Практикум по физике (стр. 6 )

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Измерить величину магнитного поля соленоида в различных точках на его оси.

Посмотреть, как зависит магнитное поле от тока в цепи.

Оценить, однородно ли поле в центре соленоида (зависит ли от расстояния от оси)

УСТАНОВКА:

 

Соберите установку. Обеспечьте отсутствие железных предметов рядом с катушкой. Будьте осторожны при закреплении датчика, не раздавите его при затягивании лапки! Рекомендуется обмотать закрепляемый конец датчика изолентой, чтобы не поцарапать его. Чувствительный элемент датчика находится на его конце и помечен тонкой линией на корпусе. В начале опыта это место должно находиться строго в центре соленоида. Затем будем постепенно выдвигать датчик, измеряя значение индукции магнитного поля. Линейка не должна болтаться, штатив должен легко двигаться вдоль неё, недопустимы перекосы (проверьте), датчик должен быть расположен строго на оси соленоида во время всего опыта.

ТЕОРИЯ:

Солено́ид — разновидность электромагнитов. Характеризуется значительным соотношением длины намотки к диаметру, что позволяет создать внутри катушки относительно равномерное магнитное поле.

 

Магнитная индукция внутри соленоида:

,

n = N / s — число витков на единицу длины,

I — ток в обмотке.

Магнитная постоянная — константа

ПОЛЕ СОЛЕНОИДА

Н/А²

ХОД РАБОТЫ

Соберите цепь из батареи на 4,5 В, ключа, соленоида, реостата, амперметра. Включайте ток только на короткое время, необходимое для проведения измерения, затем выключайте. Токи большие, батарейка быстро "садится".

ОПЫТ 1 ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛЯ В ЦЕНТРЕ СОЛЕНОИДА ОТ ТОКА В НЁМ

Расположите чувствительный элемент датчика строго в центре соленоида.

Включите регистрацию данных (частота - 10 замеров в секунду, время - непрерывно).

Регулируя реостатом ток в цепи, измеряйте ток и поле в центре катушки. Можно сначала увеличить ток до максимума, затем уменьшить до минимума. Не забудьте выключить ток после выполнения опыта.

Посмотрите на графики зависимости тока и поля от времени. Не "зашкаливает" ли датчик? А если сделать его чувствительность выше? (на корпусе датчика есть переключатель).

Подходит ли датчик тока 2,5А для вашего опыта? (Есть ещё датчик с чувствительностью 250 мА).

Сделайте опыт "начисто" и постройте график зависимости индукции магнитного поля от тока в катушке.

На этом же листе постройте график по результатам расчётов, можно - "вручную", (А если вы - любитель компьютера, рассчитайте коэффициент, на который надо умножить I и сделайте это в "Мастере анализа".

Запишите выводы.

ОПЫТ 2 ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛЯ ОТ РАССТОЯНИЯ ОТ ОСИ В ЦЕНТРЕ СОЛЕНОИДА

Датчик находится в центре соленоида. Включим ток и не будем изменять его. Перемещая датчик от оси соленоида (перпендикулярно оси!) к краю, посмотрим на графике, как изменяется поле. Запишем вывод.

ОПЫТ 3 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯ НА ОСИ СОЛЕНОИДА

Расположим чувствительный элемент датчика на оси в центре соленоида.

Будем постепенно выдвигать датчик из соленоида, измеряя значение магнитного поля. Линейка не должна болтаться, штатив должен легко двигаться вдоль неё, недопустимы перекосы (проверьте), датчик должен быть расположен строго на оси соленоида во время всего опыта.

- Установим достаточный ток, чтобы датчик в центре соленоида показывал значение, сравнимое с пределом его измерений (если это не так, при выходе датчика из соленоида он будет показывать "слишком мало")

- Не забывайте выключать ток, когда не проводятся измерения.

Вариант 1:

- Установим режим снятия данных "по нажатию кнопки".

- Будем заполнять таблицу со столбцами: "расстояние от центра, см", "поле, Тл". Рекомендуемый шаг снятия данных - 1см там, где поле меняется слабо, 0,5 см - где сильно.

