Применение компьютерных технологий при обработке результатов физических экспериментов
методическая разработка (11 класс) по теме

Применение компьютерных технологий при обработке результатов физических экспериментов

Многие практические задачи курса физики и математики можно решать с помощью компьютера. В настоящее время имеются мощные математические пакеты, позволяющие решать такие задачи быстро и эффективно. Мы же рассмотрим пример выполнения расчетов лабораторной работы по физике для курсантов первого курса с помощью  Microsoft Office Excel 2007, так как при изучении  Информатики курсанты знакомятся с возможностями  обработки результатов экспериментов средствами электронных таблиц.

Лабораторная работа

Тема: Определение момента инерции тела

Оборудование: маятник  Обербека  (представляет собой тело сложной формы – шкив из двух одноосных цилиндров и четырех стержней, прикрепленных к шкиву, на стержни навинчены грузы различной массы), шнур, грузы, секундомер, линейка.

Задание: исследуйте зависимость момента силы от углового ускорения, по графику зависимости определите момент силы трения и момент инерции тела сложной формы.

Содержание и метод выполнения работы

Момент инерции тела зависит от его массы, формы, размеров и положения относительно оси вращения. В §6 на стр.38  учебника дано Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела :

 Μ=Iε   , где  Μ – момент сил,  ε - угловое ускорение, I – момент инерции тела. Вращение маятника происходит в результате действия силы натяжения нити и силы трения. Момент силы натяжения нити можно вычислить, зная массу подвешенного на шнур груза, ускорение свободного падения и радиус шкива:  Мн≈mgR.  Момент силы трения определяется по графической зависимости М(ԑ).

Угловое ускорение  рассчитывается по формуле:  ε=h2Rt2  .  

Для построения графика зависимости опыт проделывают 5-10 раз. Момент инерции тела – это угловой коэффициент линейной зависимости  М(ԑ), его находят по графику. Для чего выбирают две точки графика, расположенные в области экспериментальных точек, но не являющиеся экспериментальными   Ι=M1-M2ε1-ε2 .

Порядок выполнения работы

1. Наматайте  шнур с грузом известной массы на шкив.
2. Измерьте время падения груза. Занесите в таблицу время падения, высоту падения, радиус шкива и массу груза.
3. Вычислите угловое ускорение и момент силы натяжения нити.
4. Проделайте опыт 5-10 раз.
5. Постройте график зависимости  М(ԑ) , проведя прямую линию через экспериментальные точки наилучшим образом.
6. Выберете две произвольные точки на графике в качестве расчетных (две точки графика, расположенные в области экспериментальных точек, но не являющиеся экспериментальными), определите  момент инерции тела.
7. Момент силы трения определите по графику зависимости, как ординату точки с абсциссой ԑ=0.
8. Выполните все эти действия, наматывая шнур на шкив другого цилиндра.
9. Запишите ответ на задание лабораторной работы.

Применение электронных таблиц для расчетов лабораторной работы по теме «Определение момента инерции тела»

1. Запустите программу Excel (Пуск ►Программы ►Microsoft  Excel).
2. Создайте новую рабочую книгу (кнопка Создать на стандартной панели инструментов).
3. Дважды щелкните на ярлычке текущего рабочего листа и дайте этому рабочему листу  имя «Лабораторная работа. Таблица 1».
4. Дайте команду Файл ►Сохранить как   и сохраните рабочую книгу под именем book.xls.
5. Сделайте текущим диапазон ячеек B1: H2 , объедините ячейки (для этого вызовите контекстное меню, выберите : Формат ячеек, во вкладке Выравнивание отметьте Объединение ячеек.
6. Введите в диапазон заголовок «Таблица 1».
7. В ячейку В4 введите «№», в ячейку В5 введите число «1».
8. Сделайте активной ячейку В5, наведите указатель мыши на маркер заполнения в правом нижнем углу рамки, нажмите правую кнопку мыши и перетащите этот маркер до ячейки В24, отпустите кнопку, выберите Прогрессия ►по столбца ►шаг 1 , в диапазоне В 5: В24 появится нумерация строк от 1 до 20.
9. В ячейки С4 , D4, E4, F4, G4, H4 введите соответственно h(м), R(м), m(кг), t(с),Mн (Н·м), ԑ(рад/с2).
10. Выполните лабораторные опыты и заполните значениями физических величин:   h(м), R(м), m(кг), t(с)  столбцы диапазона  С5: F24 .
11. Введите в ячейку G5формулу для расчета момента силы натяжения нити, для этого наберите =9,8*E5*D5.
12. Используя метод автозаполнения, скопируйте эту формулу по диапазону G5:G24, для этого сделайте активной ячейку G5, наведите указатель мыши на маркер заполнения, нажмите левую кнопку мыши и перетащите этот маркер до ячейки G24.
13. Введите в ячейку H5  формулу для расчета углового ускорения =2*C5/(D5*F5*F5)  и скопируйте  по диапазону H5:H24.
14. После того, как таблица будет полностью заполнена, переходите к построению графика  М(ԑ), для этого дважды щелкните на ярлычке  рабочего листа №2 и дайте этому рабочему листу  имя «График».
15. На рабочем листе №2 сделайте активной ячейку В2, на стандартной панели инструментов выберите Вставка ►диаграммы►точечная , выберите вид точечной диаграммы - плавную кривую, щелкните на кнопке ОК.
16. На области диаграммы вызовите контекстное меню и выберите:  Выбрать данные в окне Выбор источника данных нажмите Добавить ряд, заполните значения «X»,  для чего на листе №1 укажите методом протягивания  диапазон H5:H24 и «Y» - диапазон G5:G24.
17. График зависимости будет представлять собой кривую линию, проходящую через все экспериментальные точки. Аналитически известно, что зависимость М(ԑ) – линейная, а ее угловой коэффициент и есть искомое значение момента инерции тела. Поэтому построим наилучшую прямую следующим способом:  дайте команду :  Макет►Анализ ►Линия тренда , выберите Линейное приближение.
18. Щелчком на графике выделите линию тренда, вызовите контекстное меню и выберите Формат линии тренда ►параметры линии тренда отметьте «показывать уравнение на диаграмме».
19. Рядом с прямой М(ԑ) появится ее уравнение, угловой коэффициент этой прямой численно равен моменту инерции тела, а свободный член уравнения прямой численно равен моменту силы трения. Таким образом, оба искомых значения найдены.