Лабораторная работа № 14. Кинематика Инструкция по выполнению работы
Автор: drug | Категория: Естественные науки / Физика | Просмотров: | Комментирии: 0 | 04-01-2013 18:26
Лабораторная работа № 14. Кинематика
Инструкция по выполнению работы

Цель работы: Научиться разрабатывать экспериментальные установки, проводить опыты по кинематике прямолинейного движения.
Задание 1. Изучите по школьному учебнику тему «Основы кинематики». Повторите основные знания, которые должны быть усвоены учащимися в этом разделе и выпишите формулировки их суждений в тетрадь (смотри названия опытов в задании 3).
Задание 2. Изучите по описаниям и инструкциям следующие приборы:
1) секундомер электромеханический демонстрационный СЭД с приставками;
2) счетчик-секундомер электронный школьный ССЭШ;
3) прибор по кинематике и динамике;
4) метроном;
5) машина Атвуда электрифицированная.

Задание 3. Разработайте принципиальные схемы и смонтируйте с помощью имеющихся приборов экспериментальные установки для следующих опытов:
1. Равномерное движение.
2. Относительность движения (относительность траектории, скорости);
3. Определение мгновенной скорости;
4. Подтверждение соотношения путей, пройденных за равные проме-жутки времени при равноускоренном движении;
5. Определение ускорения свободного падения;

Задание 4. Подготовьтесь к проведению экспериментов с собранными ЭУ по следующему плану:
1. Цель эксперимента;
2. Разработка метода эксперимента;
3. Проектирование и конструирование ЭУ (или описание готовой ЭУ);
4. Составление плана проведения эксперимента;
5. Анализ полученных результатов;
6. Формулирование вывода из опыта;
7. Формулирование эмпирического вывода;
8. Теория эксперимента.

Задание 5. Подготовьте письменный отчет по выполнению лабораторной работы, включив в него:
1. Название работы; Цель работы;
2. Результаты выполнения задания №1;
3. Результаты выполнения задания 2;
4. Рисунки принципиальных схем спроектированных ЭУ;
5. Описание экспериментов по указанному в задании 4 плану с рисунками ЭУ.


Описания приборов, используемых в теме
Секундомер электромеханический демонстрационный СЭД (рис.1)служит для измерения времени от 0 до 12 с. с точностью до 0,01 с; прибор применяют также в качестве датчика времени. Секундомер питается от сети переменного тока напряжением 220 или 127 В. На лицевой панели прибора смонтированы выключатель сети, переключатель рода работы на два положения («Секундомер», «Датчик»), зажимы «Вход» и «Выход». Большая шкала содержит 100 делений (цена деления 0,01 с), а малая—12 делений (цена де-ления 1 с). Две красные стрелки служат для установки времени, когда прибор работает в режиме датчика. На верхней крышке корпуса смонтированы две кнопки: «Пуск», «Установка нуля». Для работы прибора в режиме секундомера переключатель рода работы устанавливают в положение «Секундомер». После установки ключа в положение «Вкл» начинает работать электродвигатель прибора, шум которого слышен достаточно хорошо. Нажатием кнопки «Установка нуля» включают привод, вращающий черные стрелки. Стрелки вращаются до момента установки на нуль. Так прибор приводится в исходное положение. При нажатии на кнопку «Пуск» или при замыкании зажимов «Вход» начинается отсчет времени. Стрелки ос-танавливаются сразу же после отпускания кнопки «Пуск» или размыкания за-жимов «Вход». Для установки прибора в исходное положение нужно вновь крат-ковременно нажать кнопку «Установка нуля».

Рис.1
Для применения прибора в качестве датчика времени переключатель рода работы устанавливают в положение «Датчик». С помощью ручки управления красными стрелками устанавливают значение секунд и сотых долей секунды интервала времени, который должен отсчитать секундомер. Нажатием кнопки «Пуск» начинается отсчет установленного интервала времени, остановка стрелок осуществляется автоматически. Во время отсчета зажимы «Выход» будут замкну-тыми.

