Лабораторные работы по механике
методическая разработка на тему

Департамент образования города Москвы

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Технологический колледж №28

Евдокимов П.Е.

Тема:

Москва  

2009

    Данные работы предназначены для выполнения студентами 1-го курса по теме «Механика». Студенты выполняют работу на уроке физики, затем оформляют отчет в тетрадях для лабораторных работ.

Автор: Евдокимов Павел Евгеньевич, преподаватель физики и специальных дисциплин.

Рецензент: Камина Валентина Николаевна, преподаватель специальных дисциплин

Редактор: Малькова Людмила Алексеевна, зам. директора по учебно-методической работе.

Рукопись рассмотрена на заседании цикловой комиссии специальных дисциплин и холодильной техники, протокол № 2 от 20.10. 2009.

        Опыт  I. «Равномерное движение».

Цель работы: наглядно продемонстрировать равномерное движение и ввести элемент учебного материала «скорость равномерного движения»

Равномерным движением называется движение, при котором тело в любые промежутки времени  проходит равные расстояния.

Оборудование:

1. скамья

2. ограничитель

3. транспортир

4. оптоэлектрические датчики - 2шт

5. тележка

6. измерительный  блок  L-микро

7. платформа стартового устройства

8. источник питания

Порядок выполнения работы:

Установить горизонтально скамью с ограничителем.

Поместить на неё тележку с флажками.

Установить пружину на стартовое устройство.

Присоединить  оптоэлектрические датчики к разъёмам платформы стартового устройства, а источник питания к разъёмам соединительного кабеля, подключённого к третьему разъёму измерительного блока.

Разместить оптоэлектрические  датчики на отметках 20 и 100, от начала скамьи.

Установить тележку в стартовое устройство

Измерить время, затрачиваемое тележкой на прохождение между флажками.

Оставить на тележке один флажок

Произвести серию запусков тележки. При различных положениях оптоэлектрических датчиков, и неизменном расстоянии между ними

(например, датчики устанавливаются в положение 10 и 90 или 30 и 110)

Определить путь, пройденный тележкой  S1 = X2- X1, где  X1 и X2    координаты оптоэлектрических датчиков.

Определить промежуток времени t, за который было пройдено расстояние между датчиками, t = t2 – t1 где t1 и t2  - время, за которое тележка прошла мимо первого и второго датчиков соответственно.

Результаты опытов занести в таблицу.

Если значения величины S (третий столбец), преодолеваемые тележкой за любые одинаковые промежутки времени t (шестой столбец) одинаковы, то

это говорит о том, что движение тележки равномерное. Полученные данные  позволяют ввести понятие скорости равномерного движения – величину, измеряемую  длинной пути, проходимого телом за единицу времени.

Используя данные опытов рассчитать значение скорости тележки, в каждом из проделанных опытов. Сравнить их. Сделать выводы о постоянстве этого параметра при равномерном движении.

Контрольные вопросы:

1. Дать определение равномерного движения?

2. Что такое скорость при равномерном движении?

3.  Как рассчитать значение скорости при равномерном движении?

Опыт II. «Перемещение при равномерном движении».

Цель работы: построить зависимость перемещения от времени при равномерном движении.

Оборудование: используется оборудование, перечисленное в предыдущем опыте.

Порядок выполнения работы:

Установить скамью с ограничителем горизонтально.

Поместить на неё тележку с двумя флажками.

Установить пружину на стартовое устройство

Разместить оптоэлектрические датчики на отметках 20 и 100 от начала скамьи.

Добиться равномерного движения тележки.

Установить один из оптоэлектрических датчиков на отметках 20 или 30.

Провести серию запусков при различных положениях второго датчика

Данные занести в таблицу

По полученным результатам построить график  S = S(t)

Контрольные вопросы:

1. Что такое перемещение?

2. Что такое путь?

3. Что такое траектория?

Опыт III. Неравномерное движение. Понятие средней скорости.

При неравномерном движении тело за равные промежутки времени проходит неодинаковые расстояния.

Цель работы:

Продемонстрировать неравномерное движение тела и отработать элемент учебного материала понятие средней скорости.

Оборудование:

Скамья

Оптоэлектрические датчики -2шт.

Тележка.

Транспортир.

Ограничитель.

Измерительный блок L-микро.

Платформа стартового устройства.

Источник  питания.

Установить при помощи транспортира наклон скамьи  ά = 5º.

Установить пусковое устройство без стартовой пружины.

Поместить на тележку один флажок.

Закрепить тележку в пусковом устройстве.  

Разместить оптоэлектрические датчики на отметках Х1 =20 ; Х2 =100.

Произвести запуск тележки.

Определить среднюю скорость тележки на отрезке пути между датчиками по формуле  Vср = S/t, где S = Х2 –Х1, а t – время прохождения тележки между датчиками.

