Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика»




Скачать 335.6 Kb.
НазваниеНаучно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика»
страница1/5
Дата конвертации10.03.2013
Размер335.6 Kb.
ТипНаучно-образовательный материал
  1   2   3   4   5
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»


Мероприятие 41,1


Разработка научно-методических, информационных и лабораторных материалов с использованием научно-технического потенциала высшей школы для развития в средней школе в интересах города специализированных классов, лицеев и т.п., ориентированных на раннюю профессиональную ориентацию учащихся средних школ в части предоставления образовательных услуг

Научно-образовательный материал

«Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов»




Москва 2011


Лабораторная работа 1 (раздел «Механика»)

Исследование законов поступательного движения

и проверка основного закона динамики


Введение

Поступательным движением твердого тела называется такое движение, при котором любая прямая линия, проведенная в теле и неизменно связанная с ним, перемещается, оставаясь параллельной самой себе. При поступательном движении все точки твердого тела обладают одинаковыми скоростями и ускорениями. Поэтому изучение поступательного движения твердого тела сводится к изучению движения любой точки тела.

Мгновенной линейной скоростью движения материальной точки называется величина равная первой производной от радиус-вектора , определяющего положение точки в пространстве по времени t:

(1)

Вектор скорости материальной точки в данный момент времени направлен по касательной к траектории в данной точке.

Ускорением материальной точки называется величина, равная первой производной от вектора скорости по времени t:

(2)

Направление вектора совпадает с направлением вектора приращения скорости

В случае перемещения материальной точки вдоль оси x мгновенная скорость определяется соотношением:

(3)

а ускорение:

(4)

При равномерном прямолинейном движении ускорение равно нулю (), следовательно:

,

,

где - начальная координата материальной точки (в момент времени t=0).

При равноускоренном прямолинейном движении материальной точки вдоль оси ох ():



(5)

где - начальная скорость.

В случае прямолинейного движения всегда можно обозначить , где S – это путь, пройденный телом за время движения t, тогда кинематическое уравнение равноускоренного движения можно записать иначе:

. (6)

В основе классической динамики лежат три закона Ньютона.

1 закон Ньютона. Всякое тело (материальная точка) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния (закон инерции).

Суть закона заключается в существовании инерциальных систем отсчета, для которых выполняется первый закон Ньютона.

2 закон Ньютона – основной закон динамики поступательного движения. Скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе, и изменение импульса происходит в направлении действия силы.

(7)

Отсюда следует, что

(8)

т.е. элементарное изменение импульса материальной точки равно импульсу действующей на нее силы и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

При постоянной массе тела закон динамики можно записать в следующем виде:

или (9)

В основном законе динамики поступательного движения – равнодействующая всех сил, действующих на тело.

3 закон Ньютона. Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению:

. (10)

При этом силы действия и противодействия имеют одинаковую природу, но приложены к разным телам.


Описание прибора и метода измерения


Общая схема лабораторной установки представлена на рис. 1.

Рейка 1 со шкалой установлена вертикально. На верхнем конце рейки имеется легкий алюминиевый блок 2, вращающийся с незначительным трением. Через блок перекинута нить, на концах которой подвешены два груза 3 и 4 одинаковой массой М. Груз 4 может удерживаться в нижнем положении электромагнитом 6.

Масса грузов 3 и 4 может быть увеличена за счет небольших добавочных грузов (перегрузков) 5. Если на груз 3 положить один из перегрузков 5 массой m, то вся система начинает двигаться равноускоренно. В комплект добавочных грузов входят несколько перегрузков, что позволяет исследовать движение с различными ускорениями.

Платформы 7 и 8 с помощью винтов могут быть укреплены в любом месте рейки 1. Сплошная платформа 8 служит для остановки груза 3, кольцевая платформа 7 – для снятия перегрузка 5 с груза 3 во время движения. Движение груза 3 от его верхнего положения до кольцевой платформы 7 происходит равноускоренно под действием перегрузков. После снятия перегрузков движение груза 3 между платформами 7 и 8 становится равномерным и происходит с постоянной скоростью, равной скорости, которую имел груз 3 в момент снятия перегрузков, т.е. в конце равноускоренного движения.

