МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
«КОЛЛЕДЖ «ПОДМОСКОВЬЕ»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
по выполнении практических работ по дисциплине «Физика»
по специальности
15.02.01 МОНТАЖ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ (ПО ОТРАСЛЯМ)
Лобня, 2016 г.
Оглавление
Устройство комплекта
Подготовка комплекта к работе
Работа с комплектом
Электронный секундомер
Назначение и технические характеристики
Работа с прибором
Механика
Измерение жесткости пружины
Измерение коэффициента трения скольжения
Измерение силы трения скольжения и сравнение ее с весом тела
Изучение «золотого правила» механики
Изучение закона сохранения механической энергии
Измерение ускорения свободного падения с помощью маятника
Исследование зависимости периода колебаний маятника от длины подвеса
Устройство комплекта
Комплект предназначен для проведения лабораторных работ по различным разделам механики курса физики средних общеобразовательных учебных заведений. Кроме того комплект может быть использован при проведении работ физического практикума и решении экспериментальных задач. Оборудование защищено свидетельством на полезную модель.
Набор состоит из прибора для изучения прямолинейного движения, включающего направляющую 1, каретку 2 и секундомер 3 с двумя датчиками, рычага с осью 4, двумя крючками 5 и балансирами, дугообразного желоба 6, штатива 7, состоящего из основания, стержня, лапки и муфты с двумя винтами, подвижного 9 и неподвижного 8 блоков, четырех грузов 10, стального шарика 11 , пленки-отметчика 12, пластикового коврика 13 и тесьмы 14.
Для работы с комплектом также необходим лабораторный динамометр 15 и металлический лист 16, которые приобретаются отдельно.
Прибор для изучения прямолинейного движения обеспечивает возможность прямого измерения перемещения и времени движения тела между отдельными точками траектории. Основу прибора составляет направляющая рейка, по которой может скользить каретка. Вдоль одной из боковых сторон направляющей рейки расположен магнитный держатель и шкала с миллиметровыми делениями. С одного края направляющей рейки закреплена поперечная пластина. Пластина используется для крепления направляющей рейки к штативу, а также служит основанием при вертикальном расположении направляющей рейки на рабочем столе. В этом положении ее шкала используется для определения перемещения тел в вертикальной плоскости.
Каретка имеет на верхней поверхности три отверстия для установки грузов. Ввыступающей части каретки запрессован постоянный магнит. Поле магнита имеет вертикальную ориентацию. Положение центра магнита отмечено меткой. Каретка имеет крючок для соединения с динамометром.
Время движения тела определяют электронным секундомером, пуск и остановка которого происходит по сигналам двух датчиков. Управление работой секундомера осуществляется в соответствии с прилагаемой инструкцией, приведенной ниже.
Датчик секундомера представляет собой нормально разомкнутый магнитоуправляемый контакт - геркон, размещенный в пластиковом корпусе. К корпусу датчика прикреплена полоска магнитной резины для его размещения на магнитном держателе направляющей рейки. Два датчика, соединенных параллельно, подключены соединительными проводами к пусковой кнопке секундомера. Контакт геркона замыкается под влиянием магнитного поля постоянного магнита каретки. При прохождении каретки мимо первого датчика происходит пуск секундомера, мимо второго - остановка. На датчиках нанесены метки, служащие для определения координат мест их установки на направляющей рейке.
Подготовка комплекта к работе
Подвижный и неподвижный блоки и рычаг предварительной настройки не требуют.
Настройка прибора для изучения прямолинейного движения производится в следующей последовательности.
Датчики устанавливают на магнитном держателе направляющей рейки. Для придания рейке необходимого наклона ее край с поперечной пластиной накладывают на стержень лапки, которую предварительно закрепляют горизонтально на стойке штатива. Рекомендуется верхний край направляющей рейки располагать на высоте 17-19 см от поверхности стола. Чтобы погасить скорость каретки в конце ее движения, под другой край направляющей рейки подкладывают пластиковый коврик.
При подготовке опытов, где измеряется время движения каретки из состояния покоя, особое внимание следует уделить установке на направляющей рейке первого датчика, который должен запустить секундомер сразу же после начала движения каретки. Удерживая одной рукой каретку в исходном положении, другой медленно двигают вдоль нее датчик до того места, где произойдет запуск секундомера. Движение датчика осуществляется снизу наклонной плоскости, т.е. со стороны, в которую каретка будет двигаться в эксперименте. Затем датчик сдвигают на некоторое расстояние назад, чтобы он вышел из зоны действия магнита каретки, а секундомер останавливают, нажав кнопку «СТАРТ / СТОП». Регулировку заканчивают, подобрав такое положение датчика, при котором сдвиг каретки на 1 - 2 мм вызывает запуск секундомера.
