Методична розробка (10 клас, I курс коледжу). Фізичний практикум – «Дослідження пружності удару двох тіл»

Методична розробка (10 клас, I курс коледжу). Фізичний практикум – «Дослідження пружності удару двох тіл»

   Мета роботи: перевірка виконання закону збереження імпульсу під час пружного удару.

      Зазвичай, для такого досліду в кабінетах фізики  використовують штатив з лапкою і металевий жолоб, який внизу перегинають щоб отримати горизонтальний відрізок, проте для виконання досліду в домашніх умовах простіше зробити пристрій з використанням водопровідної поліетиленової труби, довжиною 1 м (можливо взяти трубу і на 50 – 80 см). Конструкція пристрою показана на фото 1. Зробити такий пристрій зовсім не складно за 20 – 30 хвилин.

  В принципі, конструкцію можливо зробити простішою – використати тільки рамку, або прямокутний трикутник з дерев’яних рейок.

  Пристрій має вверху два металевих гачка і його можливо «навішувати» на металеву сітку на необхідній висоті, як це показано на фото 1.

            Можливий і інший варіант – закріпити пристрій в лещатах, прикручених  

       до табуретки, як це показано на фото 2.

  Зазвичай, для цього фізичного практикума в підручниках фізики рекомендують використовувати дві металеві кульки з різною масою.

Фізичний практикум проводимо в два етапи - спочатку проводимо п’ять дослідів на певній висоті з кулькою більшої маси (I етап) і проводимо експеримент, як було описано в: Методична розробка (10 клас, I курс коледжу). Фізичний практикум – «Визначення руху тіла кинутого горизонтально» - це необхідно для визначення початкової швидкості кульки Vo та  імпульсу  кульки P₁    для кульки з більшою масою, а  на другому етапі проводиться експеримент з двома кульками.

   Прилади та матеріали: фанера товщиною 3…4 мм (по довжині довша розміру аркуша А4 на 4-5 см), смужка фанери такої ж товщини, рулетка, металева кулька масою 14 г, металева кулька масою 3 г, папір білий (А4) 1 шт., копіювальний папір, пристрій для пускання кульки, висок, скотч, ножиці, кулькова ручка, лещата, табуретка, посудний піднос, пісок просіяний 1 кг.

  Набір необхідних матеріалів показано на фото 3 – на табуретці, і на полу (окрім посудного підносу з піском).

1. Для проведення досліду першого етапу встановлюємо пристрій, закріпивши в лещатах, як це показано на фото 2, фото 3.

                       Фото 3                                             

2. Щоб не псувати підлогу (стіл) від удару кульки, застелимо тканиною підлогу (стіл) - опускаємо кульку в трубку і фіксуємо орієнтовно місце падіння кульки.

3. Прикріплюємо аркуш паперу до фанери за допомогою скотчу і кладемо зверху аркушу копіювальний папір - копіювальним шаром до білого паперу.

4. Внизу, на підлозі під пристроєм ставимо смужку фанери (використавши  висок - на смужці фанери ручкою ставимо мітку для відліку дальності польоту кульки), а далі в місці,  де вірогідно впаде кулька при цій висоті кінця «трубки-жолоба» ставимо листок фанери з прикріпленим папером і копіювальним папером зверху.

5. Опускаємо кульку в «трубу-жолоб» по якій вона  скочується  і далі  летить по траєкторії параболи з зниженням і падає на копіювальний папір – на білому папері залишається мітка від удару кульки.

6. Повторюємо дослід п’ять разів  і вимірюємо дальність польоту кульки для п’яти дослідів - по горизонталі, не змінюючи висоту від поверхні  смужки фанери  до нижнього кінця «труби-жолоба».  Визначаємо середнє значення дальності польоту кульки по горизонталі при даній висоті від поверхні смужки фанери до нижнього кінця «труби-жолоба», вимірявши дальності польоту для всіх п’яти дослідів  (див. рис. 1).

де: V₀ – початкова швидкість кульки

        g – прискорення вільного падіння 9,8 м/c²

        H – висота при вильоті кульки

        L – дальність польоту кульки

8. Обчислюємо значення імпульсу кульки по формулі:

P₁ = m₁ × V_o

           Приклад проведення досліду - I етап (фото 3):

    H₁ = 0,53 м, L_1сер. = 0,5514 м. V_{01 розрах}. = 1,676 м/с

Розрахунок L_1сер для першого варіанту:

   L_1сер. = (L₁ + L₂ + L₃ + L₄ + L₅)/5 = (545 мм + 557 мм + 555 мм + 545 мм +   

               555 мм)/5 = 551,4 мм

Обчислемо середню абсолютну похибку для I варіанту:

Δ_ILсер. = (Δ_L1 +Δ _L2 + Δ_L3 + Δ_L4 + Δ_L5)/5 =   (IL_1сер.  – L₁I + IL_1сер.  – L₂I +  IL_1сер. – L₃ I + IL_1сер. – L₄I +  IL_1сер.  – L₅I)/5 = (I551,4   – 545I + I551,4  – 557I +  I551,4  – 555I + I551,4 – 545I +  I551,4  – 555I/5 = 5,12 мм.

