«А.И. Слободянюк Физическая олимпиада: экспериментальный тур 0 Каждый школьник, выучивший две-три (или два-три десятка) формулы из учебника, считает себя достойным участником физической олимпиады любого уровня от ...»

1.2 Полученные зависимости являются линейными, описываемыми функциями Коэффициенты этих зависимостей могут быть найдены различными способами, наиболее точный из которых – метод наименьших квадратов. Предельное значение ( x 0 ) отлично от напряжения источника U 0, в чем проявляется наличие скачка потенциала вблизи положительного электрода. Поэтому величина этого скачка равна Аналогично, предельное значение ( x l ) отлично от нуля, в чем проявляется наличие скачка потенциала вблизи отрицательного электрода. Поэтому величина этого скачка равна В Таблице 2 представлены расчеты по МНК параметров линейных зависимостей (1) и их погрешностей, а также величины скачков потенциалов (и их погрешности), найденные по формулам (2)-(3).

Таблица 2.

1.3 Полученные для разных расстояний между электродами полностью согласуются друг с другом по следующим характеристикам:

- обе зависимости линейны;

- найденные значения скачков потенциала в пределах погрешности совпадают.

Часть 2. Радиальное растекание.

2.1 Радиус центрального электрода r0 = 1,2 мм, радиус кольцевого электрода R = 6,5 см.

Результаты измерений зависимости потенциала от расстояния до центра центрального электрода представлены в Таблице 3 и на рис. 3.

Таблица 3.

r, см 2.2 Так как распределение токов является радиально симметричным, то зависимость плотности тока от расстояния до центральной точки будет обратно пропорциональной j. По закону Ома такой же будет зависимость напряженности поля от расстояния E =. Распределение потенциала можно найти, проинтегрировав выражение для напряженности по расстоянию то есть зависимость является логарифмической, приведенной в условии.

Параметры этой зависимости определяются граничными условиями:

- при r = r0 ( r0 - радиус центрального электрода) потенциал равен (r0 ) = U 0 (+ ) ;

- при r = R ( R - радиус кольцевого электрода) потенциал равен (R ) = ( ).

Из этих условий следует, что исследуемая зависимость имеет вид то есть параметры зависимости (r ) = A + B ln системы следующим образом 2.3 Построим зависимость потенциала от ln, где в качестве r0 = 0,12 см возьмем радиус центрального электрода (то есть пренебрежем толщиной двойного слоя возле него). График этой зависимости показан на Рис. 4.

Таблица 4.

Полученная зависимость оказалась линейной, что подтверждает справедливость приведенной в условии формулы (1).

Обработка данной зависимости методом наименьших квадратов приводит к следующим значениям коэффициентов Найдем по этим данным скачки потенциалов на электродах:

Значение скачка потенциала на центральном положительном электроде достоверно отличается от полученного в Части 1. Это отличие связано с тем, что не учтена толщина эффективного слоя.

2.4 Отличие полученных значений скачков потенциала связано с пренебрежением толщиной двойного слоя. Заметим, что значительная погрешность определения скачка потенциала у отрицательного электрода не позволяет использовать это значение для дальнейших расчетов, поэтому для определения эффективного радиусу r0 центрального электрода следует можно использовать только значение скачка потенциала у центрального электрода. Заметим, что на значение коэффициента B точное значение эффективного радиуса оказывает несущественное влияние, так как ln R >> ln r0.

Преобразуем аппроксимирующую формулу к виду приравняем ее к теоретической зависимости (4) (скачки потенциалов взяты из Части 1).

Из этого соотношения следует, что или r0 = r0 exp(0,3) 1,65 мм.

При таком значении эффективного радиуса электрода параметры экспериментальной зависимости равны Заметим, что коэффициент наклона практически не изменился. Зато измененное значение параметра приводит к значению скачка потенциала на положительном электроде равном (+ ) = U 0 A (1,5 ± 0,2 )B, что согласуется с более точным значением, полученным в Части 1.

логарифмов размерных величин, то эффективный радиус электрода графически. Для этого построим логарифма расстояния до центра электрода (измеренного в см).

Затем проводим горизонтальную прямую через значение потенциала на положительном электроде (U 0 (+ ) ) 7,5 В, и определяем по графику, какому расстоянию r0 соответствует это значение потенциала.

Часть 3. Два «точечных» источника.

3.1 Измерения проведены при расстоянии между электродами равным l = 10 см.

Результаты измерений зависимости потенциала ( x ) между двумя «точечными»

электродами от расстояния до положительного электрода представлены в Таблице 5 и на рис. Таблица 5.

3.2 В части 2 было показано, что распределение потенциала от одного точечного источника описывается логарифмической зависимостью. По принципу суперпозиции распределение потенциала при двух точечных источниках (один положительный, второй отрицательный) будет равно сумме потенциалов от каждого из этих источников, поэтому в этом случае откуда и следует приведенная в условии формула (2).

Для определения параметров этой зависимости следует воспользоваться граничными условиями:

при r = r0 значение потенциала (r0 ) = U 0 (+ ) ;

при r = l r0 значение потенциала (l r0 ) = ( ).

Из этих условий следует, что теоретические значения коэффициентов равны 3.2 Для проверки представленной зависимости линеаризуем зависимость, построив график зависимости потенциала от величины z = ln (Рис. 6).

Таблица 6.

Линейность полученной зависимости подтверждает применимость приведенной формулы.

Обработка по МНК приводит к следующим значениям коэффициентов зависимости Рассчитаем теоретические значения этих параметров по формулам (7), с использованием значений скачков потенциалов, найденных в Части 1:

Соответствие значений для параметра A полное, незначительное различие в значениях параметра B обусловлено низкой точностью определения эффективного радиуса электрода. Кроме того, возможно, что толщины двойных слоев различны для разных электродов.

Поэтому, в целом, соответствие следует признать удовлетворительным.

Для подтверждения правильности проведенных расчетов приведем график параметрами, определенными по данным частей 1(скачки потенциала) и 2 (эффективный радиус электродов), с нанесенными экспериментальными значениями части 3 (Рис. 6).

График демонстрирует лучше, чем хорошее соответствие между этими данными.

задачи к тому или иному разделу в некоторой степени условно, так как при их выполнении часто необходимо использовать различные физические законы и математические методы. Основные подходы к выполнению экспериментальных работ и методам обработки результатов были достаточно подробно рассмотрены в предыдущих разделах, поэтому здесь мы имеем полное право, ограничится более кратким изложением решения предлагаемых задач.

Наконец, чтобы предоставить читателям возможность самостоятельно подумать (или, что предпочтительнее, проделать предлагаемые работы), условия и методы решения задач1 разделены, причем для некоторых задач приведены только краткие указания по их решению.

Условия задач.

математических методов, поэтому эти задачи можно предлагать для школьников, только начинающих изучать физику. К данной теме могут быть отнесены задачи 1 и рассмотренные ранее.

Те, кто даже бегло просмотрел предыдущие части данной книги, понимают, что экспериментальные задачи ответа не имеют.

Задача 20. «Задача Архимеда».

Оборудование: два карандаша, полоска миллиметровой бумаги, скрепки 1. С помощью двух карандашей, полоски миллиметровой бумаги и канцелярских скрепок экспериментально докажите справедливость законов равновесия рычага.

2. Определите отношение масс карандаша и скрепки.

Комментарии к условию задачи.

1. Очевидно, что один карандаш следует использовать в качестве рычага, а второй – опоры. Медленно вращая карандаш опору на столе достаточно просто определить положение равновесия карандаша-рычага. Понятно, что вместо карандашей можно использовать другие стержни. Только необходимо, чтобы масса рычага была сравнима с общей массой скрепок.

2. Полоска миллиметровой бумаги используется в качестве линейки.

3. Самым интересным пунктом задачи является первый, так как для его выполнения требуется самостоятельно разработать методику эксперимента (по известной схеме:

теоретическое описание, схема установки, проведение измерений, обработка результатов).

Задача 21. «Взвешивание воздуха».

Оборудование: Спица, гайка известной массы, пластилин, жестяная скоба, линейка, шарик резиновый, нитки, миллиметровая бумага, термометр, Слегка изогнутая спица на остром твердом упоре в совокупности с вертикальной линейкой может служить в качестве чувствительных весов.