Направляющая рейка с кареткой используется также в работах по изучению силы трения в качестве трибометра, и при изучении наклонной плоскости.
Работа с комплектом
Состав комплекта обеспечивает проведение лабораторного учебного эксперимента по механике в объеме курса физики средних общепрофессиональных учебных заведений.
Лабораторные работы, для проведения которых предназначен комплект, представляют собой систему экспериментальных заданий, целью которой является более осознанное усвоение учебного материала, формирование важнейших физическихпонятий, используемых для описания механического движения, развитие представлений об устройстве и принципе действия простых механизмов, знакомство с методами измерений некоторых физических величин, развитие экспериментальных умений обучаемых и навыков работы с измерительными приборами.
Поскольку лабораторные работы по изучению прямолинейного движения с использованием электронного секундомера в методической литературе, изданной к моменту создания комплекта, не описаны, в его состав включены инструкции для обучаемых по выполнению таких работ.
Работы, в которых не требуется измерения времени движения, могут проводиться также по прилагаемым инструкциям, либо в соответствии с той методикой, которая описана в соответствующих пособиях для преподавателей в их методических пособиях.
Полный перечень работ, выполняемых с комплектом, представлен в оглавлении.
Работы № 1 - 7 рекомендуется проводить фронтально при изучении разделов механики курса физики.
ЭЛЕКТРОННЫЙ СЕКУНДОМЕР
Назначение и технические характеристики.
Электронный секундомер предназначен для использования в составе комплекта для изучения законов механики на уроках физики средних общеобразовательных учебных заведений при проведении лабораторных работ и работ физического практикума. Секундомер позволяет:
измерять промежутки времени длительностью от 0,01 с до 100 с;
измерять время прохождения телом отдельных участков траектории с точностью 0,01 с;
режим работы: ручной / автоматический
Питается прибор от батарейки типа «Крона» напряжением 9 В. Батарея устанавливается в отсек, находящийся в задней части корпуса, Батарею следует заменить при изменении цвета цифр на индикаторе с черного на светло-серый. Замену батареи производить при отключенных датчиках.
Работа с прибором
Для приведения электронного секундомера в рабочее состояние следует:
а) установить батарею в батарейный отсек, подключив ее к контактной колодке, соблюдая полярность;
б) подключить датчики к электронному секундомеру, присоединив разъём датчиков к разъёму электронного секундомера.
При подключении разъема датчиков электронный секундомер автоматически включится и обнулит индикатор.
Датчики подключены к прибору двумя соединительными проводами. Они срабатывают при замыкании их магнитоуправляемых контактов - герконов под действием магнитного поля. Магнитное поле создается постоянным магнитом, который закреплен на каретке. При замыкании одного из контактов происходит пуск секундомера, при замыкании второго - остановка. Сброс показаний секундомера и подготовка его к новому циклу измерений осуществляется кнопкой «Сброс».
При работе в ручном режиме отсчет времени начинается нажатием кнопки «Старт / Стоп» и заканчивается при повторном нажатии на эту кнопку.
Лабораторная работа №1
Измерение жесткости пружины
Оборудование:• штатив с лапкой и муфтой • набор грузов • динамометр
• направляющая прибора для изучения прямолинейного движения.
Цель работы состоит в том, чтобы определить коэффициент жесткости пружиныдинамометра.
Способ измерения жесткости пружины, которым пользуются в работе, основан на использовании графика зависимости силы упругости, возникающей в пружине при ее растяжении от величины удлинения.
Удлиняться пружина динамометра будет под действием веса подвешенных к нему грузов. Удлинение происходит до тех пор, пока вес груза не уравновесится силой упругости пружины.
Удлинение пружины измеряется непосредственно по шкале направляющей.
Величину силы упругости определяют по показаниям динамометра.
Ход работы:
Подготовьте таблицу для записи результатов измерений:
№ опыта
|
Модуль силы упругости, Н
|
Модуль удлинения, *10-3м
|
|
|
|
2. Закрепите муфту с лапкой на стержне штатива на высоте около 30 см от поверхности стола. В лапке зажмите динамометр, как показано на рисунке. Направляющую рейку установите вертикально. Ее шкала должна располагаться вблизи указателя динамометра.
4. Подвесьте к динамометру один груз и по шкале с миллиметровыми делениями определите удлинение его пружины в миллиметрах. Удлинение находят как разницу двух положений указателя динамометра на шкале при нагруженном и ненагруженном динамометре.