ΔH = 1 мм, Δg = 0,02 м/с² при g = 9,8 м/с²

Обчислемо відносну похибку вимірювання швидкості за формулою:

         Ԑ_VoI = Ԑ_Lсер.I + 1/2Ԑ_g + 1/2Ԑ_H = Δ_ILсер./L_сер. + ½(Δg/g) + ½(ΔH/H) =

       = 0,00512/0,551,4 + ½(0,02/9,8) + ½(0,001/0,53) = 0,009285 + 0,0010204  

           + 0,0009433 = 0,0112487

    Обчислемо середню абсолютну похибку для початкової швидкості для I варіанту: ΔV_оI = V_{о1розрах.}× Ԑ _Vо = 1,676 × 0,0112487 = 0,0188528

V_оI = V_{о розрах.} ± ΔV_о1 = (1,676 ± 0,0188528) м/с

Обчислюємо значення імпульсу: P₁ = 0,014 × 1,676 = 0,0234 кг м /с

      Проведення досліду – II етап (фото 3)

1. Для проведення досліду встановлюємо пристрій, закріпивши в лещатах, як це показано на фото 2, фото 3.

2. Кульку з меншою масою ставимо всередину «трубки-жолоба», скраю.

3. Щоб не псувати підлогу (стіл) від удару кульок, застелимо тканиною підлогу (стіл) - опускаємо кульку з більшою масою в трубку і фіксуємо орієнтовно місце падіння кульок.

3. Прикріплюємо аркуш паперу до фанери за допомогою скотчу і кладемо зверху аркушу копіювальний папір - копіювальним шаром до білого паперу – для фіксації місця падіння кульки з більшою масою.

4. Далі від фанери встановлюємо посудний підніс з шаром піску – для фіксації падіння кульки з меншою масою.

5. Внизу, на підлозі під пристроєм ставимо смужку фанери (використавши  висок - на смужці фанери ручкою ставимо мітку для відліку дальності польоту кульок), а далі в місці,  де вірогідно впадуть кульки при цій висоті кінця «трубки-жолоба» ставимо листок фанери з прикріпленим папером і копіювальним папером зверху і підніс з піском.

6. Опускаємо кульку з більшою масою в «трубу-жолоб» по якій вона  скочується  і далі вдаряє по кульці з меншою масою і обидві кульки  летять по траєкторіях параболи з зниженням і падають: на копіювальний папір – кулька з більшою масою і в пісок – кулька з меншою масою. На білому папері залишається мітки від удару кульки з більшою масою, а кулька з малою масою залишається в піску. Як показує практика, таке «розділення» покращує точність фіксації місця падіння кульок – кулька з масою 3 г дає незначну мітку, якщо використовувати копіювальний папір.

7 Вимірюємо висоту від смужки фанери до краю «труби-жолоба». Визначаємо середнє значення дальності польоту кульок по горизонталі при даній висоті від поверхні смужки фанери до нижнього кінця «труби-жолоба», вимірюємо дальності польоту  для обох кульок  (див. рис. 2).

7. Проводимо обчислення сумарного значення імпульсу кульок по формулах:

     Приклад проведення досліду – II етап

   При висоті 0,53 м від смужки фанери до краю «труби-жолоба» - отримано дальність польоту кульки з масою  0, 014 кг становить 0,39 м, а дальність польоту кульки з масою  0, 003 кГ становить 0,6 м.

Проводимо обчислення:

Відношення P₁/ (P_1імп. + P_2імп) приблизно дорівнюють 1, тобто закон збереження імпульсу справджується.

  Якщо відношення P₁/ (P_1імп. + P_2імп) буде значно відрізнятися від 1, то експеримент в II етапі необхідно повторити.

    Лабораторний практикум учнями (студентами) слід проводити при інших значеннях H і результативних значеннях L_сер, а  початкова швидкість розрахована по формулі повинна бути така ж як в приведеному вище прикладі, якщо виконувати лабораторний практикум на цьому ж пристрої.    

   Початкова швидкість кульки залежить від конструкції пристрою, тобто залежить від довжини «трубки-жолоба» – від шляху скочування кульки.

   В принципі водопровідну трубу можливо поставити і похило, а не вертикально, але при цьому габарити пристрою будуть значно більшими.

Варіанти отримання міток для першого етапу показані на фото 4 – при L₁ = 545 мм, L₂ = 557 мм, L₃ = 555 мм, L₄ = 545 мм, L₅ = 555 мм, L_сер. = 551,4 мм. Копіювальний папір забирається після п’яти дослідів – позначки L – умовні.

     В принципі, пристрій можливо в домашніх умовах не зачіплювати на

решітку (проте на решітці легко змінювати висоту H),  а закріпити в лещатах на певній висоті, як це показано на фото 2, фото 3.   

    Важливо щоб у всіх дослідах пристрій був у нерухомому стані, при цьому кулька буде «приземлятись» - «кучно» при повторенні дослідів. Як видно на фото 4 кулька два рази майже попала в одне й те саме місце (L2, L3).

   Внутрішній діаметр труби 24 мм, а діаметр металевої кульки 16 мм, в зв’язку з чим горизонтальну частину труби бажано трохи стиснути, щоб вона мала вихідний отвір у вигляді вертикального еліпса – це покращить «кучність» при проведенні дослідів.

   Приклад міток при «приземленні» кульок на    

                 Фото 4                    I етапі досліду показано на фото 4.

   При повторенні виготовлення пристрою початкова швидкість може бути іншою, проте при різних значеннях H, при дослідах вона має бути сталою величиною для виготовленого пристрою, якщо початкове місце руху кульки однакове у всіх дослідах.

  Виконати фізичний практикум: – «Дослідження пружності удару двох тіл» в домашніх умовах цілком реально за 10…15 хвилин.

Література:

1. Автор:    Автор: Бабин Дмитро Святославович, Інтернет,

https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/10-клас-i-курс-коледжу-фізичний-практикум-дослідження-пружного-удару-двох-тіл/

   Автор: Бабин Дмитро Святославович

ЗНОДПАПідручники ПосібникиОсобистості