Изготовьте такие весы. Их удобно монтировать на краю крышки стола с помощью пластилина. Используйте в качестве противовеса пластилин. Добейтесь того, чтобы в свободном состоянии (без груза) плечо-стрелка располагалась горизонтально.

В качестве гири используйте небольшую гайку.

1. Покажите, что “показаний” весов (отклонения от положения равновесия без нагрузки x ) пропорциональны расстоянию l от точки опоры до положения груза и его массе m0 :

2. Проверьте экспериментально полученную зависимость для двух значений угла изгиба спицы. Постройте графики полученных зависимостей.

3. Измерьте «избыточную» массу воздуха в накачанном вами воздушном шарике.

Оцените давление воздуха внутри шарика.

«Избыточной» массой названа разность между массой воздуха в шарике и массой воздуха того же объема, находящегося при атмосферном давлении.

Комментарии к условию задачи.

1. При «фронтальном» выполнении данной задачи достаточно иметь один комнатный термометр и один барометр на аудиторию (они нужны только для определения атмосферного давления и комнатной температуры).

2. Спица должна иметь длину порядка 30 см, так чтобы измерительное плечо имело длину не менее 20 см. Можно использовать кусок достаточно жесткой проволоки.

3. Данная задача демонстрирует принцип работы рычажных весов, основной деталью которых является изогнутое коромысло. Прямой рычаг не может прийти в положение равновесия!

4. При «взвешивании» воздуха необходимо быть предельно аккуратным и дожидаться установления равновесия, кроме того, даже слабые воздушные потоки приводят к большим колебаниям подвешенного шарика, поэтому желательно исключить сквозняки и хождения по классу.

к получению более глубоких физических закономерностей.

Основной проблемой при разработке таких задач является необходимость измерения времен, поэтому изучаемые процессы должны быть медленными, допускающими проведение измерений с помощью ручного секундомера. С другой стороны измерения и обработка их результатов должны выполняться за ограниченное время, отводимое на решение задачи, поэтому измерение скорости роста ногтей явно выпадает из возможного перечня экспериментальных заданий олимпиад.

Простейшей моделью движения является равномерное, поэтому мы начнем с задач, в которых движение является именно таким.

Если тело движется в вязкой среде, сила сопротивления которой зависит от скорости, то по прошествии некоторого времени движение тела становится равномерным.

Изучение зависимости скорости тела от его параметров и характеристик среды позволяет делать определенные выводы об этих характеристиках. Эта идея эксплуатируется в следующей задаче, кроме того, она использовалась при формулировке задачи 14.

Задача 22. Вязкость жидкости.

Оборудование: Трубка стеклянная (длина - 60 см), исследуемая жидкость, весы с разновесом, нить, стакан с водой, пластилин, линейка, секундомер, При движении тела в вязкой среде на него действует сила сопротивления, которая зависит от формы и размеров тела, свойств среды и скорости движения. Так сила сопротивления, действующая на шарик, движущийся в вязкой жидкости с небольшой скоростью, определяется формулой Стокса где r - радиус шарика, v - его скорость, - вязкость жидкости (коэффициент, который определяется свойствами жидкости). Вам необходимо исследовать движение пластилиновых шариков (сделанных самостоятельно) в киселе.

1. Покажите (теоретически), что падение шарика в вязкой среде после небольшого участка разгона становится равномерным. Найдите зависимость скорости этого установившегося движения от радиуса шарика.

2. Проверьте экспериментально, можно ли считать падение шарика в киселе равномерным.

3. Измерьте плотность вещества (пластилина), из которого изготавливаются шарики, падающие в жидкости.

4. Измерьте плотность жидкости-киселя.

5. Исследуйте зависимость скорости установившегося движения шарика в жидкости от его радиуса. Проверьте применимость формулы Стокса в данном случае.

Радиусы пластилиновых шариков должны изменяться от 1 мм до 5 мм.

5. Определите вязкость предложенной Вам жидкости.

Комментарии к условию задачи.

1. Для увеличения вязкости (следовательно, и времени падения) рекомендуется использовать крахмальный клейстер средней консистенции.

2. Вместо трубки можно использовать длинную мензурку.

3. Для повышения достоверности следует провести достаточное количество измерений.

Поэтому для выполнения работы следует использовать не менее половины бруска пластилина.

На первый взгляд закон Ома для участка цепи противоречит второму закону Ньютона. Действительно, сила электрического тока пропорциональна средней скорости движения заряженных частиц, а напряжение пропорционально силе, действующей на эти частицы. Следовательно, закон Ома, утверждающий, что сила тока пропорциональна приложенному напряжению, фактически утверждает, что скорость движения заряженных частиц пропорциональна действующей на них силе со стороны электрического поля. И.

Ньютон же установил, что силе пропорционально ускорение тела. Это кажущееся противоречие снимается, если учесть, что на носители тока также действует сила сопротивления со стороны проводника. Если среднее значение этой силы пропорционально средней скорости движения заряженных частиц, то их установившаяся скорость пропорциональна действующей электрической силе, что и соответствует закону Ома. В следующей задаче экспериментально проверяется это утверждение.

Оборудование: промокательная бумага, кусок полиэтиленовой пленки, раствор поваренной соли, раствор фенолфталеина, два куска проволоки для электродов, источник тока (батарейка 4,5 В), вольтметр, линейка, соединительные провода.

При прохождении электрического тока через растворы носителями тока являются ионы. Движение ионов можно сделать видимым. Как известно, гидроксильные ионы OH окрашивают раствор фенолфталеина в розовый цвет. Ионы OH образуются на отрицательном электроде при электролизе поваренной соли и движутся к положительному электроду. Если пропускать электрический ток через промокательную бумагу (или кусок ткани), пропитанную растворами поваренной соли и фенолфталеина, то вблизи отрицательного электрода появляется розовая полоска, которая медленно расширяется в сторону положительного электрода. Движение этой окрашенной границы соответствует границе распространения ионов OH.

Согласно классической теории средняя скорость движения ионов пропорциональна напряженности электрического поля коэффициент пропорциональности называется подвижностью ионов.

1. Исследуете закон движения границы окрашенной полоски при протекании электрического тока через пропитанную промокательную бумагу. Определите, применима ли формула (1) в данном случае.

2. Определите подвижность гидроксильных ионов OH.

Движение границы является очень медленным, не затягивайте начало измерений!

Комментарии к условию задачи.

1. Вместо промокательной бумаги можно использовать кусок плотной ткани.

2. Концентрации растворов должна быть должны быть небольшими, порядка нескольких процентов. Можно сразу приготовить смешанный раствор.

3. На бумаге следует расположить параллельно два куска проволоки, желательно их прижать для лучшего контакта.

4. Вместо батарейки можно использовать и другие источники постоянного напряжения, например, ЛИП.

Еще одна сила торможения, пропорциональная скорости движения, возникает при движении проводников в магнитном поле. В движущем проводнике индуцируются токи Фуко, взаимодействие которых с породившим их магнитным полем приводит к появлению силы Ампера, которая тормозит движение проводника. Эти силы часто называют магнитной вязкостью и исследуются в следующей задаче.

Задача 24. «Магнитная вязкость»

Приборы и оборудование: штатив с лапкой, Побразный держатель, скоба для магнитов, алюминиевый «квадратный диск» на оси, набор кольцевых магнитов ( пары), 2 груза известных масс, нить, мерная лента, секундомер.

На рисунке показана экспериментальная установка. Алюминиевая пластинка, прикрепленная к оси, может вращаться в держателе под действием груза, прикрепленного на нити, второй конец которой намотан на ось пластинки. В специальном держателе могут крепиться кольцевые магниты. Положение груза определяется с помощью вертикально расположенной мерной ленты. Если намотать нить на ось пластинки, и отпустить привязанный груз, то нить начнет разматываться, раскручивая диск. Груз будет опускаться, пройдя нижнюю точку, он затем начнет подниматься. Обозначим высоту, с которой начинает опускаться груз h0, а высоту, на которую он поднимается после прохождения нижней точки - h1 (высоты отсчитываются относительно нижней точки опускания груза при полностью размотанной нити).