5. По шкале динамометра измерьте величину силы упругости.
6. Результаты измерений занесите в таблицу.
7. Подвесьте к динамометру два груза и вновь определите удлинение пружины и величину силы упругости.
8. Повторите опыт с тремя и четырьмя грузами.
9. Начертите координатные оси для построения графика зависимости силы упругости от величины удлинения.
10. Нанесите на координатной плоскости соответствующие результатам каждого опыта точки.
11. Постройте график зависимости силы упругости от величины удлинения пружины. Если точки не ложатся на одну прямую, то провести линию графика надо так, чтобы половина точек расположилась по одну сторону от нее, а другая половина - по другую.
12. По графику определите коэффициент жесткости пружины. Для этого в средней части графика возьмите произвольную точку, опустите от нее перпендикуляры на координатные оси и определите соответствующие этой точке величины удлинения и силы упругости. По полученным значениям этих величин на основании закона Гука вычислите коэффициент жесткости (или, короче,жесткость) пружины:k =Fупр / x
Лабораторная работа №2
Измерение коэффициента трения скольжения
Оборудование: прибор для изучения прямолинейного движения; динамометр; набор грузов.
Цель работы состоит в определении коэффициента трения между пластиковыми поверхностями направляющей рейки и каретки.
Измеряют эту величину по графику зависимости силы трения от силы нормального давления.
Силу трения можно определить, если к каретке, лежащей на горизонтальной поверхности, присоединить динамометр и потянуть за него вдоль поверхности так, чтобы каретка стала бы двигаться равномерно. При равномерном скольжении сила трения, действующая на каретку, будет равна силе упругости растянутой пружины динамометра. Следовательно, динамометр будет при этом показывать величину силы трения.
Сила нормального давления тела на горизонтальную поверхность, на которой тело покоится или движется, равна весу этого тела. Таким образом эту силу можно измерить, определив с помощью того же динамометра вес каретки.
Порядок выполнения работы:
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений.
№ опыта
|
Вес каретки
Рк,Н
|
Вес грузов
Рг, Н
|
Вес каретки с грузами Р=Рк+Рг, Н
|
Сила трения
Fтp, Н
|
|
|
|
|
|
Направляющую рейки прибора для изучения прямолинейного движения положите на стол горизонтально (см. рисунок).
Подвесьте каретку к динамометру и определите ее вес.
Разместите каретку на одном из концов направляющей рейки крючком по ходу движения. К крючку прицепите динамометр. Плавно потяните за динамометр вдоль направляющей рейки так, чтобы каретка стала перемещаться с постоянной скоростью.
По показанию динамометра при равномерном движении каретки определите действующую на нее силу трения.
Данные измерений первого опыта занесите в первую строчку таблицы. Вес груза в этом опыте был равен нулю (Рг = 0).
Отсоедините динамометр от каретки, подвесьте к нему один груз и определите его вес.
Укрепите груз на каретке, подцепите к ней динамометр и повторите опыт для измерения силы трения, действующую на каретку нагруженную одним грузом. Данные всех измерений этого опыта занесите во вторую строчку таблицы.
Проведите третий, а затем и четвертый опыт, нагружая каретку соответственно двумя и тремя грузами.
По данным таблицы постройте график зависимости силы трения от веса каретки. При проведении линии графика следует стремиться к тому, чтобы она прошла симметрично относительно точек, нанесенных на координатную плоскость. (Точки поровну должны распределиться по обе стороны линии.)
11 .Возьмите произвольную точку А на линии графика, опустите из нее перпендикуляры на оси координат и определите значение силы тренияFтpA при данном весе каретки РА
12. Вычислите по этим данным коэффициент трения = FтрА / РА
Лабораторная работа №3.
Измерение силы трения скольжения и сравнение ее с весом тела
Оборудование: направляющая рейка; каретка; набор грузов; динамометр. Выполнение работы:
Повторите основные сведения о силе трения, силе упругости и весе тела.
Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:
№ опыта
|
Вес каретки, Н
|
Вес груза, Н
|
Вес каретки с грузом, Н
|
Сила трения, Н
|
|
|
|
|
|
Подвесьте каретку к динамометру и определите ее вес.
Положите перед собой направляющую рейки так, чтобы она расположилась на поверхности стола горизонтально, как показано на рисунке.
На направляющую рейки положите каретку и прицепите к ней динамометр.