- Построим на "миллиметровке" график зависимости магнитной индукции от расстояния, расстояние отсчитываем от центра соленоида.

Вариант 2 :

Для любителей автоматизации.

Если вы хотите рискнуть, а учитель готов дать вам датчик расстояния, можно прикрепить к штативу вертикальную "мишень", а сам датчик расстояния закрепить в другом штативе, причём от него до мишени должно быть не менее 20 см. и в этот промежуток не должны попадать посторонние предметы, а мишень должна быть достаточно большой (порядка 15 градусов, если смотреть от датчика), чтобы датчик её не терял. При работе с датчиком расстояния необходимо подключить компьютер к блоку питания.

Установите частоту 10 измерений в секунду, включите ток, затем запустите измерения. Медленно выдвигайте датчик из катушки, пока поле не снизится почти до нуля.

- Постройте нужный график (поле от расстояния) в программе Multilab. Не забудьте при этом точно отметить (во время опыта и затем - на графике), какому расстоянию (по датчику расстояния) соответствует центр обмотки, а какому - край (не трубы, а обмотки, разумеется).

Если вариант 2 не получается, придётся сделать работу по варианту 1.

Результаты опыта 3:

Покажите учителю график зависимости индукции магнитного поля на оси соленоида от расстояния от центра. На графике обязательно должно быть чётко указано, где находится центр соленоида и где край обмотки!

Запишите выводы.

, шк. 179 МИОО, 11 апреля 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 19

ПРОВЕРКА ЗАКОНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

ОБОРУДОВАНИЕ:

Сильный магнит, катушка - соленоид с железным сердечником, датчик напряжения, датчик магнитного поля, штатив с двумя алюминиевыми лапками, NOVA.

Дополнительно – генератор звука, или источник переменного тока 50 Гц, ещё одна катушка, ещё одна лапка штатива.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Проверить выполнение закона электромагнитной индукции: ع= - dФ/dt

УСТАНОВКА:

Закрепим в лапке штатива катушку (ось вертикальна) так, чтобы сверху к ней можно было подносить магнит, подключим датчик напряжения. (Магнит должен быть достаточно сильным, а катушка - иметь довольно много витков и, желательно, железный сердечник, чтобы возникающая ЭДС могла быть корректно измерена малочувствительным датчиком напряжения (25 вольт).

Снизу (по оси катушки) расположим (закрепим в другой лапке на том же штативе) датчик магнитного поля. Подберем опытным путём расстояние от низа катушки до датчика так, чтобы показания датчика во время приближения магнита к верхней части катушки были в разумных пределах и корректно отражались на графике.

Внимание :

типичная ошибка: Датчик магнитной индукции выходит за пределы измерений или наоборот, работает около предела чувствительности и поэтому даёт большую погрешность.

Не надо допускать "зашкаливания" (при этом график выйдет на "полочку"). С другой стороны, если поле слишком слабое, датчик ничего не покажет, или даст результат "скачками", с большими погрешностями, что тоже плохо. Помните, что у датчика на корпусе есть переключатель чувствительности. Также надо отрегулировать удаление датчика от катушки до начала основного опыта.

ПОДГОТОВКА:

Установим частоту 10 измерений в секунду, чтобы график выводился на экран в реальном масштабе времени. "Положим" магнит сверху на катушку. Перемещая вверх или вниз датчик магнитного поля добьёмся, чтобы его показания были правильными, желательно близкими к верхнему пределу измерения. Закрепим датчик в таком положении.

ОПЫТ 1

Установим достаточную частоту, например, 200 измерений в секунду, число измерений 500.

Будем быстро подносить и уносить магнит к верхней части катушки. (Вариант - вращать магнит).

Построим график напряжения на катушке. Магнитный поток через катушку пропорционален измеренному значению магнитной индукции В. Поэтому ЭДС в катушке должна быть пропорциональна dВ/dt.