Часть 1. Движение без магнитов.

1.1 Измерьте зависимости высоты подъема груза h1 от высоты их начального подъема h для двух различных грузов.

1.2 Постройте графики полученных зависимостей. Дайте им качественное объяснение.

Часть 2. Магнитное торможение.

Расположите в держателе пару одинаковых магнитов большего диаметра.

2.1 Измерьте зависимости высоты подъема груза h1 от высоты их начального подъема h для двух различных грузов.

2.2 Постройте графики полученных зависимостей. Дайте им качественное объяснение.

Часть 3. Индукция магнитного поля магнита.

3.1 Используя полученные ранее результаты, укажите в каких случаях движение груза можно считать равномерным. Подтвердите экспериментально сделанные предположения.

3.2 Используя имеющееся оборудование, ранее полученные данные, а, при необходимости, и дополнительные измерения определите отношение средних индуктивностей магнитных полей, создаваемых постоянными магнитами B1 : B2 : B1+ 2, где B1, B2 - средние индуктивности полей, создаваемых первой и второй парой одинаковых магнитов, B1+ 2 - индуктивность поля создаваемого двумя парами магнитов соединенных вместе. Постарайтесь выбрать оптимальную методику решения этой задачи.

Комментарии к условию задачи.

1. Для проведения исследований по данной задаче необходимо самостоятельно изготовить оборудование. Дугу держателя можно согнуть из полосового железа. Отдельно следует вырезать полоску (можно из более тонкой жести) для закрепления магнитов. В качестве оси удобно использовать толстую иглу.

2. При выполнении последней части работы следует обязательно экспериментально проверить равномерность движения. Точнее, выбрать участок, на котором движение является равномерным, так в данном случае участок разгона хорошо заметен.

Равноускоренное движение следующая по сложности модель движения, изучаемая в средней школе, потому следующие задачи посвящены экспериментальному изучению такого движения.

Задача 25. «Задача Г. Галилея – скатывание по наклонной плоскости»

Оборудование: желоб для лабораторных работ, шарик пластмассовый, линейка с миллиметровыми делениями, секундомер, пластилин, миллиметровая бумага.

Целью данной работы является изучения качения небольшого шарика по наклонному желобу. В качестве подставки переменной высоты рекомендуем использовать кусок пластилина.

1. Исследуйте, является ли движение шарика по желобу равноускоренным.

2. Исследуйте зависимость ускорения шарика от высоты желоба h. Объясните полученную зависимость.

3. При скатывании шарика с вершины желоба, его потенциальная энергия (W = mgh) превращается в кинетическую энергию поступательного движения шарика (W = ) и кинетическую энергию вращательного движения шарика. Определите экспериментально, какая доля энергии шарика превращается в энергию вращательного движения при различных высотах наклонной плоскости.

Комментарии к условию задачи.

1. В качестве желоба можно использовать деревянную доску с небольшой прорезью, обеспечивающей прямолинейность движения шарика. Хорошим желобом может служить металлический или пластиковый уголок, поставленный на ребро. В этом случае время движения увеличивается (правда, возрастает и влияние силы трения).

2. Шарик можно взять из набора для моделей кристаллов.

3. Отметим, что разделение кинетической энергии на энергию поступательного и вращательного движения является условным, зависящим от выбора метода описания плоскопараллельного движения, но используется достаточно часто.

Следующая задача похожа на предыдущую, но задания к ней отличаются.

Задача 26. «Трубка на наклонной плоскости»

Оборудование: Трибометр (деревянная доска), металлическая трубка длиной 4 см, секундомер, линейка, пластилин.

Исследуйте скатывание тонкостенной трубки по наклонной плоскости.

Исследуйте экспериментально, можно ли считать движение трубки равноускоренным.

2. Исследуйте зависимость времени скатывания от высоты наклонной плоскости.

Постройте график полученной зависимости.

3. Используя полученные данные, определите ускорение свободного падения и оцените коэффициент трения трубки о доску.

Примечание. В данном случае речь идет о трении качения. Сила трения качения определяется по формуле:

где N - сила нормальной реакции, R - радиус катящегося тела, K - коэффициент трения качения, который имеет размерность длины.

Комментарии к условию задачи.

1. В данной задаче нет необходимости «выковыривать» канавку в доске – цилиндр скатывается прямолинейно. Длина доски должна быть порядка 1 метра.

2. В принципе, можно исследовать и скатывание сплошного цилиндра, однако тонкостенная трубка движется с меньшим ускорением, поэтому относительная точность измерения времени выше.

3. Трубку можно выпилить из старой алюминиевой лыжной палки.

Главное достоинство следующей задачи – относительная простота проведения измерений и более высокая точность и надежность экспериментальных результатов. Это обусловлено большим временем раскручивания диска, так стандартная полиэтиленовая крышка на деревянной шашлычной палочке в качестве оси вращения опускается на полметра за несколько десятков секунд! Поэтому настоятельно рекомендуем выполнить эту задачу.

Оборудование: штатив с лапкой, секундомер, две палочки, нитки, скотч, шило, ножницы, линейка, картон, полиэтиленовая крышка, миллиметровая бумага.

Маятник Максвелла представляет собой диск, насажанный на тонкий стержень. На стержень с двух сторон наматываются нити, верхние концы которых закрепляются (удобно это сделать на другом стержне, который закрепляется в лапке штатива). Если маятник отпустить, то диск начинает раскручиваться, а его ось медленно опускается.

Достигнув нижней точки, маятник начинает подниматься вверх, после чего процесс его колебаний повторяется. В качестве диска используйте полиэтиленовую крышку (задания 1, 2), а в качестве стержней палочки для шашлыков.

Диск можно также заменить на картонный квадрат, ось маятника в этом случае должна проходить через центр квадрата (задания 3, 4). Хорошо закрепляйте картон на оси с помощью скотча, старайтесь, чтобы его плоскость была перпендикулярна оси.

отцентрировать маятник, нити должны быть вертикальны, на стержнях их можно закрепить с помощью кусочка скотча.

В данном эксперименте вам необходимо исследовать движения таких маятников.

Задание 1.

Изготовьте маятник с использованием полиэтиленовой крышки в качестве диска.

1.1 Постройте график закона движения оси маятника, при его смещении на максимально возможную высоту.

1.2 Исследуйте, можно ли считать движение оси маятника равноускоренным на всем пути его движения.

1.3 Определите начальное и среднее за все время движения ускорение оси маятника.

Задание 2.

2.1 Исследуйте зависимость высоты подъема маятника hk от числа колебаний k. Назовем коэффициентом восстановления отношение высот подъема в ходе двух последовательных колебаний = k.

2.2 Проверьте, можно ли считать коэффициент восстановления величиной постоянной для данного маятника.

2.3 Определите среднее значение этого коэффициента.

Задание 3.

3.1 Проведите исследования, описанные в задании 1, для маятника с квадратной картонкой максимального размера.

Задание 4.

4.1 Исследуйте зависимость начального ускорения оси маятника с квадратной картонкой от длины стороны квадрата.

4.2 Попытайтесь установить вид этой зависимости. Качественно объясните полученную зависимость.

Комментарии к условию задачи.

1. Основная проблема при подготовке оборудования – тщательное центрирование диска маятника, поэтому данную работу следует проделать заранее. В качестве оси маятника можно использовать любые тонкие стержни, помимо палочек для шашлыков, можно использовать стержни для шариковых ручек, зубочистки. Металлические стержни достаточно тяжелы.

2. При изучении движения маятника с квадратной картонкой лучше заранее разметить картонку, нарисовав на ней несколько квадратов меньших размеров с общим центром.

Затем закрепить картонку на оси (для этого можно использовать небольшой кусочек пластилина). В ходе работы можно отрезать небольшие полоски по краям картонки по разметке. Начальный размер картонки рекомендуется взять 15х15 см.

3. Длина нитей должна быть около 0,5 метра. Для удобства можно на равном расстоянии (через 5 см) нанести метки на одну из нитей.

