Физические эксперименты с маятником
Насекин Кирилл Германович
Северо-Енисейская СШ №1
9 класс
Руководитель: Маюров Сергей Георгиевич
Цель работы:
- Изучение физических явлений с помощью математического маятника
Задачи:
- Изучить факты применения математических маятников в физических опытах;
- Изготовить оборудование для опытов с математическим маятником;
- Провести эксперименты по обнаружению:
а) вращения Земли;
б) гравитационного взаимодействия массивных тел;
- Определить ускорение свободного падения;
смоделировать увеличение ускорения свободного падения.
Актуальность
- В школьных лабораториях эксперименты можно проводить виртуально, используя компьютерные программы;
- Есть физические эксперименты, требующие специального оборудования и условий, которые трудно проделать в школьном кабинете (опыт Фуко, гравитационное взаимодействие, точное определение ускорения свободного падения);
- Проведение данных экспериментов дает представление о сложности научных исследований (нужно учитывать большое количество побочных эффектов, которые могут повлиять на результаты).
- Объект исследования : физический эксперимент в механике
- Предмет исследования: физические явления в опытах с маятником.
Модель маятника Фуко
- Модель опыта Фуко можно продемонстрировать с помощью небольшой установки, которая может показать вращение Земли.
Доказательство вращения Земли
- Цель эксперимента №1: обнаружение факта вращения Земли. Так как Земля вращается против часовой стрелки, если смотреть на северный полюс, то можно ожидать отклонения колеблющегося маятника вправо. При отклонении он должен удариться о стену.
Результаты эксперимента №1
№ опыта
n
1
А, мм
20
2
t 1 , с
250
3
20
t 2 , с
133,03
20
250
192,94
Число колебаний до удара
133,03
250
67
T
133,05
212,16
6,6515
T средний
32
198,02
6,65
6,6515
29
6,6525
n – число колебаний;
А – амплитуда колебаний;
t 1 – время 20 колебаний;
t 2 – время колебаний до удара;
Т – период колебаний.
Проведение опыта
Видеоотчет:
- Начало опыта
- Середина опыта
- Конец опыта
Эксперимент №2: Определение ускорения свободного падения
- Цель: Определение ускорения свободного падения в Северо-Енисейском с помощью маятника.
№
n
1
А
2
20
t , с
3
150
20
4
t ср , с
20
133,76
150
5
l , м
132,94
133,29
150
20
l ср , м
150
133,17
20
11,0815
133,46
g ср , м/с 2
11,0845
11,0857
150
11,0855
9,84384
133,12
Табл .
9 ,80665
11,0895
11,0875
Повторение эксперимента №2
№
n
1
20
2
А
t , с
3
100
20
20
117,99
4
100
t ср , с
20
117,98
118,06
5
l , м
100
117,87
8,694
20
l ср , м
100
100
117,9
8,694
8,693
g ср , м/с 2
8,692
9,8537
118,1
8,696
Табл.
9 ,8066
8,695
Обнаружение гравитационного взаимодействия между телами
- Изучая в 9 классе, школьный курс физики, ученикам встречается одна замечательная тема: «Всемирное тяготение. Исаак Ньютон». В этой теме говорится о том, что между всеми телами во Вселенной есть притяжение. Люди привыкли к тому, что со стороны Земли на них действует сила гравитации, в соответствии с законом всемирного тяготения.
Ожидаемые эффекты
- Из-за гравитационного взаимодействия свинцовых шаров, малый шар на подвесе должен притянуться к большому.
движения шара
- Так как заметить движение шара m 2 визуально очень трудно, то к этому шару было приклеено зеркало, для наглядного получения информации о движении шара. При малейшем повороте зеркала отраженный луч лазера перемещается по плоскости экрана.
Результат:
- Шары были оставлены на 30 минут. Когда время прошло, малый шар был неподвижен. После того, как был убран шар m 1 , шар m 2 пришел в горизонтальное движение с амплитудой 5 мм. Это движение свидетельствует о том, что между шарами действовала сила.
Увеличение ускорения свободного падения
- Для того, чтобы по результатам опыта с математическим маятником получить значение g больше табличного значения, под маятником из железа нужно расположить магнит с большой магнитной силой.
Результаты опыта:
Расчет коэффициента g (без магнита):
№
1
А, мм
2
50
n
50
t ср, с
10
3
50
l , м
20,306
10
4
g , м/с 2
1,02
10
50
5
9,7563
10
50
10
Расчет коэффициента g (с магнитом):
№
1
А, мм
2
50
n
50
t ср, с
10
3
4
l , м
19,686
10
50
1,02
5
g , м/с 2
10
50
10,3805
10
50
10
Побочные эффекты:
- Во время проведения экспериментов возникали колебания проволоки, похожие на вибрацию струны. Требовалось некоторое количество времени, чтобы колебания проволоки затухли. Ускорить затухания можно было, взявшись за проволоку на первом или втором этажах;
- Малейшие потоки воздуха также влияли на результат и срывали опыт. При ветреной погоде на улице воздух шел через дверь, находящуюся возле лестничного проема и подвешенная пластина совершала колебания. Эксперимент не удался;
- Шаги людей или даже одного человека приводили проволоку в движение, что влияло на частоту эксперимента. Необходимо ходить осторожно, не топая.
Выводы по результатам работы:
- При подготовке и проведении экспериментов требуется выполнение специальных работ по изготовлению дополнительного оборудования (свинцовые шары, подвес для маятника, крепление подвеса);
- Измерение времени и длины маятника требует большой тщательности;
- Необходимо учитывать погрешности измерений