|
Независимость движений
Демонстрация независимости горизонтальной и вертикальной составляющих движения падающего тела
Оборудование: Пара стальных шариков; молоток; железная полоса (от упаковки ящиков); доска и брусок; шуруп длиной 50 мм; струбцина.
Техника безопасности: Перед проведением опыта необходимо проинструктировать учащихся и предупредить их о том, что стальной шарик, падая с высоты 20 метров может пробить голову. Опыт можно начинать, только убедившись в том, что все учащиеся находятся на безопасном расстоянии от места падения шариков. (Удаление шариков от стен здания школы не более 5–7 метров.)
Описание опыта
Известно, что с высоты 20 м шарик будет падать 2 секунды. А сколько ему потребуется времени, если его к тому же бросить с этой высоты в горизонтальном направлении? Путь он при этом пройдет заведомо больший, ведь падение происходит по параболе, а в первом случае – по отвесной прямой. Логично предположить, что брошенный горизонтально будет падать дольше.
Поставим опыт. С помощью хитроумного приспособления заставим падать два шарика одновременно: один отвесно, а второй – по параболе. Проведем масштабный эксперимент: будем кидать их со школьной крыши, а последовательность падения фиксировать на слух и с помощью секундомера. Оказывается, что удар обоих шаров о каменные плиты школьного двора происходит одновременно – мы слышим оба удара как один! Значит, падение по горизонтали никак не влияет на вертикальное движение шарика. Отсюда важный вывод: движения по горизонтали и по вертикали происходят независимо друг от друга, каждое по своему закону. В вертикальном направлении оба шара падают ускоренно, с одинаковым ускорением: их скорость каждую секунду увеличивается на 10 м/с. А в горизонтальном направлении движется только второй шар. Его скорость при этом не меняется – движение равномерно. Отсюда, кстати, и следует параболическая форма полета!
Постановка опыта
Сперва демонстрируем классу специальное устройство для одновременного выброса двух стальных шариков, показываем, как оно работает и просим детей описать наблюдаемое. Как он выбрасывает шарики и что при этом достигается? – Один из шариков получает толчок вперед, а другой просто снимается железной скобой с деревянной полочки и начинает падать свободно. Оба движения начинаются одновременно, так как оба шарика запускаются поворотом одной дощечки.
Обсудив эти детали, еще раз смотрим устройство в работе. Задаем предварительный вопрос: «Если запустить одновременно оба шара с пятого этажа, какой раньше упадет на землю?» Ответ: «Падающий свободно. После этого закрепляем его горизонтально на карнизе за окном на высоте 4 или 5 этажа (около 20 м). Весь класс спускается вниз, на школьный двор, и становится с обоих боков на безопасном расстоянии (сбоку на расстоянии 15 метров от линии падения шаров). Учитель кричит сверху: «Внимание!» – и ударом молотка запускает оба шара. Дети наблюдают за их падением. Опыт повторяется со следующей парой таких же шаров.
Шары падают на землю одновременно, о чем свидетельствует в первую очередь звук удара об асфальт – два падения слышны как одно.
Источник: http://experiment.edu.ru |
Звук можно увидеть!
Демонстрация хладиниевых фигур на медной пластине при помощи смычка и манной крупы
Оборудование: круглый лист меди диаметром около 25 см и толщиной около 2 мм; длинный стальной болт диаметром около 10 мм, приваренный шляпкой к струбцине; смычок; канифоль для натирания смычка; манная крупа.
Техника безопасности: Опыт безопасен. Необходимо тщательно подтянуть волокна смычка и натереть их канифолью. Чтобы легче было убирать рассыпавшуюся крупу, можно застелить пол бумагой.
Описание опыта
Способ визуализации звуковых колебаний придумал немецкий физик Эрнст Хладни; повторим его опыты, чтобы получить "фигуры Хладни".