В следующей задаче объединяются методы замедления движения, использованные в предыдущих задачах: во-первых, используется диск на тонкой оси, во-вторых, он скатывается по наклонной плоскости. Это делает движение настолько медленное, что с помощью ручного секундомера удается получать результаты с малой погрешностью.

Поэтому приведено подробное решение данной задачи.

Не всегда кратчайший путь является самым быстрым – вам предстоит исследовать именно такую ситуацию!

Оборудование: пластмассовый диск на деревянном стержне, два штатива с лапками, резинка модельная, нитки, линейка 1 м, линейка 40 см, секундомер, груз 0,5 кг.

показанную на рисунке. По двум параллельным натянутым резинкам, как по рельсам может катиться на стержне. С помощью подвижных лапок штатива и нитей, привязанных к серединам направляющих резинок, можно изменять профиль «дороги».

Не забывайте указывать геометрические характеристики этого пути в каждой части задачи.

Часть 1.

Экспериментально исследуйте качение диска по наклонным прямым (без прогиба) направляющим, составляющим угол ( tg = 0,2 ) с горизонтом.

1.1 Измерьте зависимость времени скатывания без начальной скорости от длины пройденного пути.

1.2 Постройте график закона движения оси диска S ( t ).

1.3 Проверьте, можно ли считать движение оси диска равноускоренным.

1.4 Определите среднее ускорение оси диска.

Часть 2.

В данной части вам необходимо изменять угол наклона направляющих, оставляя их по-прежнему прямыми. Горизонтальное расстояние между точками крепления резинок оставляйте при этом неизменным.

2.1 Измерьте зависимость времени скатывания (при фиксированном расстоянии между штативами) от разности высот точек крепления резинок.

2.2 Считая движение оси диска равноускоренным, постройте зависимость ускорения диска от синуса угла наклона направляющих. Покажите, что ускорение диска может быть описано формулой где - безразмерный коэффициент, зависящий от радиусов диска и оси. Используя полученные экспериментальные данные, определите коэффициент.

2.3 Постройте график зависимости времени скатывания от расстояния между точками крепления (пути, пройденного диском). Постройте теоретическую зависимость времени скатывания от пройденного пути, сравните ее с экспериментальной зависимостью.

Ускорение свободно падения считайте равным g = 9,81 2.

Часть 3.

Закрепите концы резинок и не изменяйте их положения в ходе дальнейших измерений.

Разность высот и горизонтальных расстояний между начальной и конечной точками выберите самостоятельно.

С помощью нитей, прикрепленных к серединам резинок профиль траектории можно превратить в двухзвенную ломаную линию.

3.1 Измерьте зависимость времени скатывания диска от стрелы прогиба резинок. Постройте график полученной зависимости.

3.2 Постройте график времени скатывания от длины пройденного пути от начальной до конечной точек.

Комментарии к условию задачи.

1. Проблемы изготовления маятника Максвелла рассмотрены в предыдущей задаче 27.

2. В качестве направляющих используется модельная резинка (можно купить в магазинах для рыбаков).

3. Использование резиновых жгутов в качестве направляющих имеет два преимущества:

во-первых, высокий коэффициент трения, дающий возможность проводить измерения не только при малых углах; во-вторых, возможность легко изменять профиль траектории.

3. На выполнение этой задачи отводилось 5 часов.

Движение тел далеко не всегда описывается как равномерное, или равноускоренное. В следующих задач экспериментально изучаются иные виды движения, на основании которых исследуются известные физические законы, но не изучаемые в средней школе.

Задача 29. «Эванжелиста Торричелли»

Оборудование: пластиковый стакан 0,5 л со шкалой; банка стеклянная 0,5 л (или 1 л), часы, шило, штангенциркуль.

Проделайте в дне стакана маленькое отверстие. Заполните его водой (желательно, чтобы вытекающая из стакана вода попадала в стеклянную банку, а не на Вас), исследуйте процесс вытекания воды из стакана.

1. Постройте график зависимости высоты уровня воды в стакане от времени.

2. Постройте график зависимости скорости вытекающей воды от высоты уровня воды в стакане.

3. При определенных допущениях теоретически можно показать, что скорость v воды, вытекающей через отверстие в дне стакана, зависит от высоты уровня воды в стакане h по формуле где C - величина, не зависящая от h. Используя полученные экспериментальные данные, определите показатель степени.

Комментарии к условию задачи.

1. Предпочтительнее использовать пластиковый стакан, форма которого близка к цилиндрической.

2. Можно видоизменить условие задачи: вместо простой банки использовать мерный стакан (мензурку) с делениями и следовать не скорость уменьшения уровня в стакане, а скорость повышения уровня в мензурке.

Эта задача предлагалась на республиканской физической олимпиаде более 10 лет назад. Поле подробное исследование вытекания жидкости из бутылки и анализ применимости формулы Торричелли предлагается провести в следующей задаче.

Задача 30. «Формула Торричелли»

Оборудование: бутылка пластиковая 0,5 л без дна, три пробки с дырками известных диаметров, полоска миллиметровой бумаги, скотч, секундомер, сосуд для воды (1 л), штатив с лапкой.

Для скорости вытекания воды из сосуда через небольшое отверстие Э. Торричелли установил формулу где h - высота уровня жидкости над отверстием, g = 9,8 2 с ускорение свободного падения.

Вам предстоит проверить справедливость этой формулы для скорости вытекания воды из бутылки через отверстие в пробке. Соберите установку, как показано на рисунке.

Прикрепите к боковой поверхности бутылки полоску миллиметровой бумаги.

Часть 1. Теоретическая.

1.1 Считая формулу Торричелли справедливой покажите, для высота уровня жидкости в вертикальном цилиндрическом сосуде при вытекании воды через отверстие в дне зависит от времени по закону где h - высота уровня жидкости над уровнем отверстия, h0 - начальная высота уровня жидкости, b - постоянный коэффициент, зависящий от размеров сосуда и отверстия.

1.2 Выразите коэффициент b в формуле (2) через параметры вашей установки и начальную высоту уровня жидкости в сосуде.

Часть 2. Закон вытекания.

2.1 Измерьте зависимость высоты уровня жидкости в сосуде от времени, при вытекании воды через отверстие минимального диаметра, постройте график полученной зависимости.

2.2 Проверьте выполнимость закона движения (2).

2.3 Определите при каком значении коэффициента b формула (2) наиболее точно описывает экспериментальные данные.

2.4 Сравните экспериментально определенное и рассчитанное значения этого коэффициента. Объясните причины возможных отклонений.

Часть 3. Другие отверстия.

3.1 Измерьте зависимость времени полного вытекания воды из бутылки (при постоянном начальном уровне) от диаметра отверстия. Объясните полученные результаты, сравнив их с вашими расчетными значениями.

Приборы и оборудование: две бутылки с пробками, две трубки для коктейлей, миллиметровая бумага, секундомер, скотч.

На фотографии показана простая установка для изучения течения жидкости по тонким трубкам: две бутылки 0,5 л соединены между собой склеенными пробками. Через пробки проходят две тонкие трубки, через которые жидкость (вода) может перетекать из верхней бутылки в нижнюю. На стенках бутылок прикреплены полоски миллиметровой бумаги, позволяющие измерять уровень жидкости в бутылке.

Трубки вставлены так, чтобы жидкость могла перетекать из одной бутылки в другую, при этом бутылки можно постоянно переворачивать. Расположение трубок показано на схеме.

1. Расположите бутылки таким образом, чтобы верхняя была заполнена водой. Исследуйте зависимость уровня жидкости в нижней бутылке от времени. Постройте график полученной зависимости. Качественно объясните ее.

2. Измерьте зависимость скорости возрастания уровня жидкости в нижней бутылке от разности давлений на концах трубки. Постройте график полученной зависимости.

3. Закон Пуазейля утверждает, что объем жидкости, протекающей через поперечное сечение трубки в единицу времени (расход жидкости), пропорционален разности давлений на концах трубки. Проверьте экспериментально выполнимость закона Пуазейля в данном случае. Определите коэффициент пропорциональности между расходом жидкости и разностью давлений на концах трубки.

Комментарии к условию задачи.

1. Для создания экспериментальной установки можно использовать и пластиковые полулитровые бутылки.