Счетчик-секундомер электронный школьный ССЭШ (рис.2) преднзначен для измерения времени от 0 до 9,99 с. с точностью до 0,01 с, а также для отсчета электрических импульсов или замыканий от 1 до 999. Секундомер питается от сети переменного тока напряжением 220 или 127 В. На лицевой панели прибора смонтированы сетевой выключатель, сигнальная лампочка, переключатель рода работы, кнопки «Сброс» и «Пуск», входные зажимы, окна декатронов.
На кольцевых обрамленьях декатронов нанесены шкалы от 0 до 9; над обрамленьями даны обозначения XI, Х0,1, Х0.01, служащие соответственно для отсчета
секунд, десятых и сотых долей секунды. Счетчик-секундомер работает в трех ре-жимах: «Электрические импульсы», «Секунды», «Механические замыкания». Ра-боту счетчика проверяют следующим образом. Включают вилку прибора в сеть, устанавливают тумблер в положение «Вкл» (при этом загорается сигнальная лампа). После прогрева ламп нажимают кнопку «Сброс», при этом разряд (светящаяся точка) на всех декатронах должен установиться против деления «О». Переключатель рода работы устанавливают в положение «Механические замыкания». При каждом нажатии на кнопку «Пуск» или при замыкании зажимов «Вход» на первом справа декатроне разряд перескакивает на следующее деление. Так осуществляется счет замыканий до 999. При нажатии на кнопку «Сброс» прибор переходит в исходное положение. Затем переключатель устанавливают в положение «Секунды». При нажатии на кнопку «Пуск» или при замыкании зажимов «Вход» секундомер начинает отсчитывать время. При отпускании кнопки (или размыкании зажимов) отсчет времени прекращается.

Рис.2
Счетчик-секундомер комплектуют тремя панелями, две из которых имеют подвижные площадки и по два зажима, на третьей смонтирован электро-магнит, четыре зажима и выключатель. При установке площадки в исходное положение (перпендикулярно панели) смонтированные внутри одной панели контакты размыкаются (панель НО с нормально отомкнутыми контактами), у другой панели (НЗ с нормально замкнутыми контактами) контакты замыкаются. Контакты соединены с зажимами. Все панели снабжены стержнями, с помощью которых они укрепляются в муфтах шта¬тива.
Панели НО и НЗ применяют в том случае, если необходимо автомати-чески определить время движения тела на определенном участке. На концах этого участка устанавливают панели с взведенными площадками. Движущееся тело поочередно сбивает площадки, что приводит вначале к замыканию цепи секундомера, а затем к ее размыканию.
Панель с электромагнитом снабжена двухполюсным переключателем, который одновременно или включает электромагнит и размыкает зажимы СП, или отключает электромагнит и замыкает зажимы СП. Питание к электромагниту подводят от аккумулятора или выпрямителя ВС-4-12 через зажимы «4 В».
Прибор по кинематике и динамике с движущейся тележкой. Прибор (рис.3) состоит из штанги длиной 121 см, на одном конце которой закреплена обойма 2 с блоком, а на другом — крон¬штейн 3. Между обоймой и кронштейном сверху натянута струна 4 диаметром 3 мм. Струна лежит на трех винтах, устанавливающих возможность ее прогиба. По этой проволоке, как по направляю¬щей, перемещается двухколесная тележка 5, имеющая массу 240 г.
На кронштейне сверху укреплен крючок 6, удерживающий те¬лежку в начальном положении, а на обойме — стопор 7, задержи¬вающий тележку в конце пути и не дающий ей соскакивать с на¬правляющей проволоки. Через блок в обойме перекидывается нить со столиком массой 3 г, на которую кладутся перегрузки.
Прибор снабжен откидной стойкой 8, предназначенной для его установки на столе в рабочем положении, и съемной ручкой 9 для закрепления прибора в муфте лабораторного штатива.
В обойме блока имеется вырез для подвешивания металлическо¬го стержня 10 с надетым на него передвижным столом 11 для оста¬новки груза в той или иной точке пути при определении мгновенной скорости и при проверке закона скоростей.