Повторить опыт три раза.

Записать время прохождения тележки и сравнить результаты.

t1 =

t2 =

t3 =

Vср =

Vср =

Vср =

Вычислить средние результаты :

 t =

V=

Контрольные вопросы:

1. Укажите разницу в формулах определения скоростей равномерного движения и средней скорости неравномерного движения?

2. Каковы особенности неравномерного движения?

3. Чему равна средняя скорость  неравномерного движения?

  Опыт №5. Определение ускорения при равноускоренном движении.

  Цель работы: Ввести понятие ускорения и отработать элементы учёбного материала, связанные с определение ускорения.

  Оборудование:

1. скамья

2. ограничитель

3. транспортир

4. оптоэлектрические датчики – 2шт

5. тележка

6. измерительный блок  L – микро

7. платформа стартового устройства

8. блок питания

Порядок проведения опыта:

Установить скамью под углом (2-3)º к горизонту. Поставить ограничитель и стартовое устройство. Установить на тележке два флажка. Установить один датчик в точку 20, а второй  в точку 60. Запустите тележку с помощью стартового устройства. Определить время прохождения расстояния между контрольными точками. Результаты занести в таблицу. Повторить опыт поместив второй датчик сначала  в точку 80, затем в точку 100.

Определить скорость по формуле  V = Δs/Δt

Δs = 5 см  - расстояние между флажками , установленными на тележку.

Δt – интервал времени, за который тележка проходит створ оптоэлектрического датчика.

Для определения ускорения разметить датчики на отметках 20 и 100. Запустить тележку с помощью стартового устройства. Затем провести аналогичные опыты,

разместив оптоэлектрические датчики на отметках 20 – 40, 50 – 70, 80 – 100. Вычислить скорость в начале и конце пути по формулам.

     v1 = Δs/Δt1

     v2 = Δs/Δt2

    Δv = v2 – v1   -  изменение скорости

   Δt = t1 –t2   -  интервал времени, в течение которого произошло изменение скорости.

Занести результаты в таблицу

Контрольные вопросы:

1. Как определить ускорение?

2. Понятие  ускорения?

   Опыт №6 .Зависимость ускорения от величины силы и массы.

Цель работы: проверка соотношения a ~ F и  a ~ 1/m  вытекающих из II  закона Ньютона.

Оборудование:

1. скамья

2. ограничитель

3. транспортир

4. оптоэлектронный датчик (механический или электронный секундомер)

5. тележка

6. груз для тележки

7. платформа стартового устройства

8. резинка (длина резинок не менее 65-80 см)

9. измерительный блок L – микро

10.блок питания

Порядок проведения работы:

Для проверки справедливости соотношений – ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе, необходимо рассмотреть начальную стадию движения тележки на магнитной подвеске под действием силы упругости растянутой  резинки. Силы упругости, естественно, не является постоянной во времени, однако, если регистрировать движение тележки на начальном этапе, когда изменение относительной деформации резинки не велико, изменениями действующей на тележку силы можно  пренебречь.

При выполнении опыта значение действующей на тележку силы будет изменяться в 2 раза за счёт использования одной или двух резинок одинаковой длины. Масса тележки может изменятся  при установке на неё дополнительных грузиков.

Установить скамью горизонтально.

Платформу стартового устройства установить около левого конца скамьи.

Две резинки одинаковой длины закрепить на правом конце скамьи, используя для этого ограничитель хода тележки.

На тележке устанавливаются два флажка, на расстоянии 5 см друг от друга

Зарегистрировать время, за которое тележка пройдёт мимо оптоэлектрического датчика, положение которого соответствует месту нахождения переднего флажка перед началом движения

 Определить ускорение по формуле

           l – расстояние между флажками тележки

          Δt – значение интервала времени

При пуске тележки питание на  пусковое устройство подаётся не ниже 12 вольт.

Электромагнит пускового устройства включается только на короткое время

Провести несколько опытов меняя усилие резинок и массу тележки, с помощью грузиков. Занести результаты в таблицу

Контрольные вопросы:

1. Понятие силы?

2 Понятие массы?

3. Формулировка II закона Ньютона?

     Опыт №14. Движение тела по наклонной плоскости.

 Цель  работы: изучение движения тела по наклонной плоскости без учёта силы трения, определение зависимости ускорения тела от угла наклона плоскости.

Оборудование:

1. Скамья

2. Ограничитель

3. Транспортир

4. Оптоэлектрические датчики 2-шт

5. Тележка 1-шт

6. Платформа стартового устройства

7. Измерительный блок – L микро.

8. Блок питания

Движение тела массой m  по наклонной плоскости в случае пренебрежительно малой силы трения, описывается уравнением:

                            ma = mg sinα

из которого следует – ускорение  а прямо пропорционально   sinα  наклона плоскости к горизонту.