Построим график dВ/dt. Можно пользоваться иконкой "Производная" в верхнем меню. (Если график "шумный"- выполните сглаживание - надо выделить график курсором, нажать иконку +, отмена - иконка – )

Выведем на печать оба графика в правильном масштабе. Сделаем выводы.

Дополнительно - ОПЫТ 2

Можно создать переменное магнитное поле в исследуемой катушке при помощи другой катушки, (её расположим сверху от катушки, на которой измеряем напряжение; обе катушки и датчик расположены на одной вертикальной оси). Закрепим верхнюю катушку в лапке штатива. Подключим верхнюю катушку к генератору звука (выберите частоту пониже!) или к сети переменного тока с частотой 50 Гц.

При этом позаботьтесь о правильной частоте измерений. (Для 50 Гц рекомендую выбрать максимальную частоту записи – около 3000 в секунду, число измерений – 100 , тогда продолжительность опыта составит приблизительно 0,03с, т. е. около полутора периодов колебаний), Разумеется, надо включать запись данных после подачи переменного тока на катушку, создающую поле.)

Внимание: Типичная ошибка - делать измерения слишком долго. Колебания гармонические, достаточно записать несколько периодов. Если запись получилась слишком длинной - придётся вырезать из неё фрагмент разумной длины, чтобы графики были наглядными.

Обработка данных эксперимента аналогична описанной в предыдущем пункте. Здесь можно более тщательно сравнить графики.

ЗАМЕЧАНИЕ. Иногда в этой работе получается сдвиг фаз между графиками dВ/dt и напряжением, хотя его не должно быть. Иногда сдвига фаз нет. Причины не выяснены. Возможно, сдвиг получается из-за разного запаздывания датчиков, поэтому низкие частоты в опыте предпочтительны. Вполне вероятно, проблема связана с компьютером NOVA-5000

, шк. 179 МИОО, март 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20 (пробная)

ИЗУЧЕНИЕ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ В ТРУБЕ

ОБОРУДОВАНИЕ:

Генератор звука (должен быть оборудован частотомером, также можно взять мультиметр, "умеющий" определять частоту), динамик, микрофонный датчик, NOVA, прочная нитка, картонная или пластмассовая труба длиной 1,5 метра, диаметромсантиметров, заглушка для свободного конца трубы, рулетка или длинная линейка,
нитка, удлиненный кабель (2,5 метра) для подключения микрофонного датчика.

Протянув датчик через трубу, получим зависимость амплитуды колебаний от времени.

Проблема - в определении расстояния. Датчик расстояния приспособить получается плохо, он теряет мишень. Мы пользовались датчиком угла поворота (см. рисунок с общим видом установки). При этом непросто собрать установку правильно и аккуратно. Хорошим решением (и это рекомендуется) может быть протягивание датчика на нитке равномерно, например, с использованием моторчика от LEGO (см рисунок).

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

-  Наблюдать резонанс в трубе при различных частотах звука,

-  Определить скорость звука;

-  Исследовать зависимость амплитуды колебаний давления в трубе от координаты (стоячую волну);
- Проверить соответствие теоретических предсказаний резонансных частот и
экспериментальных данных для трубы с обоими открытыми концами и с одним открытым
концом.

ТЕОРИЯ

Стоячие волны возникают вследствие интерференции волн, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях. Практически стоячие волны возникают при отражении волн от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на прямую. Различные участки стоячей волны колеблются с различными амплитудами (см. рисунок). Такие волны возникают, например, в упругой системе - стержне или столбе воздуха, находящегося внутри трубы, закрытой с одного конца, при колебаниях поршня в трубе. Бегущие волны отражаются от границ системы, и в результате наложения падающих и отражённых волн в системе устанавливаются стоячие волны. При этом по длине воздушного столба образуются узлы смещений (скоростей) - плоскости, перпендикулярные к оси столба, на которых смещения частиц воздуха отсутствуют, а амплитуды давлений максимальны, и пучности смещений - плоскости, на которых смещения максимальны, а давления равны нулю. Узлы и пучности смещений располагаются в трубе на расстояниях четверти длины волны друг от друга, причём у твёрдой стенки всегда образуются узел смещений и пучность давлений. (Очевидно, у стенки частицы не могут смещаться.)

