркер, змивний, чорний | 46402-01 | 1 |
| 13 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання
- Підготуй шнур завдовжки приблизно 40 см із двома петлями.
- Розклади прорізні важки на тримачі так, як показано на рис. 1, і визнач центр мас цього тіла, яке слугуватиме тілом маятника (він лежить приблизно між другим і третім прорізним важком по 50 г, рахуючи від тримача).
- Установи кутовий диск на демонстраційну дошку так, щоб відрізок 00 був вертикальним, а диск виступав за верхній край дошки.
- Продовж маркером відрізок 00 майже до нижнього краю дошки.
- Розмісти вісь на магнітному тримачі в центрі кутового диска.
Виконання (1/2)
- Виміряй і запиши силу тяжіннятіла маятника.
- Підвісь тіло маятника на підготовленому шнурі до осі.
- Познач положення центра мас тіла маятника на вертикальній лінії (рис. 1).
- Виміряй і запиши довжину маятника.
- Відхили маятник і дай йому коливатися.
- Запиши свої спостереження і зупини маятник.
Рис. 2: співвідношення сил у маятнику з важками за різних кутів відхилення
Виконання (2/2)
- Установи динамометр на демонстраційну дошку і зачепи шнур натягу біля центра мас тіла маятника.
- Виведи динамометр на 0 і переміщай його, доки маятник не відхилиться на 15° і шнур натягу динамометра не утворить прямий кут із ниткою маятника.
- Познач на дошці положення центра мас відхиленого тіла маятника.
- Зчитай показану силуі потім виміряй відстаньвід центра мас тіла маятника до накресленої вертикальної лінії.
- Запишиіу таблицю 1.
- Повторюй вимірювання з кроком 15° і записуй виміряні значення.
Опрацювання результатів
Опрацювання результатів (1/3)
Коли відхилений маятник відпустити, він коливається навколо свого положення рівноваги.
Таблиця 1: приклади вимірювань
Опрацювання результатів (2/3)
Відхилений праворуч маятник повертальна сила прискорено повертає ліворуч, у положення рівноваги, і за інерцією він проходить далі. У положенні рівноваги повертальна сила дорівнює нулю, потім знову зростає і повертає маятник праворуч, у бік положення рівноваги.
Як учні можуть передбачити, Fr тим більша, чим більші x або кут α. Вимірювання це підтверджують.
Обчислення часток і (пор. таблицю 1) дає:
Цей результат підкріплює доповнена схема на демонстраційній дошці (пор. рис. 2 і рис. 3). При цьому застосовують знання учнів про подібність трикутників.
або
Опрацювання результатів (3/3)
Якщо учні знають тригонометрію, результат можна записати й у вигляді
або
. Тоді вимірювання за потреби можна не робити.
Обговорюючи співвідношення між Fr і FG, варто пояснити й другу складову : це сила натягу (на рис. 2 позначена як ), яка натягує нитку маятника.
Рис. 3: розкладання сил
Завдання
Завдання 1
Питання