Рис. 3 Рис. 4
В корпусе тележки (рис. 4) вмонтирован ударник, который со¬стоит из бойка 12 с пружиной и рычага 13. Для взвода механизма ударника нужно утопить вы-ступающий конец бойка в корпус те¬лежки и зафиксировать его в этом положении с помощью рычага, в который должен упираться торец утопленного бойка. При движении тележки конец рычага задевает за фиксатор 14 и поворачива¬ется, боек освобождается и ударяет о корпус тележки, производя хорошо слышимый щелчок. В комплект прибора, кроме штанги с закрепленными на ней де¬талями, входят:
1) двухколесная тележка массой 240 г;
2) два груза, по 120 г каждый;
3) площадка для перегрузков массой 3 г;
4) два перегрузка, по 3 г каждый;
5) съемный стержень для крепления прибора в муфте штатива;
6) передвижной столик к стержню;
7) фиксатор;
8) прочная нить длиной 1,5 м.
Перед выполнением опытов прибор ставят у края стола так, что¬бы нить с площадкой не задевала за крышку стола. Устойчивость прибора обеспечивается откидной стойкой 8, откинутой вперед до упора, и лабораторным штативом, в который закрепляется стер¬жень 9. Высота прибора рассчитана таким образом, чтобы груз, привязанный к нити, опускаясь ниже стола, касался пола в момент, когда тележка пройдет всю длину струны и достигнет стопора.

Метроном предназначен для громкого отсчета равных промежутков времени порядка секунды. Прибор представляет собой часовой механизм, снабженный ударником (рис.5). Маятник механизма в виде стальной

Рис.5
полосы выступает из корпуса вверх. На маятнике находится передвижной груз, позволяющий менять частоту колебаний в пределах от 40 до, 208 ударов в минуту. За маятником расположена вертикальная шкала, позволяющая установить движок в соответствии с выбранной частотой колебаний. Сбоку на корпусе имеется ключ. Чтобы завести пружину механизма, нужно сделать 4—5 оборотов по направлению часовой стрелки.
При хранении движок опускают вниз, конец маятника убирают под планку, укрепленную выше шкалы, а затем закрывают крыш

Машина Атвуда электрифицированная. Прибор (рис.6) предназначен для демонстрации опытов при изучении раздела «Механика» в средней школе.



Рис.7 Рис. 6А





Рис. 6



С помощью прибора можно проводить, опыты по определению мгновенной скорости и ускорения при сво¬бодном падении, а также демонстрировать закон путей для равноускоренного движения и зависимость ускорения от действия на тело силы, а также от массы тела.
Прибор (рис.6) состоит из следующих основных узлов и деталей: шка¬лы, узла блока, пускателя, приемного столика, подвижного кольца, грузов, под-ставки.
Шкала (1) с сантиметровыми делениями, градуированная часть которой составляет 860 мм, имеет на обратной стороне паз с двумя токоведущими шинами через которые, с помощью прием¬ного столика, включается и выключается счетчик-секундомер.
В нижней части шкалы имеется колодка (рис.6А), клеммы 1 и 2 кото¬рой служат для подключения секундомера, а клеммы 3 и 4 для подключения выпрямителя.
В верхней части шкалы укреплены две колодки для подклю¬чения пускате-ля.
Узел блока (2) состоит из блока 140 мм и кронштейна. По диаметру блока имеется проточка, по которой перемещается леска. На боковой части блока проставлена его масса.
Электромагнитный пускатель (3) (рис.7) служит для пуска и остановки грузов, а также для сброса шарика.
Приемный столик (4) (рис.6) предназначен для разрыва цепи счетчика-секундомера и прекращения отсчета времени в момент удара грузом или шариком по чашке столика.
Подвижное кольцо (5) предназначено для включения отсчета времени после того, как груз, проходя через кольцо с помощью перегрузка 4 г, надетого на него, замкнет полукольца на подвиж¬ном кольце.
Набор грузов состоит из двух грузов, соединенных леской. Каждый из грузов состоит из двух цилиндров с полостями для засыпки дроби при тарировке. На грузах имеется маркировка «П» - правый и «Л» -левый. Подставка (7) состоит из двух опор, которые крепятся к шкале с помощью винта и гайки.

