Практикум по физике (стр. 19 )

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.