Методична розробка (10 клас, I курс коледжу). Фізичний практикум – «Визначення руху тіла кинутого горизонтально»

Методична розробка (10 клас, I курс коледжу). Фізичний практикум – «Визначення руху тіла кинутого горизонтально»    Мета роботи: досліджувати залежність дальності польоту тіла, кинутого горизонтально, від висоти, з якої воно почало рух. Якщо тіло кинути з деякою висоти горизонтально, його рух можна розглядати, як рух по інерції по горизонталі і рівноприскорений рух по вертикалі. По горизонталі тіло рухається за інерцією відповідно до першого закону Ньютона, оскільки, крім сили опору з боку повітря, яку не враховують, у цьому напрямку на нього жодні інші сили не діють. Силою опору повітря можна знехтувати. По вертикалі на тіло діє сила тяжіння, яка надає йому прискорення g - прискорення вільного падіння. Розглядаючи переміщення тіла за таких умов як результат двох незалежних рухів по горизонталі та вертикалі, можна встановити залежність дальності польоту тіла від висоти, з якої його кидають. За формулою, з курсу фізики, можливо визначити початкову швидкості тіла, кинутого горизонтально V_o. 

      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.

                             Фото 1                                          Фото 2

 Можливий і інший варіант – закріпити пристрій в лещатах, прикручених до табуретки, як це показано на фото 2. В даному варіанті для зміни висоти горизонтальної частини «трубки-жолоба», відносно полу, необхідно взяти нижчу табуретку, або наявну табуретку перевернути, як це показано на фото 4.

  Зазвичай, для цього лабораторного практикума в підручниках фізики рекомендують певні висоти: 3 см, 12 см, 27 см, 48 см, проте немає необхідності дотримуватись саме таких висот при виконанні дослідів – можливо взяти любі висоти горизонтальної частини «трубки-жолоба», відносно полу, що спрощує виконання лабораторного практикума в домашніх умовах. Як показує практика, досить двох варіантів – по п’ять дослідів в кожному.

   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, папір білий (А4) 2 шт., копіювальний папір, пристрій для пускання кульки, висок, скотч, ножиці, кулькова ручка, лещата, табуретка.    Набір необхідних матеріалів показано на фото 3 – на табуретці, і на полу.

1.Для проведення досліду встановлюємо пристрій,  зачепивши пристрій на сітку на певній висоті, як це показано на фото 1, або закріпивши в лещатах, як це показано на фото 2, фото 3, фото 4. 

                       Фото 3                                                Фото 4

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).

7. Обчислюємо значення початкової швидкості кульки при заданій висоті і середньому значенню дальності польоту по формулі:  де: V₀ – початкова швидкість кульки

        g – прискорення вільного падіння 9,8 м/c²

        H – висота при вильоті кульки

        L – дальність польоту кульки

           Приклад проведення досліду по I варіанту (фото 3): 

    H₁ = 0,53 м, L_1сер. = 0,5514 м. V0_{1 розрах}. = 1,676 м/с Розрахунок L1_сер 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:

ΔIL_сер. = (ΔL1 +Δ L2 + ΔL3 + ΔL4 + ΔL5)/5 =   (IL1_сер.  – L1I + IL1_сер.  – L2I +  IL1_сер. – 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

8. Змінюємо висоту від поверхні полу до нижнього кінця «труби-жолоба» і знову проводимо п’ять дослідів – вимірюємо дальність польоту кульки при цій висоті і обчислюємо початкову швидкість кульки по даним другого варіанту, тобто повторюємо пункти 2), 3), 4), 5), 6), 7) при новому значенні висоти H.

              Приклад проведення досліду по II варіанту (фото 4):  H₂ = 0,36 м, L_2сер. = 0,4556 м. V0_{2 розрах}. = 1,68 м/с

 L_IIсер. = (L₁ + L₂ + L₃ + L₄ + L₅)/5 = (454 мм + 458 мм + 455 мм + 456 мм +                    455 мм)/5 = 455,6 мм

ΔL_сер. = (ΔL1 +Δ L2 + ΔL3 + ΔL4 + ΔL5)/5 =   (IL1_сер.  – L1I + IL1_сер.  – L2I +  IL1_сер. – L3 I + IL_1сер. – L₄I +  IL_1сер.  – L₅I)/5 = (I455,6   – 454I + I455,6  – 458I +  I455,6  – 455 I + I455,6  – 456I +  I455,6 – 455I/5 = 1,12 мм.

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

Обчислемо відносну похибку вимірювання швидкості за формулою:

         ԐIIVo = ԐIIL_сер. + 1/2Ԑg + 1/2ԐH = ΔL_сер./LII_сер. + ½(Δg/g) + ½(ΔH/H) =

       = 0,00112/0,4556 + ½(0,02/9,8) + ½(0,001/0,53) = 0,0024582 +

0,0010204    + 0,0009433 = 0,0044219

    Обчислемо середню абсолютну похибку для початкової швидкості для

II варіанту: ΔV_IIо = V_о2× Ԑ _Vо2 = 1,68 × 0,0044219 = 0,0074297 V_оII = V_{о розрах.} ± ΔV_о1 = (1,68 ± 0,007) м/с

    Початкова швидкість V_o для обох варіантів повинна бути однаковою, незалежно від висоти H. 

Розбіжність величин початкової швидкості обох варіантів незначна

– досліди проведені вдало.

  Вдале виконання дослідів можливо також перевірити по рівності  відношень висот під квадратним коренем і відношення дальності польоту кульки по формулах:

Підставивши значення H₁ і  H₂ знаходимо К1 = 1,213  Підставивши значення L1_сер. і  L2_сер. знаходимо К2 = 1,21

Розбіжність величин К1 і К2 незначна – досліди проведені вдало.

    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 варіанту показані на фото 5 – 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 і фото 4.    

    Важливо щоб у всіх дослідах пристрій був у нерухомому стані, при цьому кулька буде «приземлятись» - «кучно» при повторенні дослідів. Як видно на фото 5 кулька два рази майже попала в одне й те саме місце.

   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 по I варіанті показано на  фото 5. 

   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: «Визначення руху тіла кинутого горизонтально» в домашніх умовах цілком реально.

Література: 

   1. Автор: Бабин Дмитро Святославович, Інтернет

https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/10-клас-i-курс-фізичнийпрактикум-визначення-руху-тіла-кинутого-горизонтально/    

Автор: Бабин Дмитро Святославович

ЗНО

ДПА

Підручники

Посібники

Особистості