Время t, в течение которого происходит равноускоренное движение , измеряется одним секундомером; а время t / , в течение которого происходит равномерное движение – другим секундомером. Секундомеры включаются и выключаются автоматически: при отключении электромагнита 6 – включается первый секундомер, при снятии перегрузков – первый секундомер отключается, второй – включается; отключение второго секундомера происходит, когда груз 3 касается платформы 6.

Целью первой части работы является проверка формул пути и скорости равноускоренного движения (см. формулы 5 и 6). Если начальная скорость тела равна нулю, то:

, (11)

(12)

Из выражения (11) видно, что если ускорение тела постоянно, то путь S, пройденный телом за время t, должен быть пропорционален квадрату времени t2, то есть:

. (13)

Для проверки этого соотношения проводят несколько измерений времени прохождения грузов 3 различных путей S (меняется каждый раз расстояние от исходного положения груза 3 до кольцевой платформы). Если на груз 3 положить добавочный груз 5 массой m, то на каждый груз 3 и 4 будут действовать две силы – сила тяжести и сила натяжения нити, под действием которых грузы начнут двигаться. Предполагая, что нить и блок не имеют массы, нить нерастяжима, а сила трения очень мала, получим, что ускорение правого и левого грузов будут одинаковы по величине и противоположны по направлению, а сила натяжения нити одинаковы справа и слева (рис. 2).



















Рис. 2

На основании второго закона Ньютона можно написать для:

груза 3 , (14)

груза 4 . (15)

Находя из этих уравнений ускорение а, получим:

. (16)

Из соотношения (16) видно, что ускорение системы грузов зависит от массы перегрузков. Следовательно, для того, чтобы в различных опытах грузы двигались с одинаковыми ускорениями, масса перегрузков должна быть одинакова.

Измерив, время t прохождения грузами различных путей S, проверяют соотношение (13), а, следовательно, и формулу (11).

Выражение (12) показывает, что скорость тела при постоянном ускорении пропорциональна времени его движения. Следовательно, можно записать:

(17)

При проверке этого соотношения используются замеры времени t прохождения грузом 3 путей S в предыдущем опыте. Соответствующие значения скоростей определяются следующим образом. При прохождении грузом 3 кольцевой платформы добавочный груз снимается и, начиная с этого момента времени, вся система движется по инерции равномерно с той скоростью, которую она приобрела в момент снятия перегрузка, т.е. в конце равноускоренного движения. Чтобы определить эту скорость, необходимо замерить время t/ прохождения грузом 3 пути между платформами 7 и 8. Тогда:

. (18)

Подставляя значения и t в (17), проверяют правильность формулы (12).

Вторая часть работы состоит в проверке основного закона динамики поступательного движения, который при постоянной массе и силе имеет вид:

(19)

Если начальная скорость тела равна нулю, то:

(20)

т.е. изменение скорости за время численно равно скорости тела в момент времени t.

Если в различных опытах масса системы тел одинакова, а сила различна, то, учитывая (19), можно записать:

(21)

Для того, чтобы менять силу, не изменяя массы системы, в каждом опыте используются все добавочные грузы. Перегрузки кладутся и на опускающийся груз 3, и на поднимающийся груз 4 в различных сочетаниях. При этом сила будет определяться разностью масс добавочных грузов на опускающемся и поднимающемся грузах, а масса движущейся системы будет равна сумме масс основных и всех добавочных грузов.

При проведении этих опытов кольцевая платформа устанавливается вплотную к сплошной. Поэтому груз 3 движется равноускоренно от верхнего положения до сплошной платформы, проходя при этом путь h. Измерив время этого движения t и зная путь h, можно вычислить конечную скорость равноускоренного движения по формуле:

(22)

Подставляя значение F , t и в соотношение (21), проверяют основной закон динамики поступательного движения.

Проверка второго закона Ньютона носит приближенный характер, т.к. в расчетах мы пренебрегаем силой трения, массами блока и нити.


