Изучение движения тела по окружности под действием сил упругости и тяжести

 

Лабораторная  работа по теме: «Изучение движения тела по окружности под действием  сил упругости и тяжести»

Цель урока: продолжить формирование умения вести наблюдения и ставить опыты, самостоятельно работать с книгой, определять центростремительное ускорение шарика – при его равномерном движении по окружности.

Ход урока

Организационный момент

Алгоритм выполнения лабораторной работы

- Формулируем самостоятельно  цели опыта;

- Какие условия, необходимы  для проведения опытов;

- Составляем план эксперимента;

- Выбираем нужные для  опытов приборы и материалы

- Собираем по рисунку  установку для проведения опытов  и создаем условия для выполнения  эксперимента

- Выполняем необходимые  измерения;

- Проводим наблюдения;

- Записываем результаты  измерений и наблюдений

- Производим математические  вычисления результатов измерений;

- Формулировка выводов  и анализ полученных результатов

Цель  лабораторной работы: определить значение центростремительного ускорения шарика при его движение по окружности.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, измерительная лента, циркуль, динамометр, весы с разновесами, шарик на нити, лист бумаги, линейка.

Выполнение лабораторной работы.

1. Определим массу шарика с точностью до 1 г.

2. Приведем груз во вращение по нарисованной окружности радиуса R= 15см= 0,15м. Измерим время Δt, за которое тело совершит 40 оборотов. Повторим опыт 3 раза.

3. Результаты занесем в таблицу:

	1-ый опыт	2-ой опыт	3-ий опыт	Среднее
R (м)
Δt (c)
N

Rчр= 1/3 (R1+ R2+ R3)

4. Вычислим период колебаний: T= Δt/ N

5. Вычислим центростремительное ускорение: a1 = 4π²R/T²

6. Определим высоту конуса h, для этого измерим длину нити от точки подвеса до центра шарика.

7. Вычислим модуль центростремительного ускорения по формуле; a₂= gR/h

8. Отклонив груз на такой же угол как при вращении, динамометром измерим действующую силу F и вычислим ускорение по формуле: a3 = F/m

9. Результаты занесем в таблицу.

R (м)	N	Δt (c)	h (м)	m (кг)	T (c)	а₁ (м/с²)	а₂ (м/с²	а₃ (м/с²)

Вывод: сравнивая полученные три значения центростремительного ускорения, измеренные из кинематических и динамических соображений, убеждаемся, что они приблизительно равны.

Это подтверждает, во – первых, правильность наших измерений, во – вторых второй закон Ньютона.

 

Лабораторная  работа.

Изучение движения тела по окружности под действием  силы упругости и силы тяжести.

 

I Подготовительный этап

На  рисунке  схематически показаны качели, известные под названием «гигантские  шаги». Найдите центростремительную  силу, радиус, ускорение и скорость обращения человека на качелях вокруг столба. Длина веревки равна 5 м, масса человека равна 70 кг. Столб и веревка при обращении образуют угол 30⁰. Определите период, если частота обращения качелей равна 15 мин^-1.

Подсказка: На тело, обращающееся по окружности, действуют  сила тяжести и сила упругости  веревки. Их равнодействующая сообщает телу центростремительное ускорение.

Результаты  расчетов внесите в таблицу:

 

Время обращения, с	Число оборотов	Период обращения, с	Радиус обращения, м	Масса тела, кг	центростремительная сила, Н	скорость обращения, м/с	центростремительное ускорение, м/с2

 

II. Основной этап

 

Цель работы:

Приборы и материалы:

 

1. Перед опытом подвешивают на нити к лапке штатива груз, предварительно взвешенный на весах.
2. Под висящим грузом положите лист бумаги с начерченной на нем окружностью радиусом 15-20 см. Центр окружности расположите на отвесной линии, проходящей через точку подвеса маятника.
3. У точки подвеса нить берут двумя пальцами и аккуратно приводят маятник во вращательное движение, так чтобы радиус вращения маятника совпадал с радиусом нарисованной окружности.
4. Приведите маятник во вращение и подсчитывая число оборотов замерьте время, за которое эти обороты произошли.
5. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
6. Равнодействующая силы тяжести и силы упругости, найденная в ходе эксперимента, рассчитывается из параметров кругового движения груза.

С другой стороны, центростремительную силу можно  определить из пропорции

Здесь масса  и радиус уже известны из предыдущих измерений и, чтобы определить центробежную силу вторым способом надо измерить высоту точки подвеса над вращающимся  шариком. Для этого оттягивают шарик  на расстояние, равное  радиусу вращения и измеряют расстояние по вертикали  от шарика до точки подвеса.

7. Сравните результаты, полученные двумя разными способами и сделайте вывод.

 

III Контрольный этап

При отсутствии в домашних условиях весов цель работы и оборудование может быть изменено.

 

Цель работы: измерение линейной скорости и центростремительного ускорения при равномерном движении по окружности

 

Приборы и материалы:

1. Возьмите иголку с двойной ниткой длиной 20-30 см. Острие иголки воткните в ластик, маленькую луковицу или пластилиновый шарик. Вы получите маятник.
2. Поднимите свой маятник за свободный конец нити над листом бумаги, лежащим на столе, и приведите его в равномерное вращение по окружности, изображенной на листе бумаги. Измерьте радиус окружности, по которой движется маятник.
3. Добейтесь устойчивого вращения шарика по заданной траектории и по часам с секундной стрелкой зафиксируйте время для 30 оборотов маятника. По известным формулам рассчитайте модули линейной скорости и центростремительного ускорения.
4. Составьте для записи результатов таблицу и заполните ее.

 

 

 

Использованная  литература:

1. Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе . Пособие для учителей под редакцией А.А. Покровского. Изд. 2-е. — М.,  «Просвещение», 1974 г.
2. Шилов В.Ф.  Лабораторные работы в школе и дома: механика.—М.: «Просвещение», 2007