Закрепим круглую медную пластину на вертикальном стержне. Покроем ее поверхность тонким слоем манной крупы. Придерживая край пластины пальцем, начнем водить по краю смычком, появится звук, и крупинки образуют красивый узор в форме звезды. Один из ее лучей касается пальца. В этих местах, как и в других местах скопления крупинок, пластина неподвижна. У смычка и в симметричнымх областях образуется свободное от крупы пространство. Там происходят самые сильные колебания пластины – именно они и заставляют крупинки отскакивать в стороны. Если палец удален от смычка на восьмую часть дуги медного круга – образуются четыре луча.
Можно повторить опыт, расположив смычок поближе к пальцу, звук станет выше, и образуется восьмилучевая звезда. Теперь палец и смычок находятся в два раза ближе друг к другу.
Постановка опыта
Закрепляем на столе стержень при помощи струбцины. На стержень, зажав сверху и снизу гайками, устанавливаем медную пластину. Покрываем поверхность пластины тонким слоем манной крупы. Натираем смычок канифолью и, зажав край пластины пальцем, рядом начинаем водить смычком, извлекая звук. Смычок должен идти плавно, с нажимом. Возникает звук, крупинки начинают перемещаться по пластине. У пальца начинается линия узлов (свободных от колебаний точек пластины); у смычка пластина вибрирует сильнее всего (здесь образуется пучность). Если угол между точками касания пальца и смычка будет составлять около 45 градусов, крупинки сместятся, образуя четырехлучевую звезду. При угле 30 градусов звезда станет шестилучевой. Многолучевая звезда образуется, если удерживать край пластины в двух местах.
Источник: http://experiment.edu.ru |
|
Измеряем скорость снаряда
Демонстрация способа измерения скорости полета снаряда при помощи баллистического маятника
Оборудование: Картонная коробка из-под монитора; пачка пластилина; 10 м бельевой веревки; крепление в потолке (можно использовать баскетбольный щит в спортзале); безмен или настольные весы; резак для бумаги, лист ватмана и черный фломастер; скотч.
Техника безопасности: Важно, чтобы сзади ящика никто не стоял (на случай промаха). Все дети должны находиться в стороне, на расстоянии не менее 5 м.
Описание опыта
Измеряем скорость полета снаряда с помощью баллистического маятника. Для этого необходим тяжелый ящик (можно увеличить массу ящика, положив внутрь, например, песок). Ящик надо подвесить на четырех параллельных тросах и запустить снаряд (пластилиновый шар) через отверстие в середину ящика. Снаряд застревает в ящике, ящик при этом совершит движение (качнется вперед). Его скорость будет во столько же раз меньше скорости снаряда, во сколько раз масса ящика больше (по закону сохранения импульса). Определить скорость ящика можно, зная высоту, на которую он поднимется при движении (закон сохранения энергии).
Постановка опыта
В боковой стенке коробки из-под монитора вырезаем большое прямоугольное отверстие, в это отверстие будет влетать снаряд. Проделаем сверху коробки по углам отверстия для крепления четырех двухметровых веревок. Можно проводить опыт и в спортзале (если в кабинете физики нет крюков в потолке). Учитель со снарядом должен находится на расстоянии 3 метров от коробки (чтобы не промахнуться). В качестве снаряда мы использовали тяжелый пластилиновый шар (массой около 0,5 кг) – иначе подъем коробки будет трудно заметить. Надо размахнуться и с силой забросить шар в отверстие коробки. Высоту подъема коробки можно определить с помощью бумажного щита с сантиметровой разметкой (разметку делаем черным маркером), ящик поднимется всего на несколько сантиметров. Зная высоту подъема, рассчитываем скорость коробки после удара. Для определения скорости полета снаряда (задача следующего урока) измеряем массу коробки и массу снаряда при помощи безмена или других весов. В нашем опыте масса коробки была примерно равной 2 кг.
Источник: http://experiment.edu.ru |
Упругий и неупругий удары
Демонстрация упругого и неупругого соударений при помощи прибора Мариотта
Оборудование: Для проведения опыта используется самодельный прибор. Описание прибора приведено в тексте ниже.