Порядок выполнения работы

1. Проверка формул пути и скорости равноускоренного движения

1. Отмечают начальное (верхнее) положение груза 3.

2. Измеряют длину груза 3.

3. Устанавливают кольцевую и сплошную платформы так, чтобы пути S и соответствовали заданным величинам. При этом следует учитывать длину груза 3 и его начальное положение.

4. Грузы 3 и 4 устанавливают в начальное положение. При этом груз 4 должен удерживаться электромагнитом 6.

5. На груз 3 кладут перегрузки 5 (их количество задается преподавателем).

6. Выключают электромагнит, при этом вся система грузов приходит в движение, а секундомеры отмечают время t и t/ так, как описано выше.

7. Показания секундомеров t и t/ записывают в таблицу 1. Опыт повторяется три раза.

8. Повторяют опыт при других расположениях платформ.

9. Результаты измерений записывают в табл. 1.


2. Проверка основного закона динамики.

1. Устанавливают кольцевую платформу на заданное расстояние h. Сплошную платформу закрепляют вплотную под кольцевой.

2. Устанавливают грузы 3 и 4 в начальное положение.

3. На грузы 3 и 4 добавляют перегрузки 5 определенной массы.

4. Выключают электромагнит, и после остановки системы грузов, отсчитывают время t прохождения грузом 3 пути h по показаниям секундомера. Результаты измерений записывают в таблицу 2. Опыт повторяют три раза.

5. Производят аналогичные измерения с помощью различных сочетаний перегрузков, не изменяя их общей массы. Высоту во всех опытах оставляют постоянной. Результаты измерений записывают в табл. 2.


Обработка результатов измерений

1. Проверка формул пути и скорости равноускоренного движения

1. Записываются исходные данные:

масса грузов 3 и 4 M =

масса добавочных грузов m =

начальная скорость


  1. Результаты измерений записываются в табл. 1

Таблица 1



п/п

Проверка формул пути

Проверка формул скорости

Ускорение

S,

м

t,

с

tср,

с

,

с2

,

м

t/ ,

с

,

с



м/с

,

м/с2

,

м/с2

1











































2











































3












































3. Вычисляют средние значения промежутков времени tср и для каждого значения S и .

4. Вычисляют значения скоростей по формуле (18).

5. Вычисляют значения ускорений по формулам (12) и (16) и сравнивают их между собой.

6. По результатам трех опытов значения S и t2 сравниваются между собой согласно формуле (13) и делается вывод о справедливости формулы пути равноускоренного движения.

7. Аналогично предыдущему пункту сравниваются между собой значения и t,согласно формуле (17), делается вывод о справедливости формулы скорости равноускоренного движения.


2. Проверка основного закона динамики поступательного движения

1. Записываются исходные данные:

высота поднятия груза h =

2. Результаты измерений записываются в табл. 2.

Таблица 2

Величина

№ опыта

F, Н

t, с

tср, с

, Н × с

, м/с

1






















2






















3























3. Для каждого опыта вычисляется среднее значение времени tср.

4. Вычисляются значения и скорости по формуле (22) для каждого опыта и полученные результаты также заносятся в табл. 2.

5. Вычисленные значения и , сравниваются между собой, согласно формуле (21), и делается вывод о справедливости основного закона динамики поступательного движения.


Контрольные вопросы

1. Что такое скорость? Как направлен вектор мгновенной линейной скорости?

2. Что называется ускорением?

3. Как связаны между собой скорость и пройденный путь при равномерном прямолинейном движении?

4. Что называется импульсом тела? Как направлен вектор импульса тела?

5. Сформулируйте законы динамики поступательного движения.

6. Чему равна скорость изменения импульса тела, если на тело действует постоянная сила?

7. Дайте описание лабораторной установки.

8. В чем состоит метод проверки формулы пути и скорости равноускоренного движения?

9. Как проверяется основной закон динамики?


Лабораторная работа №2. (Раздел «Электричество»).

Определение сопротивления проводника с помощью мостика Уитстона.




Основные понятия и формулы.

Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов (носителей тока). Ток, обусловленный движением заряженных микрочастиц (электронов в металлах, ионов в электролитах и т.д.), называется током проводимости. Движение макроскопических заряженных частиц, тел называется конвекционным током. За направление тока принято направление движения положительных зарядов. Поэтому ток, обусловленный отрицательными зарядами, направлен против их движения. Вещества, в которых протекание электрического тока не связано с химическими реакциями, называются проводниками первого рода или просто проводниками.

Сила тока J - скалярная физическая величина, равная величине заряда, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

J =. (1)

В случае постоянного тока

J =. (2)

Сила тока измеряется в амперах (А). На практике часто используют единицы тока 1 мА = 10-3 А , 1 мкА =10-6А.

Вектор плотности тока j в данной точке проводника – векторная физическая величина, численно равная величине тока, проходящего через единицу площади проводника, расположенной перпендикулярно к направлению движения положительных зарядов, и направленная в сторону их движения

j=. (3)

Если распределение тока неодинаково, то

j=. (4)


Электродвижущая сила (ЭДС)

Направленное движение зарядов в проводнике, все элементы которого имеют одинаковую температуру, возможно лишь при наличии внутреннего стационарного электрического поля. Это означает, что между концами проводника должна поддерживаться отличная от нуля разность потенциалов. Силы кулоновского взаимодействия не могут это обеспечить, так как они стремятся объединить разноименные заряды, уменьшая разность потенциалов. Кроме того, при протекании электрического тока в проводнике выделяется тепло и, таким образом, происходит необратимая диссипация энергии электрического поля. Учитывая, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда по замкнутому контуру равна 0, для поддержания тока в цепи необходимы иные силы некулоновского происхождения. Эти силы принято называть сторонними силами. Поле сторонних сил не является потенциальным. Природа сторонних сил может быть различной: в генераторах - это сила Лоренца, в гальванических элементах и аккумуляторах - химические реакции, в неоднородных средах - силы, обусловленные диффузией зарядов, и т.д. Сторонние силы действуют на носители тока внутри источников электрической энергии. Характеристикой сторонних сил является их электродвижущая сила (ЭДС). В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура

. (5)

В цепи, где имеются источники тока, носители тока движутся в результирующем поле кулоновских и сторонних сил.


Закон Ома для однородного участка цепи

Однородным называется участок цепи (не путать с однородным проводником), на котором отсутствуют сторонние силы. Иными словами этот участок не содержит источников тока. На однородном участке цепи движение носителей тока происходит под действием кулоновских сил, обусловленных разностью потенциалов на концах данного участка. Если определить электрическое напряжение U, как работу сил результирующего поля по переносу единичного положительного заряда со стороны кулоновских и сторонних сил, то на однородном участке цепи, где действуют одни кулоновские силы, напряжение равно разности потенциалов, т.е.

U =1 - 2. (6)

Влияние среды на движение носителей тока в проводнике характеризуется удельным сопротивлением .

Закон Ома для однородного участка цепи имеет вид

J =, (7)

где R-электрическое сопротивление данного участка цепи.

В случае однородного цилиндрического проводника

R=, (8)

где l, s - соответственно длина и площадь поперечного сечения проводника.

Кроме этого следует учитывать зависимость удельного сопротивления от температуры, которое для широкого диапазона изменения температуры для большинства металлов имеет вид

t = 0 (1 + αt), (9)

где tудельное сопротивление проводника при температуре t 0С;

0 удельное сопротивление проводника при температуре 0 0С;

α термический коэффициент сопротивления проводника;

t температура проводника в 0С.

Эта температурная зависимость сопротивления проводников первого рода широко используется в технике измерения температуры.


Последовательное соединение проводников

Пgroup 307ри последовательном соединении n проводников полное сопротивление участка может быть определено с учётом выражения:

U = U1 + U2 + …+ Un, (10)

являющегося следствием закона

Рис. 1 сохранения энергии.

Совместное решение уравнения (7) и уравнения (10), с учётом того, что ток J одинаков во всех элементах цепи приводит к выражению

R = R1 + R2 +…+ Rn, (11)

поэтому напряжения на отдельных участках цепи Uk пропорциональны сопротивлениям этих участков

.