Придерживая одной рукой направляющую рейки, в другую руку возьмите динамометр и потяните за него так, чтобы он и каретка стали бы равномерно перемещаться вдоль рейки. Величина силы, которую при этом покажет динамометр, будет равна величине сил трения между поверхностями рейки и каретки. При измерении силы трения таким способом трудно добиться строго равномерного движения каретки и динамометра. Поэтому перед каждым измерением желательно проводить несколько пробных попыток. За показание динамометра следует брать среднее значение из двух крайних положений указателя.
6. Занесите в таблицу результаты измерений, полученные в первом опыте.
Измерьте вес одного груза.
Вычислите и занесите в таблицу общий вес каретки с грузом.
Установите груз на верхней поверхности каретки, повторите опыт и занесите в таблицу измеренное значение силы трения.
-
Подвесьте к динамометру два груза и определите их общий вес.
0ба груза установите на каретке и определите силу трения для каретки с двумя грузами.
Измерьте динамометром общий вес трех грузов.
Установите грузы на каретке и определите силу трения для каретки с тремя грузами.
Вычислите, во сколько раз вес каретки с двумя грузами больше веса с одним грузом, а также во сколько раз сила трения, действовавшая на каретку с двумя грузами, больше той, которая действовала на каретку с одним грузом. Сравните изменение веса каретки с изменением силы трения.
Повторите вычисления для каретки с тремя и двумя грузами.
Еще раз проведите вычисления для каретки с тремя и одним грузом
Сделайте вывод о том, как меняется сила трения при изменении веса тела.
Лабораторная работа №4
Изучение «золотого правила» механики
Оборудование: штатив с муфтой; рычаг; динамометр; набор грузов;
направляющая прибора для изучения прямолинейного движения
Выполнение работы:
Закрепите муфту на стержне штатива на высоте около 20 см от поверхности стола. Вверните ось рычага в торцевую часть муфты. Убедитесь в том, что рычаг может вращаться вокруг оси без заметного трения.
Установите направляющую рейку так, чтобы ее шкала располагалась вертикально примерно за третьим отверстием правой части рычага. Экспериментальная установка показана на рисунке.
Перемещая балансиры вдоль рычага, найдите такое их положение, при котором рычаг располагался бы на оси горизонтально.
Для записи результатов вычислений и измерений подготовьте таблицу:
№ опыта
|
Сила F1,
Н
|
Высота h1,
м
|
Сила F2,
Н
|
Высота h2,
м
|
Работа А1,
Дж
|
Работа А2, Дж
|
|
|
|
|
|
|
|
Подвесьте к динамометру четыре груза, определите и занесите в таблицу величину действующей на них силы тяжести F1.
Подвесьте грузы ко второму отверстию правой части рычага. К четвертому отверстию рычага прикрепите динамометр, как показано на рисунке. Удерживая динамометр в руке, добейтесь того, чтобы рычаг вновь расположился горизонтально.
Занесите в таблицу величину силы F2, которую показывает динамометр. Эта сила приложена к рычагу со стороны динамометра и уравновешивает действие силы тяжести грузов.
Заметьте положение грузов и динамометра относительно шкалы;
Медленно перемещая динамометр вверх, поднимите грузы на высоту 2-Зсм.
Измерьте по шкале высотуh1 на которую поднялись грузы, переведите результат в метры и занесите его в первую строчку таблицы.
Измерьте высотуh2на которую поднялся при этом динамометр. Результат переведите в метры и занесите в таблицу.
12. Повторите опыт, подвесив два груза к первому отверстию, а динамометр прикрепив ко второму. Данные измерений занесите во вторую строчку таблицы.
Еще раз повторите опыт, подвес грузы к четвертому отверстию, а динамометр ко второму. Данные этого опыта занесите третью строчку таблицы.
Для каждого опыта вычислите работу A1 совершенную рычагом по подъему грузов. Со стороны грузов на рычаг действует сила тяжести F1.При равномерном движении стороны рычага на грузы действует такая х по величине силаF=F1
Для небольших перемещений можно считать, что путь, пройденный грузами, равен их перемещению по высоте, то естьS = h1. Учитывая эти соображения, можно вычислить работу A1= F1
Для каждого опыта вычислите работу A1 совершенную динамометром по поднятию грузов с помощью рычага. Работа А2 = F2h2
Сравните значения работA1и А2 исделайте вывод, дает ли такой механизм как рычаг выигрыш в работе.
Лабораторная работа №5
Изучение закона сохранения механической энергии
Оборудование: штатив с муфтой и лапкой; динамометр; набор грузов;
направляющая прибора для изучения прямолинейного движения.
Цель работы состоит в сравнении изменений потенциальной энергии груза, прикрепленного к пружине, и энергии пружины, растянутой под действием груза.