Подобная же картина наблюдается, если убрать твёрдую стенку в конце трубы, но тогда пучность скорости и узел давлений находятся приблизительно на плоскости отверстия. (Около открытого конца трубы давление равно атмосферному.)

Распределение давлений и скоростей в стоячей волне при открытом и закрытом конце трубы показано на рисунке. Амплитуды колебаний давления в разных точках вдоль трубы показаны сплошной линией, амплитуды скорости - пунктирной.

ЗАКРЫТЫЙ КОНЕЦ ТРУБЫ >

ОТКРЫТЫЙ КОНЕЦ ТРУБЫ >

МОДА - вид собственных колебаний системы, при которой все параметры системы колеблются с одной и той же частотой, а разница фаз колебаний выбранных точек остаётся неизменной во времени. Обычно каждой моде соответствует определённая собственная частота.

ОРГАННАЯ ТРУБА (с одним открытым концом).

Стоячие волны в таком резонаторе возможны лишь для тех случаев, когда на длине трубы укладывается нечетное число четвертей длин волн. (На открытом конце трубы будет узел давления, на закрытом – пучность).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА.

Определение скорости звука в газе в данной работе выполняется методом стоячих звуковых волн. Стоячая волна в трубе с открытыми концами возникает, когда длина трубы L равна целому числу полуволн: L = n λ/ 2 - открытая с двух концов труба,

где λ - длина волны звука, а п - любое целое число.

Подбор условий возникновения стоячей волны можно проводить двумя способами:
• При постоянной длине трубы L можно изменять частоту звуковых колебаний, наблюдая
стоячие волны. Если мы знаем порядок резонанса (изменяя частоту от 20 Герц (длина
волны при этом примерно λ = VT = V/ν = 330 / 20 (м) = 16,5 метров; очевидно, половина
длины волны много больше длины трубы. Повышая частоту, можем "поймать" первый
резонанс, L = 1 λ /2, λ = VT = V/ν, 2L= V/ν, V = 2Lν - рассчитаем скорость звука.

Если же порядок резонанса для более высоких частот неизвестен, можно воспользоваться таким приёмом:

Плавно изменяя частоту звукового генератора, и, следовательно, длину волны, будем наблюдать несколько последовательных резонансов.

В резонансе имеем: n λ n = 2L, учитывая λ п = VT = V/νn, для резонансов порядка п и k получаем

2L νn= nV, 2L νk= kV Отсюда получаем:

V = 2L(νn - νk)/(n - k) где: L - длина трубы, νn - частота для n-ого узла. Зная частоты двух последовательных резонансов (n - k = 1), рассчитаем скорость звука.

ДАТЧИКИ

Микрофонный датчик измеряет давление в момент времени, когда проводится измерение. Очевидно, при частоте 200 Гц давление в данной точке совершает 200 колебаний в секунду. Поскольку в работе используются меньшие частоты записи данных, например, 100 в секунду, датчик покажет "странные" данные (нарисуйте высокочастотную синусоиду и снимите с неё данные с низкой частотой). Нам интересна ОГИБАЮЩАЯ полученного графика (не та, что рассчитана компьютером, а та, что видим "на глаз").

Внимание! Если громкость слишком велика, датчик будет всё время показывать максимум. Подберите громкость. На слух – должно звучать заметно, но негромко.

Не забывайте вовремя отключать звук, когда вы не проводите измерения, звуки мешают окружающим.

Подчеркнём, что датчик покажет ДАВЛЕНИЕ, соответственно на открытом конце трубы оно близко к атмосферному. (Там узел давления.)

(Датчик уровня звука, который, как кажется, можно применить вместо микрофонного, показывает некий "средний уровень" звука. Мы пробовали делать эту работу с датчиком уровня звука - не получилось.)