Параллельное соединение проводников

Пgroup 338ри параллельном соединении проводников (рис. 2) напряжение на каждом из них одно и то же. По закону Ома для однородного участка цепи сила тока в проводнике будет:

Jk = . (12)

Рис. 2

Отсюда следует, что токи в ветвях обратно пропорциональны сопротивлениям

.

Полный ток равен сумме токов, протекающих в каждой из ветвей

J = J1 + J2 +… +Jn. (13)

Заметим, что формула (10) является следствием закона сохранения заряда.

Объединив формулы (9) и (10), нетрудно получить выражение для полного сопротивления R участка цепи из n параллельно соединенных проводников.

. (14)


Закон Ома для неоднородного участка цепи

group 375group 395


Рис. 3а Рис. 3б

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы (например, имеются источники тока), называется неоднородным (рис. 3 а и рис. 3 б). На неоднородном участке цепи напряженность результирующего поля складывается из напряженности электростатического поля и напряженности поля сторонних сил :

= +. (15)

В результате, падение напряжения на участке 1-2 равно разности потенциалов между точками 1 и 2 плюс ЭДС (рис. 3а) и минус ЭДС (рис. 3б):

J (Rн + r) = 1 -2 ε. (16)

Формула (16) выражает закон Ома для неоднородного участка цепи. Здесь (Rн + r)- сопротивления участка цепи, Rн - сопротивление нагрузки, r - сопротивление источника тока. Знак перед ЭДС должен быть согласован с направлением тока (ЭДС положительна, если ток течет внутри источника от минуса к плюсу).
  1   2   3   4   5

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconНаучно-образовательный материал «Разработка научно-образовательных материалов для организации подготовки учащихся 10-11 классов общеобразовательных школ на подготовительных курсах для подготовки к егэ; проведение тестовых занятий»
Разработка научно-образовательных материалов для организации подготовки учащихся 10-11 классов общеобразовательных школ на подготовительных...

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconРеферат Разработаны научно-образовательные материалы для проведения тестовых занятий по физике раздел «Электричество»
Создание ним и ном для проведения тестовых занятий по физике (раздел «Электричество») для учащихся специализированных классов средних...

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconНаучно-образовательный материал «Разработка и апробация научно-методического пособия: \"Современные оздоровительные технологии для учащихся старших классов с отклонениями в состоянии здоровья\" для учителей физической культуры средних школ г. Москвы»
«Разработка и апробация научно-методического пособия: "Современные оздоровительные технологии для учащихся старших классов с отклонениями...

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconХаритонов Д. В. Использование компьютерных тестов для зачета лабораторных работ по физике
Харитонов Д. В. Использование компьютерных тестов для зачета лабораторных работ по физике. // Проблемы информатики в образовании,...

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconНаучно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок»
Научно-образовательный материал предназначен для использования в системе повышения квалификации, профессиональной переподготовки...

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconЛабораторная работа №7
Данное пособие является продолжением цикла лабораторных работ дисциплины "Теоретические основы радиолокации". В него включены две...

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconМетодическое пособие по курсу "Моделирование" для студентов, обучающихся по направлению "Информатика и вычислительная техника" Москва Издательство мэи 2006
Методическое пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по курсу "Моделирование". Первая лабораторная работа посвящена...

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconМетодические рекомендации для студентов по общей и экспериментальной физикЕ. Раздел «механика»
Текст]: Методическая разработка / Сост.: А. В. Тюков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. – Бийск : бпгу им. В. М. Шукшина, 2009....

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconМетодические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Основы автоматизированного проектирования»
Лабораторная работа №

Научно-образовательный материал «Разработка цикла лабораторных работ по физике для учащихся 10-11 классов» Москва 2011 Лабораторная работа 1 раздел «Механика» iconУчебные пособия, методические указания, лабораторные работы по физике. 11 кл
В пособии приведён теоретический материал, описание лабораторных работ, методические указания к их выполнению, а также приложения,...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница