ЛР №7. Вивчення закону збереження механічної енергії. (Смартфон)

Вивчення закону збереження механічної енергії (Касьянчук В.Д.)

Мета: Переконатись у справедливості закону збереження механічної енергії для замкненої механічної системи. Перевірити експериментально закон збереження механічної енергії. Навчитись визначати потенціальні енергії тіла піднятого на певну висоту та деформованої пружини. Переконатись у можливості використання загальновживаних додатків та пристроїв сучасних смартфонів (фото-, відео, медіаплеєр)  для  вимірювань та обчислень у фізиці.

Обладнання: Смартфон, сталева кулька, штатив, лінійка, металевий (дерев’яний, або пластиковий) жолоб, пружина, набір тягарців, терези.  

 

Інструкція з безпеки  під час підготовки і проведення лабораторних робіт з фізики.

Правила роботи при проведенні робіт з механіки

Правила зважування

1. Користуючись терезами, не допускайте механічних ударів тягарців по шальках терезів.

2. Не кладіть на шальки терезів мокрі, брудні, жирні, гарячі тіла, не насипайте сипучі речовини.

3. Дрібні гирі беріть тільки пінцетом.

4. Зважуванні тіла і важки опускайте на шальки обережно.

Правила роботи з динамометром

1. Користуючись динамометром, не розтягуйте пружину руками.

2. Не перевантажуйте пружину динамометра навантаженням, більшим за допустиме.

3. Не допускайте розгойдування важків, зупиняйте їх коливання рукою.

4. Не допускайте падіння тіл (брусків) і важків під час їх зважування динамометром.

Теоретичні відомості.

  Закон збереження енергії, у фізиці, принцип, згідно з яким повна енергія замкненої системи зберігається впродовж часу. Енергія не виникає з нічого і не зникає в нікуди, а може лише перетворюватись з однієї форми на іншу. Через цей закон неможливі вічні двигуни першого роду. Закон був відкритий незалежно, для різних видів енергії багатьма вченими.

Величину, що дорівнює добутку маси тіла m на прискорення вільного падіння g і на висоту h тіла над поверхнею Землі, називають потенціальною енергією тіла в полі сили тяжіння і позначають Е_п:

Е_п = mgh.

Величину, що дорівнює половині добутку коефіцієнта пружності k тіла на квадрат подовження або стиснення х, називають потенціальною енергією пружно- деформованого тіла:

.

Кінетична енергія тіла являє собою скалярну фізичну величину, що дорівнює добутку маси тіла на квадрат його швидкості поділену навпіл.

m – маса тіла.

v – Швидкість руху тіла.

Кінетична енергія – це енергія руху тіла. Як видно з формули вона залежить від маси тіла і що важливо від квадрата її швидкості.

У даній роботі потенціальна енергія тіла піднятого на певну висоту у кінцевому підсумку перетворюється у потенціальну енергію пружно деформованої пружини.

Оскільки, процес передачі енергії від одного тіла (металевої кульки) до іншого (пружини) відбувається дуже швидко (під час удару), то у роботі задіяна камера смартфона та додаток медіаплеєр, які значно полегшують спостереження швидких процесів.

Для розрахунків можна використати додаток Калькулятор.

Хід роботи.

1.    Налаштування додатку XPlayer.

1.1.    Встановіть на Ваш смартфон додаток XPlayer (або інший медіаплеєр), використовуючи даний QR-код.

1.2. Відкрийте додаток XPlayer.

1.3. Виберіть режим перегляду відео на низькій швидкості.

1.4. Додаток готовий до роботи.

2.    Якщо на Вашому смартфоні не встановлено додаток Калькулятор, то Ви можете завантажити необхідний  додаток,  скориставшись QR-кодом.

3.    Визначте коефіцієнт жорсткості пружини.

3.1. Закріпіть пружину одним кінцем у лапці штатива та розташуйте її вертикально. Поряд закріпіть лінійку, та виміряйте початкову довжину не деформованої пружини:

l₀=________м.

3.2.  Прикріпіть до пружини тягарець масою 100 г та  виміряйте довжину деформованої пружини:

l=________м.

 3.3. Обчисліть коефіцієнт жорсткості пружини за формулою:

k_N =mg/(l-l₀), де

m- маса тягарців,

g=9,8 Н/кг.

3.4. Повторіть досліди п.3.1. - п.3.3. підвісивши до пружини спочатку два, а потім три тягарці.

3.5. Розрахуйте середнє значення коефіцієнта жорсткості пружини за формулою:

k= (k₁+ k₂+ k₃)/3,

k=________ Н/м.

3.6. Результати вимірювань та обчислень запишіть у таблицю 1:

№ досліду	Маса тягарців, m, кг	Довжина не деформованої пружини, l0, м	Довжина  деформованої пружини,  l, м	Коефіцієнт жорсткості пружини, kN, Н/м	Середнє значення жорсткості, k, Н/м
1.	0,1
2.	0,2
3.	0,3

                                                                    Таблиця 1.

4.    Виміряйте масу металевої кульки за допомогою електронних ваг або терезів лабораторних, дотримуючись правил зважування та запишіть значення у таблицю 2.

№ досліду	Маса сталевої кульки, m, кг	Висота підняття кульки,  h, м	Довжина не деформованої пружини, l0, м	Довжина  деформованої пружини,  l, м	Потенціальна енергія піднятої кульки, Еп1, Дж	Потенціальна енергія деформованої пружини, Еп2, Дж
1.
2.
3.
4.
5.

                                                                     Таблиця 2.

5.    Перевірте закон збереження механічної енергії

5.1. Закріпіть жолоб у лапці штатива та розташуйте його під певним кутом. На верху жолоба помістіть сталеву кульку. Внизу жолоба розташуйте пружину та поряд з нею лінійку. Другий кінець пружини повинен опиратись на досить масивну опору (наприклад основу перевернутого штативу), як показано на малюнку. Увага пружина повинна бути не деформована!

5.2.  Виміряйте лінійкою висоту, з якої почне скочуватись кулька:

h=______м.

Для більш точного вимірювання сфотографуйте та збільште шкалу лінійки.

5.3.  Розрахуйте, яку потенціальну енергію матиме кулька на цій висоті h за формулою:

Е_п1=mgh,

та запишіть значення у таблицю 2.

5.4. Ввімкніть камеру смартфона та один із учнів знімає дослід на відео. Інший учень, у цей час, відпускає кульку.  На відео повинен потрапити момент удару кульки в пружину та деформація пружини.   

5.5.  Переглядаючи відео покадрово або на дуже малій швидкості зафіксуйте момент максимальної деформації пружини. Зробіть знімок екрану у цей момент та збільшіть його у кілька разів.

5.6. Визначте за знімком довжину пружини l, як можна точно та запишіть значення у таблицю 2. Туди ж перепишіть із таблиці 1 значення початкової довжини пружини l₀ та коефіцієнта жорсткості k.

5.7.  Використовуючи значення із таблиці 2. Розрахуйте потенціальну енергію деформованої пружини за формулою:

Е_п2=k(l-l₀)²/2,

та запишіть це значення у таблицю 2.

5.8. Отримане значення Е_п2 буде дещо меншим за Е_п1. Поясніть чому?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.9. Повторіть досліди п.5.2.- п.5.7. 3-5 разів, роблячи відповідні розрахунки та записи у таблицю.

6.    Зробіть висновок про виконання закону збереження повної механічної у даній лабораторній роботі:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________