ХОД РАБОТЫ

1. Расположим трубу "лёжа" на столе, обеспечим её неподвижность. На расстоянии около двух диаметров трубы (можно подобрать это расстояние, но важно обеспечить "открытый" конец трубы) от торца на оси трубы расположим динамик, подключенный к генератору звука. Сделаем небольшую на слух громкость.

Научимся измерять частоту колебаний. (Большой мультиметр позволяет измерять частоту, его можно подключить и использовать, если на генераторе нет хорошего указателя частоты).

2. Повышая частоту от минимальной (20 Гц), найдём на слух частоты, при которых
возникает резонанс. (Труба явно "загудит" на этих частотах. Можно также определить резонанс, слегка касаясь трубы рукой.). Нетрудно предсказать минимальную частоту, при которой возникнет резонанс - в этом случае в трубе "поместится" половина длины волны. Скорость звука должна быть около 330 м/с.

Если частоту, при которой возникает резонанс, трудно точно определить на слух, поместите в середину трубы микрофонный датчик и, изменяя частоту генератора, смотрите, когда показания будут максимальны. (Частота записи для такого опыта 25 измерений в секунду, иначе не получится графика в "реальном" времени. Разумеется, график будет весьма "рваным"- ведь частота колебаний много выше частоты записи. Но нас интересуют только максимальные значения этой зависимости!)

Измерим частоту "первого" резонанса, измерим длину трубы (возможно точнее) и рассчитаем скорость звука. Оценим погрешность измерения скорости звука.

3.  Повышая частоту, определим на слух, при каких частотах возникают следующие
резонансы. Запишем эти частоты. Проверим, выполняется ли условие резонанса. Запишем
вывод.

4.Привяжем микрофонный датчик к нитке, чтобы "протащить" его вдоль всей трубы
и узнать, каков уровень звука (амплитуда колебаний давления) в разных местах трубы во время резонанса.

При установившемся резонансе в трубе "протащим" через трубу привязанный к нити микрофонный датчик, определим, где пучности, где узлы давления. Цель - получить график давлений от расстояния (не времени!). Поэтому нужно обеспечить равномерное движение датчика, например, с использованием моторчика от LEGO . тогда координата датчика в трубе пропорциональна времени, и график будет "правильным".

(Если такого моторчика нет, можно поступить иначе. Можно было бы подключить датчик расстояния, а к концу нитки привязать предмет немалых размеров, до которого датчик определял бы расстояние. Но, к сожалению, датчик расстояния не умеет работать на высоких частотах. А чтобы получить хорошую "картинку" микрофонным датчиком, нужна именно высокая частота записи, например, 500 в секунду. Сделать же разные частоты для разных датчиков невозможно. Один из интересных, но требующих аккуратности вариантов - взять датчик угла поворота, обмотать нить (к другому концу которой привязан микрофонный датчик) вокруг шкива (один - два оборота, чтобы не было проскальзывания) и медленно тянуть нить. Угол поворота будет пропорционален пройденному расстоянию. Но помните - датчик угла поворота НЕ работает на скоростях выше двух оборотов в секунду! (При превышении скорости данные будут неверными. Поэтому после опыта проконтролируйте соответствующий график!)

Построим графики амплитуды колебаний давления в трубе для двух разных частот - рекомендуется минимальная частота и в четыре раза бОльшая.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

5. Получим резонанс в трубе с закрытым концом.
(Закроем заслонкой конец, противоположный динамику). Тогда первый резонанс будет при условии равенства длины трубы четверти длины волны (см. рисунок выше), второй - три четверти, и т. д. Проверим соответствие теории и практики, запишем выводы.

Получим и распечатаем график зависимости колебаний давления от положения датчика в трубе. Датчик рекомендуется перемещать от крышки в сторону динамика. Опыт достаточно выполнить только для одной частоты, например, второго резонанса.

6 Запишем выводы по работе.

, шк. 179 МИОО, март 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22

ИЗУЧЕНИЕ РАСТЯЖЕНИЯ ПРОВОЛОКИ (пробная)

ОБОРУДОВАНИЕ

Медная проволока диаметром 0,1- 0,3 мм и длиной около 1,5 м, скотч, линейка, NOVA, датчик силы, тяжелый груз, например, 2 кг, штангенциркуль или микрометр, справочник "Физические величины". Вариант В - датчик угла поворота.

ЦЕЛИ РАБОТЫ

- узнать, действительно ли металлическая проволока будет заметно растягиваться,

- узнать, как зависит растяжение от действующей на проволоку силы,

- познакомиться с понятием механического напряжения, упругой и неупругой деформации,
предела упругости и прочности.

- Наблюдать явление текучести металла.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Будем нагружать проволоку постепенно возрастающей силой и измерять по линейке её

удлинение, затем построим график зависимости удлинения от силы, проанализируем его.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Удобнее тянуть не за проволоку, а за датчик силы, и, например, и через каждый миллиметр удлинения отмечать, какая была сила, и сразу заносить данные в таблицу.

Вариант А: ВИД СВЕРХУ:

На краю стола закрепим проволоку. Можно воспользоваться струбциной.

Обеспечим, чтобы на проволоке делались "правильные" узлы. (Например, "восьмёрка", используемая для альпинистских верёвок. Если проволока в ходе опыта порвётся в узле, значит - узел плохой, придётся переделать опыт.)

На другом краю стола прикрепим к концу проволоки датчик силы, а сам датчик прикрепим к тяжелому грузу, так, чтобы растянутая проволока не могла "утянуть" датчик обратно, когда мы его отпустим. Или же у вас получится аккуратно, прижимая датчик к столу, сдвигать его на малые расстояния - попробуйте. Чтобы обеспечить большую длину проволоки, можно поставить два стола один за другим, но при этом важно обеспечить, чтобы столы не сдвигались в ходе опыта.

Чтобы точно отмечать удлинение проволоки, и ровно передвигать штатив, приклеим скотчем к столу линейку. Проволока в ходе опыта растянется, поэтому обеспечим нужный запас длины линейки. Перемещение (удлинение проволоки) можно отслеживать по краю штатива, движущегося вдоль линейки. Удобно сделать так, чтобы при очень малая но ненулевая) сила натяжения проволоки соответствовала "нулю" линейки. Можно для этого приклеить к нужному месту штатива около линейки штативу кусочек изоленты и отслеживать положение по ней.

Вариант В

Если имеется датчик угла поворота и вы сможете жестко закрепить его на краю стола и обеспечить аккуратное наматывание нити на вал датчика (нужен совсем маленький диаметр), а к этой нити будет прикреплён датчик силы - получится автоматизировать процесс измерения расстояния и обработки результатов.

Датчик расстояния не годится из-за малой точности.

Ещё одна "красивая" возможность - использовать для измерения расстояния "ползунковый" реостат с возможно большей длиной хода, блок питания и датчик напряжения.

Старые "школьные" проволочные реостаты малопригодны из-за перекашивания ползунка.

ПОДГОТОВКА

1. Перед началом опыта убедитесь, что разрывное усилие проволоки не приводит к
"зашкаливанию" датчика силы. Для этого на самом деле порвите датчиком короткий кусочек проволоки и посмотрите, какова сила при разрыве. Помните - у датчика два разных предела измерений, переключатель - на корпусе.

2. Соберите экспериментальную установку.

3. Включите компьютер так, чтобы можно было в любой момент снять показания силы
Есть режим снятия показаний прибора при нажатии иконки.

4. Установите "начальную точку"- проволока натянута, а сила - почти нулевая. В этой точке удлинение будем считать равным нулю.

5. Выполните опыт, сдвигая датчик каждый раз, например, на 1 миллиметр ("правильный" шаг зависит от длины и свойств взятой проволоки), и каждый раз записывайте данные в таблицу: сила F, удлинение Δх.

Делайте это до тех пор, пока проволока не порвется.

6. Постройте на миллиметровке график зависимости силы упругости от удлинения
проволоки. Напишите выводы по графику.

Внимание! Типичная ошибка:

Вместо требующегося графика строят график зависимости удлинения от силы.

7. Посмотрите в справочнике "ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ" для материала проволоки.

Это механическое напряжение (силу делим на площадь поперечного сечения проволоки),

при котором образец разрушается.

(Из справочника стр. 67: Предел прочности меди σв = 240 МПа )

Для определения диаметра проволоки пользуйтесь микрометром или штангенциркулем.

Запишите результаты измерений, справочные данные, расчёты и вывод.

Соответствуют ли данные справочника полученным экспериментальным результатам?

8. По результатам работы рассчитайте:

Сколько (минимум) таких проволочек понадобилось бы, чтобы выдержать вес экспериментатора?

9 ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

Проведите аналогичное исследование с ниткой.

10. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ:

Надо узнать, при какой силе проволока восстановит прежнюю длину после снятия нагрузки, а при какой останется растянутой. Такая деформация, когда после снятия нагрузки тело возвращает прежнюю форму, называется упругой.

Соберите установку, взяв новую проволоку.

Установите "начальную точку"- проволока натянута, а сила - почти нулевая (но есть
какая-то и её можно измерить!). Запишите это значение силы и показание "стрелки".
Нагрузите проволоку некоторой небольшой силой, запишите деформацию и силу, затем снимите нагрузку до исходного значения. Восстановила ли проволока свою первоначальную длину? (Конечно, в этом опыте изначально проволока должна быть нагружена маленькой силой, иначе она будет провисать и опыт не получится).

Повторяя это действие и каждый раз увеличивая силу, определите силу, где деформация перестала быть упругой. Запишите результаты опыта. Сравните полученную силу с силой при разрыве образца.

, шк. 179 МИОО, март 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23

ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ ТЕННИСНОГО ШАРИКА

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

- Получить и исследовать графики координаты, скорости, ускорения тела при свободном падении.

- Определить величину ускорения свободного падения.

- Исследовать влияние сопротивления воздуха на ускорение при падении шарика.

- Оценить время взаимодействия шарика с плитой и ускорение в момент отскока шарика.

- Исследовать, какая часть энергии переходит в тепло при каждом отскоке.

- Познакомиться с характером проблем, возникающих при регистрации данных с недостаточной частотой измерений, и способами их решения.

ОБОРУДОВАНИЕ:

- шарик для настольного тенниса,

(можно взять и резиновый прыгающий мячик, но с шариком получается лучше)

- штатив для крепления датчика, желательно - струбцина для крепления штатива к столу (если её нет, можно использовать в качестве груза стопку книг)

- NOVA-5000,

- датчик расстояния,

- ровная массивная доска (плита из ДСП), чтобы шарик хорошо и ровно отскакивал.

ТЕОРИЯ:

Свободным падением называется движение тела в инерциальной системе отсчёта только под действием силы тяжести.

Ускорение тела g при таком движении называется ускорением свободного падения.

Пусть координата тела в точке начала движения y0, начальная скорость равна v0, ускорение a. Тогда уравнения для координаты и проекции скорости на ось у имеют вид:

y(t) = y0 +v0yt + ayt2/2

vy (t) = v0y + ayt

В этой работе при помощи датчика расстояния мы будем измерять координату шарика при движении его вниз и вверх (после отскока от пола). По зависимости y(t) можно определить величину ускорения свободного падения.

ВНИМАНИЕ: Берегите шарик, не давайте ему кататься по кабинету!

ПОДГОТОВКА ОБОРУДОВАНИЯ:

1. Соберите экспериментальную установку в соответствии с рисунком.

- Закрепите датчик расстояния на штативе. (Не надо пользоваться лапкой, просто

укрепите стержень, к которому прикреплён датчик, в зажиме штатива вместо лапки.)

- Установите штатив на краю стола и прикрепите его струбциной или положите на штатив стопку книг.

- Обеспечьте наличие ровной плиты под местом падения шарика.

- Сделайте так, чтобы на полу рядом с местом падения не было посторонних предметов, которые могут помешать датчику правильно определять положение шарика.

