- Идёт загрузка...
Прибор используется на уроках физики и предназначен для демонстрации горизонтальных колебательных процессов. Позволяет провести следующие опыты: свободные колебания горизонтального пружинного маятника, энергия свободных колебаний, движение по инерции, упругий и неупругий удар, равномерное прямолинейное движение - движение с постоянной скоростью и т.д.
Устройство прибора и основные технические характеристики:
Прибор состоит из основания с полой прямоугольной призмой, на гранях которой имеются ряды равноудаленных друг от друга маленьких отверстий. На торце призмы установлен штуцер для присоединения эластичного шланга, через который подается воздух от воздуходувки, пылесоса в режиме нагнетания, от ручного насоса с рессивером (компенсационной емкостью).
Над призмой прибора установлена горизонтальная шкала "10-0-10" с оцифровкой через 20 мм. На гранях призмы находится пластмассовая каретка с вертикальным стержнем для надевания на него металлического груза, если необходимо изменить массу каретки. К каретке закреплена пружина, второй конец которой закреплен к стойке.
Габариты прибора - 300х100х100 мм. Масса прибора - не более 0,3 кг. Жесткость пружины - 0,6 Н/м.
Руководство по эксплуатации и методические рекомендации по проведению опытов:
А. Свободные колебания горизонтального пружинного маятника
Пружинный маятник состоит из каретки, прикрепленной пружиной с малой жесткостью к вертикальной стойке. Поскольку каретка движется по призме на воздушной подушке, трения при движении не возникает и свободные колебания совершаются довольно длительное время.
Перед началом опыта каретку сместить вправо, например на 5 см. Она удерживается за счет силы трения покоя, хотя на нее и действует сила упругости, направленная к положению равновесия. Подать воздух. Каретка поднимается, трение покоя исчезает и каретка начинает двигаться влево. Пройдя по инерции положение равновесия, при котором сила упругости становится равной нулю, каретка начинает сжимать пружину. При сжатии пружины возрастает сила упругости, направленная вправо. Именно она затормозит каретку на расстоянии х, равном амплитудному значению А.
Точка поворота - точка, в которой скорость каретки равна нулю.
Под действием силы упругости каретка начинает двигаться вправо к положению равновесия. Пройдя его по инерции, каретка, растягивая пружину, через промежуток времени Т, равный периоду колебаний, возвращается в исходное положение. Затем процесс колебаний пружинного маятника повторяется.
Подсчитав число полных колебаний и измерив время свершения этих колебаний, определить период, т.е. время одного полного колебания.
Свободные колебания пружинного маятника являются гармоническими, т.е. отклонение маятника от положения равновесия изменяется со временем косинусоидально:
х=А cos q, где А - амплитуда колебаний.
Так как косинус изменяется в пределах от -1 до +1, то координата тела лежит в промежутке - А<_х<_А.
Период свободных колебаний пружинного маятника определить по формуле:
Т=2п к/m
Период колебаний пружинного маятника не зависит от начальных условий (амплитуда, скорость), а полностью определяется собственными характеристиками колебательной системы - жесткостью пружины и массой каретки.
Жесткость пружины характеризует силу взаимодействия 9силу упругости) - чем больше жесткость, тем сильнее воздействие на маятник, тем меньше период его колебаний. В этом можно убедиться на опыте, для чего связать несколько витков пружины нитью, как бы укорачивая ее. Повторить опыт и убедиться в справедливости высказанных выше суждений.
Масса маятника (каретки) характеризует его инертные свойства - чем больше масса, тем медленнее раскачивается маятник и больше период колебания. И это положение проверить на опыте.
На вертикальный стержень каретки, который служит для прямого отсчета амплитуды колебаний, надеть металлический цилиндр (прилагается к прибору). Повторить опыт при той же начальной амплитуде, что и в первом случае. Определить время десяти полных колебаний каретки и вычислить период колебаний. Он стал больше.
Б. Энергия свободных колебаний
В отсутствие сил трения колебательная система является консервативной и для нее выполняется закон сохранения полной механической энергии:
Ek+En=Eko+Eno
В начальный момент времени кинетическая энергия маятника, отклоненного на расстояние х=А при скорости V=0, равна нулю. Потенциальная энергия маятника En=kA ^2/2.
Следовательно, полная механическая энергия гармонических колебаний пропорциональна квадрату их амплитуды - E=kA^2/2.
Хотя полная механическая энергия гармонических колебаний пружинного маятника сохраняется, его кинетическая и потенциальная энергия непрерывно меняется. Потенциальная энергия максимальна в крайних точках отклонения, когда х=+-А и равна нулю при х=0. Кинетическая энергия наоборот минимальна в крайних точках (точках поворота) и максимальна в положении равновесия - Ek=mV^2=E.