Порядок проведения работы:

Установить скамью с ограничителем на доске под углом (1-2)º к горизонту.

Около левого конца расположить платформу стартового устройства.

Оптоэлектрические датчики разместить на отметках 20 и 100см

Поместить на тележку два флажка

Установить тележку в стартовое устройство и произвести запуск.

Зафиксировать время:

  1. прохождения тележки мимо первого оптоэлектронного датчика

  2. прохождения тележки мимо второго датчика

  3. время движения между обоими датчиками t2 

Рассчитать мгновенные скорости в начале и в конце пути по формулам

   V = l/t1

   V = l/t3

Где  l – расстояние между флажками, установленными на тележке

Ускорение вычисляется по формуле:

    a= (v2 – v1) (t1/2 +t2+ t3/2)

Повторить опыт три раза, меняя  наклон скамьи с шагом (2-3)º.

На основании полученных результатов построить графики зависимости ускорения от угла наклона.

  Опыт №15. Движение тела по наклонной плоскости с учётом трения.

Цель работы: изучение движения тела по наклонной плоскости при наличии трения.

Оборудование:

1. Скамья

2. Ограничитель

3. Транспортир

4. Оптоэлектрические датчики -2шт

5. Деревянный брусок

6. Груз для тележки

7. Измерительный блок L-микро

8. Платформа для стартового устройства

Движение тела по наклонной плоскости можно описать уравнением:

                             ma = mg sin αFТР

m – масса тела

а -   ускорение, с которым тело движется

g -   ускорение свободного падения

величина силы Fтр зависит о состояния тела . Если угол наклона α невелик, и тело не движется, то есть находится в состоянии относительного покоя то:

                                  Fтр = F = mg sinα

При движении тела:

                                Fтр = μN = μmg cosα

μ – коэффициент трения

Эксперимент 1.

Определение коэффициента трения скольжения.

При равномерном движении тела по наклонной плоскости выполняется соотношение:

      mg sinα = μmg cosα

отсюда можно определить коэффициент трения μ = tgα

Порядок проведения работы:

Установить скамью на классную доску магнитными направляющими вниз

К скамье прикрепить транспортир и подвесить маятник ( шарик на нити)

На скамью поместить брусок с двумя флажками

Установить ограничитель в нижней точке наклонной плоскости

Оптоэлектрические датчики установить на расстоянии 60 – 80 см друг от друга

Установить угол наклона скамьи  20º

Слегка подтолкнуть брусок, что бы он начал движение

Замерить интервал времени прохождения бруска между датчиками.

Провести три запуска бруска.

Установить на брусок груз.

Провести три запуска бруска.

Сделать вывод: зависит ли  коэффициент трения от массы движущегося тела?

Эксперимент 2.

Порядок проведения опыта:

Увеличить наклон семьи на  5º , удерживая брусок от произвольного скатывания

Отпустить брусок

Измерить интервал времени, за которое брусок проходит расстояние между оптоэлектрическими датчиками

Провести три опыта.

Рассчитать ускорение тела  на основе полученных результатов.

 Опыт №16. Закон сохранения импульса.

Цель работы: продемонстрировать справедливость закона сохранения импульса на примере различных видов взаимодействия двух тел.

Оборудование:

1. Скамья

2. Ограничитель

3. Транспортир

4. Оптоэлектрические датчики – 2шт

5. Тележки  - 2шт

6. Грузики для тележек  - набор) 

7. Измерительный блок  L–микро

8. Пластилин

9. Платформа стартового устройства

Подготовка к проведению опыта:

Установить скамью с магнитной подвеской строго горизонтально.

На правом краю скамьи установить ограничитель

Неупругие соударения тел:

К торцевой поверхности одной из тележек прикрепить шарик из пластилина

диаметром  ~ 5мм

Поместить эту тележку в середине скамьи

Флажки на эту тележку не устанавливают

Другая тележка с флажками, установленными на расстоянии 5см друг от друга.

ставится на левый конец скамьи

Толкнуть левую тележку.

Первый оптоэлектрический  датчик устанавливается таким образом, чтобы измерять скорость тележки непосредственно перед столкновением

Второй оптоэлектрический датчик устанавливается в центре скамьи, над тележкой находящейся в состоянии относительного покоя

Оба флажка должны пройти мимо оптоэлектрического датчика до того, как тележки соприкоснутся.

Второй оптоэлектрический датчик служит для измерения скорости движения двух тележек после столкновения.

Остановить тележки после их столкновения с ограничителем

Данные интервалов времени записать в таблицу.

Провести три запуска тележки

Скорость тележки до столкновения может быть произвольной, но после столкновения тележки должны двигаться как единое целое.

Обозначения принятые в таблице:

Δt1 – время движения налетающей тележки мимо второго оптоэлектрического датчика

Δt2 – время движения тележек мимо второго оптоэлектрического датчика

V1=l/Δt1 –скорость налетающей тележки

 u=l/Δt2  - скорость тележки после столкновения

 Р1 и Р2 – значение импульса системы до и после столкновения.

Исаак Ньютон родился в 1642 году в деревне Вульсторп в Линкольншире. Семья Ньютонов принадлежала к числу фермеров средней руки. По достижении двенадцатилетнего возраста мальчик начал посещать общественную школу в Грантэме. В 1665 году он получил степень бакалавра изящных искусств (словесных наук) в Кембридже.

Его первые научные опыты связаны с исследованиями света. Ньютон установил, что белый солнечный луч представляет собой смесь многих цветов. Ученый доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета. В 1666 году в Кембридже началась эпидемия, которую сочли чумой, и Ньютон удалился Вульсторп. Здесь двадцатичетырехлетний Ньютон предался философским размышлениям. Плодом их было гениальнейшее из его открытий - учение о всемирном тяготении.

Предание сообщает, что размышления Ньютона были прерваны падением налившегося яблока. Знаменитая яблоня долго хранилась в назидание потомству, была срублена и превращена в исторический памятник в виде скамьи.

В 1669 году Ньютон уже был профессором математики. Тогда же, почти одновременно с немецким математиком Лейбницем он создал важнейшие разделы математики - дифференциальное и интегральное исчисления.

С 1669 по 1671 год он читал лекции, в которых излагал свои главные открытия относительно анализа световых лучей; но ни одна из его научных работ еще не была опубликована. Сделанный Ньютоном телескоп может с полным правом считаться первым отражательным телескопом. Затем ученый сделал вручную еще один телескоп больших размеров и лучшего качества.

Об этих телескопах узнало Лондонское королевское общество, которое обратилось к Ньютону с просьбой сообщить подробности изобретения. В конце 1670 года Ньютон был избран в члены Лондонского королевского общества.

Ньютон открыл знаменитую теорему, по которой тело, находящееся под влиянием притягивающей силы, подобной силе земного тяготения, всегда описывает какое-либо коническое сечение, то есть одну из кривых, получаемых при пересечении конуса плоскостью (эллипс, гипербола, парабола и в частных случаях круг и прямая линия). Сверх того, Ньютон нашел, что центр притяжения, то есть точка, в которой сосредоточено действие всех притягивающих сил, действующих на движущуюся точку, находится в фокусе описываемой кривой. Так, центр Солнца находится (приблизительно) в общем фокусе эллипсов, описываемых планетами.

Таким образом, Ньютон вывел теоретически, то есть исходя из начал рациональной механики, один из законов Кеплера, гласящий, что центры планет описывают эллипсы и что в фокусе их орбит находится центр Солнца. Как только Ньютон узнал об измерении меридиана, произведенном Пикаром, он тотчас произвел новые вычисления и убедился, что его давнишние взгляды совершенно подтвердились. Сила, заставляющая тела падать на Землю, оказалась равной той, которая управляет движением Луны.

В конце 1683 года Ньютон сообщил Королевскому обществу основные начала своей системы. Основные выводы Ньютон представил в труде "Математические начала натуральной философии".

Открытие Ньютона привело к созданию новой картины мира, согласно которой все планеты, находящиеся друг от друга на колоссальных расстояниях, оказываются связанными в одну систему. Дальнейшие исследования Ньютона позволили ему определить массу и плотность планет и Солнца. Он установил, что наиболее близкие к Солнцу планеты отличаются наибольшею плотностью.

Ньютон доказал, что Земля представляет собой шар, расширенный у экватора и сплюснутый у полюсов, а также зависимость приливов и отливов от действия Луны и Солнца на воды морей и океанов.

В 1695 году, занявший пост канцлера казначейства, близкий друг Ньютона Чарльз Монтегю, занялся вопросом об улучшении денежного обращения в Англии и решил перечекнить всю монету. Чтобы придать вес своим доказательствам, Монтегю обратился к тогдашним знаменитостям, в том числе и к Ньютону. Благодаря этому трудное и запутанное дело перечеканки было удачно выполнено в течение двух лет. Вскоре после того Ньютон из управляющего монетным двором был сделан главным директором монетного дела.

В 1701 году Ньютон был избран членом парламента, а в 1703 году стал президентом английского Королевского общества. В 1705 году английский король возвел Ньютона в рыцарское достоинство.

С 1725 года Ньютон перестал ходить на службу. Умер Исаак Ньютон в ночь на 20 марта 1726 года во время эпидемии чумы. В день его похорон был объявлен национальный траур. Его прах покоится в Вестминстерском аббатстве, рядом с другими выдающимися людьми Англии.