- Установите датчик на высоте 100 – 140 см от поверхности пола. (Большие расстояния более интересны, но если расстояние слишком велико, датчик перестаёт "видеть" шарик и даёт странные результаты, тогда график y(t) получится "рваным". Датчик должен "смотреть" строго вниз. (Проверьте это!)

- Подключите датчик расстояния.

- Подключите компьютер к блоку питания, иначе датчик расстояния быстро разрядит аккумуляторы.

2. Для предварительной настройки экспериментальной установки попробуйте несколько раз отпустить шарик без начальной скорости, не включая запись. Удобно отпускать шарик из положения непосредственно под датчиком, но не забывайте, что все расстояния, меньшие 20 сантиметров, датчик покажет как 20 сантиметров. Потренируйтесь отпускать шарик так, чтобы он падал строго под датчиком и успевал подпрыгнуть и снова упасть хотя бы 3-5 раз, находясь под датчиком или почти под датчиком. Возможно, для этого потребуется чуть изменить наклон плиты, от которой отскакивает шарик.

3.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА И ВЫБОР ЧАСТОТЫ ИЗМЕРЕНИЙ.

Датчик посылает импульс ультразвука, звук отражается от шарика и возвращается в датчик. По времени задержки определяется расстояние. Скорость звука 330 м/с. Датчик рассчитан на измерение расстояний до 10 метров. Звук пройдёт 10 метров до объекта и 10 обратно. На этом расстоянии задержка составит 20/330 ≈ 0, 06(с). Тогда за секунду датчик мог бы выполнить не более 16 замеров. Согласно паспорту на больших расстояниях датчик способен делать 10 замеров в секунду, на малых - 25.

Очевидно, чем больше частота измерения, тем качественнее получатся наши графики.

Если расстояние 1,5 метра, время похождения сигнала 1,5*2/330 = 0.009 (c), тогда датчик теоретически мог бы выполнить 110 замеров в секунду.

3.2 НУЖНАЯ ЧАСТОТА ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Шарик, падающий с высоты 1.25 метра, имеет скорость √2gh = √(2*10*1.25) = 5 (м/с). Если частота измерений 25 в секунду, шарик успеет пролететь за время между соседними измерениями его положения 5/25 = 1/5 метра! Частота 100 измерений в секунду не решила бы всех проблем, но, по крайней мере, это расстояние снизится до 5 сантиметров.

3.3 ВЫБИРАЕМ ЧАСТОТУ

На самом деле все датчики должны надёжно работать на частоте 25 замеров в секунду (но этого явно мало для нашей работы).

Стоит постараться сделать частоту 100 измерений в секунду – но, чтобы получить красивый график без сбоев, вероятно, придётся набраться терпения и выполнить опыт много раз.

Не получится 100- попробуйте установить 50 замеров в секунду.

4. ВЫПОЛНЕНИЕ ОПЫТА

4.1 НАСТРОЙКИ: Длительность – непрерывно, в конце опыта надо вовремя остановить запись, когда шарик "убежит" из - под датчика. Частота -25 записей в секунду.

4.2 Проведите пробный опыт с регистрацией данных на частоте 25 записей в секунду. Убедитесь, что датчик нормально отслеживает положение шарика, что получается график, на котором нормально получились хотя бы три-четыре отскока.

4.3 Если идут сбои, попробуйте:

- выполнить опыт ещё несколько раз,

- проверить, нет ли выступающих посторонних предметов, например, ног экспериментатора, которые "ловит" датчик,

- проверить, "смотрит" ли датчик строго вниз,

- поставить датчик немного ближе к плите, на которую падает шарик (это хорошо помогает),

- уменьшить частоту записи (но не ниже 25 измерений в секунду),

- если ничего не помогает, взять другой датчик и другой компьютер.

4.4 Если опыт получается, попробуйте увеличить частоту записи до 100 или хотя бы 50 измерений в секунду, тогда ваши данные будут намного более качественными.

Этот опыт при должной аккуратности и терпении даёт "красивый" график, похожий на приведённый ниже (график будет "перевёрнутым"- это нормально).