2. Для лучшей устойчивости эти водяные часы можно закреплять в штативе.

3. Еще одно достоинство данной задачи – простота выполнения, обусловленная тем, что время перетекания в данной установке около 10 минут!

Еще один пример экспериментального задания, которое можно выполнить и в домашних условиях: процесс протекает настолько медленно, что параллельно можно спокойно пить чай.

Приборы и оборудование: Полоска ткани, мешок полиэтиленовый, линейка, часы, крышка баночная, вода.

Внимание! Данный эксперимент предполагает длительные измерения (порядка 1 часа), а ваше время ограничено!

Опустите один конец сухой полоски ткани в крышку от банки, разложите аккуратно полоску на столе (не забудьте подстелить под нее полиэтиленовый пакет), налейте в крышку немного воды. Исследуйте распространение воды по полоске ткани.

Постройте зависимость длины намокшей части ткани от времени.

Попытайтесь определить функциональный вид этой зависимости, оцените ее параметры. Качественно объясните полученную зависимость: обоснуйте ее теоретически.

Комментарии к условию задачи.

1. Приведенные здесь экспериментальные данные получены при использовании полоски из белой атласной ткани – граница намокшей части прослеживается очень четко.

Эта тема очень популярна у разработчиков экспериментальных заданий физических олимпиад различного уровня. Для их выполнения, как правило, не требуется сложного оборудования – подвесил груз на веревочке (можно просто на гвоздик), дал линейку, секундомер и … длинное-длинное условие! Самое поразительное, что при этом удается получать достаточно точные и интересные результаты.

движения, экспериментальное изучение колебаний позволяет исследовать многие интересные физические явления - в дальнейшем мы используем этот подход для изучения силы взаимодействия магнитов, закона электромагнитной индукции, сил трения и сопротивления воздуха.

Кроме того, эти задачи позволяют разрабатывать и усваивать многие методы математической обработки результатов измерений, в чем вы могли убедиться на примерах рассмотренных задач по изучению колебаний математического маятника, колебаний подвешенного стержня, крутильных колебаний.

Вернемся к традиционной школьной лабораторной работе по изучению математического маятника (Задача 3).

Слегка модифицируем данную задачу и добавим один интересный пункт.

Задача 33. «Просто математический маятник»

Приборы и оборудование: металлический шарик на нити, секундомер, линейка.

Экспериментально исследуйте колебания тяжелого металлического шарика, подвешенного на нити.

Период малых колебаний математического маятника определяется формулой Вывод этой формулы приведен в книге:

Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц Теоретическая физика. т. 1. Механика 1. Измерьте зависимость периода колебаний математического маятника от его длины.

Проверьте выполнимость формулы (1) в вашем случае. Считая, что g = 9,81 2, определите экспериментально значение числа.

2. Строго говоря, период колебаний математического маятника зависит от амплитуды его колебаний. Легко показать, что зависимость периода от амплитуды имеет вид где T0 - период малых колебаний, определяемый формулой (1); 0 - максимальный угол отклонения (амплитуда), измеренный в радианах; - постоянный коэффициент.

Проверьте экспериментально выполнимость формулы (2). Определите значение коэффициента.

Комментарии к условию задачи.

1. Первая часть задачи традиционная и ее выполнение никаких сложностей не вызывает.

2. Вторая часть задачи требует тщательности в проведении измерений. Период колебаний изменяется крайне незначительно, поэтому должен измеряться с высокой точностью. Не следует стремиться делать маятник слишком длинным – важен угол отклонения.

Желательно использовать тяжелый груз (металлический шарик), чтобы уменьшить затухание.

Широко распространенным заблуждением является утверждение, что период колебаний любого тела подвешенного в поле тяжести земли может быть рассчитан по формуле математического маятника, если в качестве его длины l использовать расстояние от точки подвеса до центра масс маятника. Это утверждение уже опровергалось нами в задаче о колебаниях стержня (задача 5), где была получена и исследована не монотонная зависимость. Еще одним, возможно, более наглядным подтверждением обсуждаемого здесь тезиса является следующая простая экспериментальная задача.

Маятник состоит из стрежня с закрепленными на нем двумя одинаковыми грузами.

1. Покажите, что если считать грузы материальными точками и пренебречь массой стержня, то период колебаний такого маятника рассчитывается по формуле где L - длина стержня.

2. Проверьте экспериментально эту формулу.

Комментарии к условию задачи.

1. Для успешного выполнения данной задачи масса стержня должна быть значительно меньше массы грузов, а его длина заметно превышать размеры грузов.

Механические колебаниям подвержены многие системы, и многие из них достойны изучения. Рассмотрим пример такой системы, колебания которой легко наблюдаемы, имеют период измеримый с помощью ручного секундомера, описываются удобоваримыми формулами.

Задача 35. «Линейка на цилиндрах»

расположить на горизонтально лежащем цилиндре. Если слегка коснуться одного из концов линейки, то она начнет колебаться. Ваша задача – исследовать эти колебания. Не забывайте закреплять цилиндр на столе с помощью кусочка пластилина!

Приборы и оборудование:

Цилиндры металлические, картон, скотч, линейка деревянная 40 см, секундомер, штангенциркуль, ножницы, две металлических петли, кусок пластилина.

Задание 1. Измерение коэффициентов трения.

Измерьте значения коэффициентов трения (постарайтесь с максимальной точностью) а) дерева по металлической поверхности цилиндра;

б) дерева по картону;

в) дерева по неклейкой поверхности скотча.

В дальнейшем используйте колебания линейки по кусочку картона, закрепленному на цилиндрах.

Задание 2. Изучение зависимости периода колебаний от радиуса опоры.

2.1 Измерьте зависимость периода колебаний линейки от радиуса опоры.

Постройте график полученной зависимости.

2.2 Теоретически зависимость периода колебаний T (R ) от радиуса опоры R приближенно выражается формулой где A, - некоторые постоянные. Определите экспериментально показатель степени.

Задание 3. Изучение зависимости периода колебаний от положения металлических петель.

Дальнейшие измерения проводите при неизменном радиусе опоры. Какой радиус опоры является оптимальным для таких измерений?

Насадите на концы линейки металлические проволочные петли. Петли можно передвигать по линейке. Во всех измерениях петли должны располагаться симметрично, на равных расстояниях x от концов линейки.

3.1 Измерьте зависимость периода колебаний T ( x ) от расстояния петель до концов линейки x.

3.2 Обозначим T0 - периода колебаний линейки без петель (при неизменном радиусе опоры). Теоретически связь между T ( x ) и T0 определяется формулой где L - длина линейки, m - ее масса, m1 - масса одной петли.

Проверьте экспериментально эту зависимость.

Определите отношение масс петли и линейки 1.

Комментарии к условию задачи.

1. Следует подобрать не менее 5 цилиндров различного радиуса, можно использовать трубки, стержни, грузы из калориметрического набора, конденсаторы и т.д. При желании, можно поработать и на токарном станке. Радиусы этих цилиндров должны изменяться от 1 до 7 см.

2. Кусочек тонкого картона необходим, чтобы коэффициенты трения линейки были одинаковы для всех цилиндров. В радиус цилиндра необходимо включать и толщину картона.

3. Петли удобно сделать из куска толстой алюминиевой проволоки, обогнув ее вокруг линейки Если колебательные системы с одной степенью свободы столь разнообразны, то системы с несколькими степенями и различные эффекты в них трудно поддаются даже классификации. Поэтому предлагаем вашему вниманию всего одну задачу на заданную тему.

Задача 36. «Связанные одной нитью…»

Приборы и оборудование: стол, нитки, груз, легкие пластмассовые шарики, линейка, секундомер, карандаш, кнопки.

С помощью ниток подвесьте карандаш горизонтально на расстоянии 1 – 2 см от точек подвеса. К карандашу можно подвязывать маятники различной длины, движение этих маятников окажется взаимозависимым. Рекомендуем использовать, так называемый, бифилярный подвес, обеспечивающий колебания строго в одном направлении. Для измерения амплитуды колебаний расположите на полу, под маятниками измерительную линейку.

Часть 1. Резонанс.