Изменение потенциальной энергии груза по отношению к какой-то поверхности определяется изменением его высоты относительно этой поверхности:
∆Ег=mgh2–mgh1 = mg∆h (1)
Изменение энергии пружины, если в исходном состоянии она не была деформирована, определяется ее величиной в растянутом положении:
∆Еп = kx22 /2 – 0 = k∆x2 / 2 (2).
Если пружина удлиняется под действием падающего груза, то на основании закона сохранения энергии должно выполняться равенство: ∆Ег — ∆Еп.
Выполнение работы:
В лапку штатива зажмите верхнюю часть корпуса динамометра и закрепите ее с помощью муфты на стержне. Нижний край динамометра должен находиться на высоте не менее 20 см от основания штатива.
Установите направляющую прибора для изучения прямолинейного движения так, чтобы ее шкала располагалась возможно ближе к указателю динамометра.
Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений
№ опыта
|
х1,м
|
х2, м
|
∆х, м
|
∆хср = ∆h, м
|
∆Ег, Дж
|
∆Еп,Дж
|
|
|
|
|
|
|
|
Определите положение указателя нерастянутой пружины динамометра на шкале – х1
Подвесьте к динамометру два груза и, приподнимая их рукой, верните пружину в нерастянутое состояние. Отпустите грузы и заметьте по шкале положение указателя, соответствующее максимальному удлинению пружины - х2
Вычислите удлинение пружины: ∆х = х1 - х2
Повторите опыт 5-6 раз и вычислите среднее значение удлинения ∆хср. Использование при дальнейших расчетах среднего значения удлинения позволит уменьшить влияние на результат случайных погрешностей, допущенных при проведении отдельных измерений положения указателя. Изменение длины пружины соответствует изменению высоты грузов, поэтому ∆хср = ∆h.
Определите общую массу грузов (масса груза указана на его поверхности) и, пользуясь формулой (1), вычислите изменение потенциальной энергии грузов ∆Ег
Вычислите по формуле (2) изменение энергии пружины. При этом учитывают, что жесткость пружины динамометраk= 40 Н/м
Сравните изменение энергии грузов и пружины и сделайте вывод о сохранении полной механической энергии системы грузы-пружина.
Лабораторная работа №7
Исследование зависимости периода колебаниймаятника от длины подвеса
Оборудование: штатив с лапкой и муфтой; тесьма с петлями на концах;
набор грузов; измерительная лента с миллиметровыми делениями; электронный секундомер
Цель работы состоит в экспериментальной проверке формулы, связывающей период колебаний маятника с длиной его подвеса.
Тело, подвешенное на нити, может совершать колебания, период которых определяется формулой: Т = 2π (1), где l - длина подвеса, а g- ускорение свободного падения.
Нужно помнить, что зависимость периода колебаний от длины, выраженная формулой (1), справедлива лишь для таких маятников, у которых длина подвеса значительно (не менее чем в десять раз) превосходит размер подвешенных грузов.
Из этой формулы следует, например, что период колебаний изменится вдвое при изменении длины подвеса в четыре раза.
Это следствие и проверяют в работе. Поочередно испытывают два маятника, длины подвесов которых отличаются в четыре раза. Каждый из маятников приводят в движение и измеряют время, за которое он совершит определенное количество колебаний. Чтобы уменьшить влияние побочных факторов, опыт с каждым маятником проводят несколько раз и находят среднее значение времени, затраченное маятником на совершение заданного числа колебаний. Затем вычисляют периоды маятников и находят их отношение.
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
l, м
|
№ опыта
|
N
|
t,с
|
tср, с
|
Т, с
|
l1 = 0,22
|
1
|
|
|
|
|
12 = 0,88
|
1
|
|
|
|
|
Выполнениеработы.
Закрепите лапку у верхнего края стержня штатива. Штатив разместите на столе так, чтобы конец лапки выступал за край поверхности стола. Подвесьте к лапке с помощью тесьмы один груз из набора. Расстояние от точки повеса до центра груза должно быть 22см.
Подготовьте электронный секундомер к работе в ручном режиме.
Отклоните груз на 5-6 см от положения равновесия и замерьте время, за которое груз совершит 30 полных колебаний.
Повторите измерение 3-4 раза и определите среднее времяtcp1.
Вычислите период колебания груза с длиной подвеса 22 см:T1 =tср1/N
Увеличьте длину подвеса в четыре раза.
Повторите серию опытов с маятником новой длины и измерьте его период колебаний: Т2 =tср2/N.
Сравните периоды колебаний двух маятников, длины которых отличались в четыре раза и сделайте вывод относительно справедливости формулы (1). Укажите возможные причины расхождения результатов.
|
