Практикум по физике (стр. 20 )

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).

Обязательно сохраните результат удачного эксперимента, дайте ему имя. Можно провести опыт ещё несколько раз, чтобы потом выбрать из данных наиболее удачный вариант. Не забывайте сохранять результаты. Над зависимостью придётся много работать, а NOVA часто "зависает" при сложной обработке результатов.

ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ПОЛУЧЕНИЕ ГРАФИКА КООРДИНАТЫ

1. Мы получили зависимость координаты шарика от времени при свободном падении и последующих отскоках от плиты. В идеальном случае получится что-то похожее на график на этом рисунке.

Конечно, может быть и меньше отскоков.

2. Вероятно, ваш график получился перевёрнутым, но его легко привести к указанному виду. Надо умножить функцию на минус 1 и что-то прибавить, чтобы в момент падения координата была нулевой.

Прибавить надо самое "нижнее" значение, зафиксированное при различных отскоках шарика (конечно, следите, чтобы в этом месте не было сбоя). Обычно эти значения достигаются при невысоких скоростях (правая часть графика), что легко увидеть и объяснить. Конкретное значение можно узнать, поставив на него курсор. Сделать это надо весьма аккуратно, т. к. на основе этих данных мы скоро оценим длительность удара шарика о поверхность.

Другой, более "честный" способ - непосредственно измерить координату "самого нижнего положения" шарика датчиком расстояния. Поскольку датчик плохо определяет расстояние до неподвижных объектов, шарик надо положить сверху на тонкую проволочку (в конце свёрнутую колечком) и, включив измерения, аккуратно опустить от датчика вниз, на место его обычного падения.

Иконка fx – Операция - Линейная - будет предложено ввести коэффициенты для преобразования AG1+B. Здесь G1- ваш график, А - то, на что вы его умножаете (надо ввести -1 в поле для А), в поле В - то, что к нему прибавляете. Надо прибавить такое В, чтобы график в самой нижней точке приходил в ноль. Это соответствует выбору оси y, показанной на рисунке.

3. Выберите "интересный" участок (включающий несколько отскоков без сбоев) лучшего из полученных графиков. С ним мы дальше и будем работать.

Выберите хороший масштаб и правильные единицы измерения.

Инструменты - Единицы измерения - для оси "время"- лучше выбрать секунды, знаков - два.

Для функции по оси y желательно выбрать приставку "милли" (м) – тогда расстояние будет в миллиметрах.

Подпишите этот график. (Рекомендуется подключить клавиатуру). Укажите также частоту измерений и свою фамилию.) Нажмите иконку "Сохранить".

Распечатайте этот график (при печати с NOVA установите высокое качество печати), покажите его учителю. Будьте готовы объяснить вид графика.

Замечание: Если в окне одновременно выведено несколько графиков и преобразование, которое вы делаете, выполняется не над нужной функцией, надо в окне слева сверху от графиков указать имя нужного графика!

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ ГРАФИКА у(t) ПАРАБОЛЕ

4. Выберите с помощью двух курсоров (иконка внизу, сначала надо вызвать один курсор, затем – два курсора) первый участок, соответствующий свободному падению шарика. Участок, разумеется, не должен включать момента удара. Обратите внимание на искажения графика около момента удара (точек минимальной высоты) из-за недостаточной частоты записи, добейтесь, чтобы искаженные части графика НЕ попали в выделенный фрагмент. Нажмите иконку "Сохранить"- график может пригодиться, чтобы показать учителю.