В качестве груза одного маятника используйте тяжелый металлический цилиндр, а второго – легкий пластмассовый шарик. В этом случае можно считать, что движение легкого маятника не влияет на движение тяжелого – его можно рассматривать как источник переменной внешней вынуждающей силы. Длину легкого маятника l оставляйте неизменной (не забудьте ее указать в вашей работе), а длину тяжелого маятника l1 вам предстоит изменять. Для этого удобно наматывать нить карандаш.

Старайтесь поддерживать угловую амплитуду колебаний тяжелого маятника постоянной (при необходимости его можно слегка подталкивать).

1.1 Измерьте зависимость амплитуды установившихся колебаний легкого маятника от длины тяжелого. Постройте график полученной зависимости и дайте ее теоретическое объяснение.

Примечания:

1. Понятно, что наиболее «интересным» является диапазон, в котором длины маятников близки. Однако попытайтесь провести исследования и в области, где частота колебаний тяжелого маятника приблизительно в два раза меньше частоты колебаний легкого.

2. В этих экспериментах также наблюдаются незначительные биения (медленное периодическое изменение амплитуды) легкого маятника, поэтому под амплитудой его колебаний будем понимать его максимальное отклонение от положения равновесия.

Часть 2. «Биения»

Привяжите к нити маятники с одинаковыми шариками. Если длины маятников отличаются незначительно, то наблюдается интересное явление – маятники попеременно начинают увеличивать и уменьшать амплитуду колебаний – это явление называется биениями.

Для его изучения удобно длину одного маятника l 0 оставлять неизменной, а второго - l1 изменять.

Измерьте зависимость периода биений от длины второго маятника l1. Постройте 2. график полученной зависимости.

2.2 Дайте теоретическое объяснение полученных результатов. Установите теоретический вид этой зависимости, проверьте ее применимость в рассматриваемой системе.

4.4 Силы сопротивления.

Сколько раз приходилось встречаться с фразами: «трения нет», «сопротивление воздуха не учитывать», «вязкостью жидкости пренебречь»! Эти условия постоянно оговариваются в условиях теоретических задач – иначе задачи «не решаются». При выполнении экспериментальных заданий нам также часто приходится делать определенные реверансы – «если пренебречь трением, то…», «скорость движения должна быть мала, чтобы не сказывалось сопротивление среды». Почему же эти высказывания встречаются так часто? Просто потому, что избавиться от этих сил невозможно, они присутствуют всегда! Настала пора не просто познакомиться с ними (теоретически уже все знакомы), не просто научиться их исследовать, а начать их досконально изучать. Это не простая наука, как может показаться на первый взгляд. Придуманы даже специальные термины: «трибология» - наука о сухом трении; «реология» - наука о вязкости.

Нельзя сказать, что данная тема блещет оригинальностью. Вспомните традиционные экспериментальные задачи.

Измерить коэффициент трения бруска о наклонную плоскость. Поднимаем доску (или трибометр, для солидности), измеряем угол наклона, при котором начинается скольжение, с трудом рассчитываем тангенс этого угла, который, как говорят, и есть коэффициент трения. Но это коэффициент трения покоя! Нужен коэффициент трения скольжения? Тянем равномерно (а как это сделать?) брусок по доске (или трибометру) и измеряем силу трения! Не в нашем стиле подробно разбирать эти лабораторные работы, мы займемся серьезными, действительно олимпиадными экспериментальными исследованиями!

Сила сухого трения описывается законом Кулона-Амонтона: модуль силы трения скольжения пропорционален модулю силы нормальной реакции только не надо ставить в этой формуле векторы, как это иногда встречается в пособиях для поступающих. Однако этот закон является приближенным, иногда легче указать условия, когда он выполняется, чем перечислить исключения из него. Поэтому исследование этой силы и проверка применимости этого закона остается непреходящей темой экспериментальных заданий. В следующей задаче предлагается исследовать силу, действующую на нить, намотанную на цилиндр. Особенностью данной задачи является тот факт, что сила нормальной реакции явно не видна, да еще и не является постоянной.

Задача 37. «Где нормальная реакция?»

Приборы и оборудование: металлический стержень, нить, три груза массами 100 г, динамометр, штатив.

При скольжении нити, намотанной на стержень, на нее действует сила трения. Действие этой силы проявляется в том, что силы натяжения нити с разных сторон от стержня оказываются различными. В данной задаче вам необходимо исследовать изменение силы натяжения нити при ее скольжении по боковой поверхности цилиндра.

Закрепите стержень горизонтально в штативе. Нить с прикрепленным к ней грузом перебросьте через стержень. Ко второму концу нити прикрепите динамометр. С помощью динамометра вы можете измерять силу натяжения нити. Все измерения проводите при медленном поднятии и опускании груза, при его равномерном движении.

При скольжении нити сила ее натяжения зависит от угла намотки согласно формуле Л.Эйлера 1. Дайте качественное объяснение формулы Л. Эйлера.

2. Измерьте зависимости натяжения нити от угла намотки при подъеме груза. Измерения проведите для трех различных значений масс грузов. Постройте графики полученных зависимостей.

Измерения удобно проводить для углов намотки,,,...

3. Проверьте выполнимость формулы Л.Эйлера в данном случае. Определите значения коэффициента трения для каждой массы груза. Зависит ли коэффициент трения от силы нормальной реакции нити?

4. Измерьте зависимость силы натяжения нити от угла намотки при медленном опускании груза. Измерения проведите для одной массы груза. Выбор этой массы обоснуйте.

Постройте график полученной зависимости. Сравните полученные данные с результатами измерений в п.1.

Комментарии к условию задачи.

1. Для проведения эксперимента следует брать гладкую шелковую, или синтетическую нить и гладкий стержень, чтобы уменьшить коэффициент трения. В этом случае удается провести измерения при большем числе значений угла намотки.

2. Работа оказывается легко выполнимой для тех, кто знаком с логарифмической и обратной к ней показательной функцией.

жгут, набор 6 грузов по 100 г, нитки, пластиковый стержень, кнопки канцелярские, линейка 40 см, горизонтальная поверхность стола.

Соберите установку, показанную на рисунке: закрепите на ребре стола круглый пластиковый стержень, закрепите на столе один конец резинового жгута, к его второму концу привяжите нить, перебросьте ее через пластиковый стержень, на свисающем конце нити сделайте петлю, к которой можно подвешивать грузы.

Теоретическая подсказка:

При скольжении нити по неподвижному стержню из-за наличия трения модули сил натяжения нити по разные стороны от стержня связаны соотношением Где - постоянный коэффициент (очевидно, что < 1 ), зависящий от коэффициента трения нити о стержень. Так как нить можно считать нерастяжимой, то положение груза полностью определяется деформацией резинового жгута x.

Часть 1. «Статика»

1.1 Определите экспериментально, при каких значениях деформации резинового жгута груз может находиться в состоянии покоя для различных масс подвешенных грузов.

1.2 Постройте графики зависимостей максимальной x max и минимальной x min деформации резинового жгута, при которых система может находиться в состоянии покоя, от массы подвешенного груза.

1.3 Укажите, при каких значениях деформации резинового жгута применим закон Гука 1.4 Используя полученные данные, определите значения коэффициента в формуле (1) и значения коэффициента упругости резины k (в области применимости закона Гука).

Часть 2. «Динамика»

Если груз вывести из зоны застоя (обозначим начальную координату x0 ), то он начнет двигаться до остановки в некоторой точке с координатой x1.

2.1 Исследуйте экспериментально зависимости координаты точки остановки груза x от его начальной координаты x0 для грузов массы m1 = 200г и m2 = 300г.

2.2 Постройте графики полученных зависимостей.

2.3 Объясните полученные зависимости, кратко описав характер движения груза.

2.4 Используя полученные данные, найдите определите значения коэффициента в формуле (1) и значения коэффициента упругости резины k (в области применимости закона Гука). Объясните причины возможных различий со значениями, полученными в п.

1.4.

Комментарии к условию задачи.

1. В качестве исследуемого резинового жгута удобно использовать резиновую петлю с официальным названием «резинка банковская для денег», которая используется без денег.

Продается в киосках, в одной коробке 500 штук (стоит копейки) – хватит и на проведение экспериментов и на упаковку денег.

Трение качение не всегда входит в программу курса физики средней школы. Но это не значит, что в школе отсутствует эта сила. Кроме того, эта область науки не является секретной, поэтому рассмотрим задачу, в которой изучение силы трения осуществляется посредством изучения колебаний.

Оборудование: цилиндр металлический, линейка деревянная, секундомер, пластилин, спица вязальная.

С помощью пластилина прикрепите к боковой грани цилиндра деревянную палочку. Расположите цилиндр с закрепленной палочкой на линейке расположенной на краю стола. При этом цилиндр должен двигаться, вращаясь по линейке.

Часть 1. Период колебаний.

Если центр тяжести палочки расположен ниже точки крепления, то цилиндр совершает колебательное движение. В данной части работы колебания должны быть малыми.

1.1 Измерьте зависимость периода колебаний цилиндра от расстояния от оси цилиндра до центра масс палочки. Постройте график полученной зависимости.

1.2 Покажите (теоретически), что данная зависимость имеет степенной вид 1.3 Проверьте выполнимость данной формулы на основании ваших экспериментальных данных. Определите показатель степени.

Часть 2. Затухание колебаний.

Колебания цилиндра являются затухающими из-за наличия трения качения. Сила трения качения описывается формулой где N - сила нормальной реакции, R - радиус цилиндра, k - коэффициент трения качения, имеющий размерность длины. При изучении затухания рекомендуется исследовать колебания с большой амплитудой.

2.1 Измерьте зависимости отклонения от положения равновесия оси цилиндра (в точках остановки) от числа совершенных колебаний при двух положениях палочки.

2.2 Постройте графики зависимости энергии цилиндра (подсказка – в точках остановки) от пройденного пути. Рассчитайте по этим данным коэффициент трения качения цилиндра.

Комментарии к условию задачи.

1. В данной задаче вязальную можно заменить на любой тонкий стержень (кусок жесткой проволоки, деревянную палочку и т.д.).

2. Основная сложность в выполнении данной задачи – тщательная установка линейки. Она должна быть расположена горизонтально, цилиндр должен кататься по ней устойчиво и с небольшим затуханием.

В следующей задаче экспериментальное изучение затухания колебаний используется для исследования зависимости силы сопротивления от скорости движущегося тела.

Оборудование: штатив с кольцевым держателем, шарик пластмассовый (шарик металлический), нитки, линейка, бумага миллиметровая, спички.

При движении тела в воздухе на него действует сила сопротивления воздуха, которая зависит от скорости движения тела. Вам необходимо исследовать силу сопротивления воздуха, действующую на маятник, представляющий собой шарик, подвешенный на длинной нити. При отклонении на угол меньший 30° колебания маятника можно считать малыми. Для измерения углов отклонения нити удобно использовать полоску миллиметровой бумаги, прикрепленную к торцу стола.

1. Если сила сопротивления воздуха пропорциональна скорости (F = 1v ), то амплитуда колебаний маятника Ak после k полных колебаний убывает в геометрической прогрессии где A0 - начальное отклонение маятника.

Если же сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости F = 2 v 2, то отклонение от положения равновесия Ak после k полных колебаний убывает по гиперболическому закону Определите экспериментально, какой закон (1) или (2) точнее описывает затухание маятника. Определите параметр для маятника длиной l 1 2 м.

Комментарии к условию задачи.

1. Как и многие рассмотренные ранее задачи допускают неоднозначное решение: в зависимости от длины нити, массы шарика результат может быть различным – в одних случаях ближе к формуле (1), в других к формуле (2). Поэтому данную задачу можно использовать как тему для экспериментальных исследований.

2. Для повышения точности измерений можно измерять углы отклонения маятника по тени, отбрасываемой нитью.

В заключения данного раздела своеобразный гибрид, трибореологическая задача, в которой необходимо учесть как силу сухого трения, так и силу сопротивления воздуха.

Задача 41. «Скольжение диска»

Приборы и оборудование: штатив с лапкой или кольцом, нитки, миллиметровая бумага, линейка с миллиметровыми делениями, скотч, компакт-диск (CD) с гладкой поверхностью, груз цилиндрический массой M = 100 г из стандартного набора.

В данной задаче Вам предстоит исследовать силу сопротивления, действующую на компакт-диск при его движении по миллиметровой бумаге.

При движении со скоростью v между CD массой m и бумагой действует как сила трения скольжения Fскольж = µ mg, так и сила вязкого трения в воздушной прослойке между диском и бумагой Fвязк = v. Если диску сообщить начальную скорость v0, то путь, пройденный до остановки, описывается формулой которая упрощается при 1. Используя доступное оборудование, определите массу компакт-диска m.

2. Тело массой M, движущееся со скоростью V врезается в неподвижное тело массой m. Удар центральный и абсолютно упругий. Покажите, что скорость, с которой начнет двигаться тело m, пропорциональна V : v0 = V. Определите коэффициент пропорциональности для груза, врезающегося в компакт-диск.

3. Закрепите груз на нити максимально возможной длины, прикрепленной к лапке, так, чтобы положение равновесия груза находилось прямо у края стола. Прикрепите лист миллиметровой бумаги к столу. Закрепите деревянную линейку с нижней стороны парты при помощи скотча. Положите компакт-диск на стол и сместите его на 10мм от края. Отклоняя груз на разные расстояния из положения равновесия по линейке, заставляйте его врезаться в компакт-диск, сообщая тем самым диску начальную скорость. Следите за тем, чтобы удар был центральным.

Измерьте зависимость пути s, проходимого диском по бумаге, от начального отклонения груза X. Постройте график этой зависимости. Измерения начинайте с таких значений отклонения груза, при которых компакт-диск проходит по бумаге не менее 10 мм.

Постройте график зависимости пути, проходимого диском по бумаге от его начальной скорости.

Определите коэффициент трения скольжения µ и коэффициент вязкого трения.

4.5 Силы упругости.

Экспериментальная проверка закона Гука открывает богатое поле для исследований, что обусловлено целым рядом причин: во-первых, этот закон прост; вовторых, существует несколько видов деформаций; в-третьих, можно исследовать упругие свойства различных материалов; в-четвертых, далеко не всегда деформации пропорциональны приложенной нагрузке.

Закон Гука в простейшей «школьной» формулировке записывается в виде В такой форме он хорошо выполняется для пружинок. Но и в этом простейшем случае можно придумать интересную задачу, особенно, если пружинку спрятать.

Широко известны задачи типа «черный ящик». В данном случае «черным ящиком» является белый бумажный цилиндр, внутри которого находится пружина, часть витков которой обвязана нитяной петлей.

Приборы и оборудование: Белый цилиндр, линейка 40 см с отверстиями и со стрелкой, линейка, нитки, груз массой 100 г, кнопки канцелярские.

Очевидная установка показана на схеме и собрана на торце вашего стола. Изменяя положение точки подвеса груза ( x - расстояние от точки крепления линейки до точки подвеса груза) можно изменять силу, действующую на пружину.

1. Измерьте зависимость деформации пружины от действующей на нее силы. Постройте график полученной зависимости. Качественно ее объясните.

2. Определите коэффициент жесткости пружины. Оцените погрешность полученного значения.

3. Определите, какая часть витков пружины обмотана петлей.

Комментарии к условию задачи.

1. Основная сложность подготовки оборудования – подбор пружинки необходимой жесткости. Нами использовались пружинки из старой клавиатуры.

2. Конечно, данную установку можно собрать и на штативе, но не у всех они сохранились, поэтому и предлагаем ее крепить на торце стола.

оборудования, как, например, в следующей задаче.

Задача 43. «Одна резинка, один грузик»

Оборудование: резиновый жгут, штатив с двумя лапками, линейка ученическая, груз массой m = 100 г.

Задание 1. Исследуйте зависимость силы упругости резинового жгута от его деформации.

Задание 2. Проверьте, выполняется ли при этом закон Гука.

Определите коэффициент жесткости резинового жгута при малых деформациях.

Комментарии к условию задачи.

1. Эта задача предлагалась на республиканской олимпиаде еще в прошлом веке (в году), тогда штативы еще не были «в дефиците». Сейчас можно рекомендовать монтировать установку на торце стола с помощью канцелярских кнопок.

2. Резинка должна быть достаточно жесткой (полоска резинового бинта шириной порядка 3 см) – в противном случае исследуемая зависимость может оказать нелинейной.

Закон Гука является приближенным, выполняющимся при малых деформациях.

Ответ на вопрос, что же такое малые деформации, требует отдельного исследования в каждом конкретном случае. Примером такого исследования является следующая задача.

Приборы и оборудование: Штатив с лапкой, набор грузов 6 100 г, две полиэтиленовых полоски, линейка, нитки.

1. Исследуете зависимость деформации растяжения полиэтиленовых полосок от нагрузки при ее увеличении и затем при ее уменьшении (режим «нагрузка-разгрузка»). Объясните полученные зависимости.

2. Определите, какая энергия, и какая доля упругой деформации перешла во внутреннюю.

Комментарии к условию задачи.

1. Полиэтиленовые полоски можно вырезать любого продовольственного пакета, ширина узкой полоски должна быть порядка 5 мм, широкой около 10 мм. Отметим, что полоски должны быть «одноразовыми» - для каждого следующего эксперимента следует брать новые, не деформированные, так в данном эксперименте остаточные деформации велики, фактически именно изучение таких деформаций и составляет цель данной работы.

Невыполнение закона Гука может приводить и к неожиданным последствиям.

Хорошо известны задачи (в том числе и экспериментальные) на использование формулы для периода колебаний пружинного маятника. Если заменить пружину на резиновый жгут, то, на первый взгляд, ничего принципиально не изменится. А если попробовать?

Задача 45. «Резиновый маятник»

Оборудование. Штатив с муфтой и лапкой, резиновый жгут шириной 6 мм, резиновый жгут шириной 3 мм, набор грузов по 100 г лабораторный, секундомер, линейка ученическая, миллиметровая бумага.

При деформации резины, в ней возникает сила упругости. Следовательно, если к резиновому жгуту подвесить груз и заставить его совершать вертикальные колебания, то это будут колебания маятника. Назовем такую систему резиновым маятником.

Часть 1. Колебания.

1.1 Измерьте зависимость периода колебаний грузов, подвешенных на резиновом жгуте, от их массы. Проверьте выполнимость формулы для периода колебаний Определите коэффициент жесткости толстого резинового жгута.

1.2 Для узкого жгута формула (1) не подтверждается. Объясните возможные причины отклонений экспериментальных результатов от рассчитанных по этой формуле.

Если колебания являются малыми, то формулу (1) можно использовать, если в качестве жесткости использовать величину равную (так называемый дифференциальный коэффициент жесткости) вычисленную в положении равновесия подвешенного груза.

1.3 Используя полученные экспериментальные данные постройте графики зависимости дифференциальной жесткости от массы подвешенного груза для обеих полосок.

Подсказка. Так колебания грузов на резиновом подвесе быстро затухают, то точные измерения периодов колебаний затруднительны. Советуем вам проводить измерения периодов вынужденных колебаний. Для этого маятник следует держать в руке и регулярно его «подкачивать» в так с его колебаниями.

Часть 2. Деформации.

2.1 Измерьте зависимости деформации резиновых полосок от приложенной нагрузки.

Постройте графики полученных зависимостей.

2.2 на основании полученных в данной части результатов, постройте графики зависимости дифференциальной жесткости обеих полосок от приложенной нагрузки. Сравните эти данные с данными пункта 1.3.

В обыденном сознании упругость чаще всего ассоциируется именно с резиной. Мы убедились, что свойства резины достаточно сложны. Оказывается, что некоторые «неупругие» материалы с большим основанием могут быть отнесены к «упругим».

Например, древесина!

Оборудование. Линейка деревянная ученическая (40 см), набор грузов лабораторный 6 штук по 100 г, устройство для крепления линейки, линейка для измерения стрелы прогиба, нитки.

В данной работе необходимо исследовать деформацию изгиба деревянной линейки, жестко закрепленной с одного конца (в сопромате такой элемент называется консольной балкой2). В качестве величины деформации рассматривается стрела прогиба, которая зависит от материала линейки, ее размеров и момента внешних приложенных сил.

1. Исследуйте зависимость величины прогиба от массы подвешенного на свободный конец линейки груза. Длину свободной части линейки сохраняйте неизменной.

Установите вид этой зависимости, определите ее параметры.

2. Исследуйте зависимость величины прогиба от длины свободной части линейки L, при постоянной массе подвешенного груза. Можно показать, что данная зависимость имеет степенной вид На основании полученных экспериментальных данных определите показатель степени n в данной формуле.

3. Если груз вывести из положения равновесия, то он начнет совершать колебания в вертикальном направлении. Исследуйте зависимость периода этих колебаний от массы подвешенного груза (при неизменной длине свободной части L ).

4. Получите (теоретически) формулу для периода вертикальных колебаний. Проверьте ее соответствие полученным экспериментальным данным.

5. Согласуются ли между собой экспериментальные данные, полученные в пунктах 1 и 2?

Более подробно деформация изгиба будет рассмотрена в следующей задаче.

Комментарии к условию задачи.

1. Удобно крепить линейку к краю стола с помощью струбцины.

2. Первые два пункта задачи выполняются просто и быстро, поэтому эта часть работы может быть рекомендована не только вундеркиндам.

В заключение данного раздела задача с наиболее полными экспериментальными данными и комментарии – может быть, наконец-то станет понятно, о чем здесь шла речь.

Задача 47. «Как надо прогибаться»

Оборудование: Штатив с лапкой, линейка ученическая, два груза (малый – 5 г, большой -20 г), нитки, скотч, стержень для шариковой ручки, палочка деревянная для шашлыка.

Соберите установку, как показано на снимке.

Вставьте палочку в стержень, который закрепите горизонтально в штативе. С помощью скотча закрепите вертикально линейку. Конец палочки должен находиться вблизи линейки.

Внимание! Чтобы исключить влияние остаточной деформации стержня, перед каждым измерением разогните его до начального положения.

Теоретическое введение.

Обозначим длину стержня l, расстояние между точкой крепления стержня и линейкой L (то расстояние примерно равно сумарной длине стержня со вставленной в него палочкой). При малых деформациях профиль изогнутой части стержня можно считать дугой окружности (радиус которой обозначим R ). Изгиб стержня характеризуется углом незакрепленный конец стержня). Очевидно, что это угол также равен угловому размеру дуги, форму которой принимает стержень. Величина отклонения конца стержня от своего начального положения называется стрелкой прогиба. Так как эта величина в данном эксперименте не велика и трудно поддается точному измерению, то в работе измеряется отклонение конца палочки z, прикрепленной к стержню, которое легко измеряется с помощью вертикально закрепленной линейки.

Из теории упругих деформаций известно, что угол изгиба участка стержня длиной x где M 0 - момент внешних сил (рассчитываетмый относительно точки крепления стержня), приложенных к изгибаемому учатку стержня.

В данной работе вам необходимо исследовать деформации стержня в зависимости от приложенных к нему сил. Для этого вам необходимо подвешивать к стержню или палочке различные грузы (к стержню большой, к палочке - малый). Положение точки подвеса задается с помощью расстояния x, отсчитываемого от точки крепления стержня.

Часть 1. Малый груз.

Расположите стержень со вставленной палочкой горизонтально. С помощью нити подвесьте малый груз к деревянной палочке.

1.1 Получите теоретическую зависимость величины отклонения конца стержня от расстояния до точки крепления груза z ( x ).

1.2 Измерьте зависимость величины отклонения конца стержня от расстояния до точки крепления груза z ( x ). Постройте график полученной зависимости. Сравните полученную экспериментальную зависимость с вашими теоретическими предсказаниями. Укажите возможные причины расхождений.

Часть 2. Большой груз.

С помощью нити прикрепите большой груз к стержню.

2.1 Измерьте зависимость величины смещения конца палочки от положения точки крепления груза к стержню z ( x ). Постройте график полученной зависимости.

2.2 Используя полученные данные постройте график зависимости величины стрелки прогиба стержня в точке крепления нити от длины деформируемой части стержня ( x ).