Техника безопасности: Прибор совершенно безопасен.
Описание опыта
Бильярдный шар отскакивает от препятствия, потому что он упругий. Пластилиновый шар при ударе об пол прекращает движение и изменяет форму – появляется вмятина: пластилин неупругий. В нашем опыте бильярдные шары при лобовом столкновении отскакивают друг от друга, а пластилиновые останавливаются. Бильярдные шары одинаковы по массе, поэтому при центральном ударе просто обмениваются скоростями.
Пластилиновые шары различаются по массе: один больше другого в два раза, и чтобы они остановились при столкновении, скорости приходится подбирать так, чтобы импульсы обоих шаров оказались равными по величине (шар с большей массой должен иметь меньшую скорость). Что происходит с кинетической энергией пластилиновых шаров? Она превращается в тепловую: шары нагреваются.
Постановка опыта
Прибор из соударяющихся шаров, подвешенных на нитях, изобрел французский физик (бенедиктинский монах и настоятель монастыря) Эдм Мариотт (1620–1684). Мы использовали самодельный прибор, дополненный шкалой высот, необходимой для расчета скоростей шаров до и после соударения. На этом приборе можно демонстрировать не только явления передачи импульса, но и упругий и неупругий удары, третий закон динамики (см. Исаак Ньютон "Математические начала натуральной философии", 1687г.).
Подвешивание шара на двух нитях (бифилярное крепление) обеспечивает центральный удар и движение шаров строго в одной плоскости, такой способ крепления описан в литературе по демонстрационному эксперименту (Гирке Р., Шпрокхоф Г. Эксперимент по курсу элементарной физики, ч.1 — М., 1959. Хорошавин С.А. Демонстрационный эксперимент по физике в школах с углубленным изучением предмета. Механика. Молекулярная физика. Книга для учителя. — М., 1994).
Шары вставляются в фигурный каркас из толстой проволоки, подвешенный бифилярно на двух прочных лавсановых нитях, расходящихся на расстояние 50 см (рис. 1, Крепление шара). Сверху нити крепятся на алюминиевых уголках длиной 55 см. Способ крепления следующий: в ребре уголка просверлено 2 отверстия диаметром около 1 мм, сквозь них продеваются концы нити, которые закрепляются обыкновенными стопорами для шнуров, используемыми при пошиве курток (рис. 2, Крепление нити в уголке). Такой способ крепления позволяет без труда регулировать длину нитей подвески. Два таких уголка вставляются сверху в специально вырезанные пазы горизонтальной прямоугольной рамки, скрепляющей передний и задний треугольники каркаса прибора. Сзади наклонно (чтобы шкала прибора находилась все время движения вблизи шаров) установлен фанерный щит с разметкой высот (рис. 3, Общий вид прибора).
Основное назначение прибора – качественно и количественно продемонстрировать закономерности упругого и неупругого соударения шаров с целью введения понятия импульса (количества движения) тела не путем математической дефиниции, а феноменологически, то есть с опорой на физический смысл понятия. При проведении опытов с этим прибором необходимо знание учащимися соотношения высоты и скорости падения. Дети должны уметь рассчитывать скорость падения по начальной высоте и понимать, что увеличение высоты вчетверо или вдевятеро даст, соответственно, увеличение скорости всего вдвое и втрое.
Эксперимент: подвешиваем два одинаковых бильярдных шара и, отведя их на одинаковую высоту, одновременно отпускаем. Шары соударяются в нижней точке и разлетаются почти на исходную высоту. Такое движение продолжается довольно долго, пока шары не остановятся.
Подвешиваем два пластилиновых шара, поднимаем (одинаковые шары до одинаковой высоты, различные – на такую высоту, чтобы отношение скоростей и масс было обратным) и одновременно отпускаем их. Из-за изохронности колебаний шаров они одновременно достигают нижней точки, независимо от начальной высоты подъема. После удара шары сразу же останавливаются (если скорость была подобрана верно, и мы одновременно их отпустили).
Источник: http://experiment.edu.ru |