Варианты опытов по теме

Опыт 1. Равномерное движение

Вариант 1. Оборудование: (рис.8) трубка стеклянная с на¬клеенной полосой белой бумаги вдоль трубки, шта¬тив универсальный, блок, грузы на нити, линейка де¬монстрационная, тушь, кисть или фломастер, губка, метроном.
Вариант 2. Оборудование: (рис.9) стеклянная трубка, закрытая с обоих кон-цов пробками и наполненная водой так, что в ней имеется небольшой пузырек воздуха; тушь, кисть (или фломастер), метроном, линейка.
Вариант 3. Оборудование: (рис.10 и рис.11) тележка с крючком для крепления нити с грузом, блок, сосуд-капельница, линейка
Вариант 4. Оборудование: (рис.6) машина Атвуда (смотри описание прибора).

Рис.9 Рис.10

Рис.8 Рис.11

Опыт 2. Относительность движения

Вариант 1: Оборудование: штатив универсальный, желоб, два шара с разным покрытием (гладкий и шероховатый), которые вместе скатывают по желобу, сначала поставив впереди один, потом - поменяв местами.
Изучают движения шариков относительно желоба и относительно друг друга, сравнивают, делают вывод об относительности скорости движения.
Вариант 2: Оборудование: (рис.12,13,14) диск с осью, линейка, мел.
Изучают движение куска мела относительно линейки и относительно диска. Делают вывод об относительности траектории движения.
В опыте, изображенном на рисунке 14 изучают движение куска мела относительно доски и относительно диска.
Вариант 3: Оборудование: (рис.15) желоб с осью, шарик, доска наклонная.
При вращении желоба как указано стрелкой изучают движение шарика относительно желоба и относительно доски, сравнивают, делают вывод об относительности траектории движения.






Рис.12 Рис.13





Рис. 14 Рис. 15

Опыт 3. Сложение перемещений





Рис.16 (а,б,в)

Вариант 1: Оборудование: (рис.16) доска с колесиками, тележка, указатели, линейка.
Двигают одновременно доску и тележку в первом случае в одну сторону, а в другом случае в разные стороны. Измеряют с помощью указателей перемещения доски относительно стола, тележки относительно доски и тележки относительно стола. Выводят правило нахождения перемещения тела при его одновременном движении в разных системах отсчета.
Вариант 2: Оборудование: (рис.17) трубка с вязкой жидкостью, шарик.
При одновременном движении трубки и шарика в ней (направления движе-ний перпендикулярны) выводят правило сложения перемещений и скоростей для данного случая.
Вариант 3: Оборудование: (рис.18) шарик на длинной нити, подвешенной к верхней части классной доски, указка.
Вариант 4: Оборудование: (рис.19) один штатив с крючком у основания и кольцом наверху, другой штатив с крючком наверху, груз на длинной нити.



Рис.18 Рис.17


Рис.19

Опыт 3. Определение мгновенной скорости

Вариант 1. Оборудование: (рис.20, 21) желоб, шар (или прибор по кинематике и динамике), секундомер СЭД (или счетчик-секундомер ССЭШ) с приставками НО и НЗ, линейка демонстрационная, штатив универсальный.
Пускают шар с наивысшей точки желоба. При движении шар сбивает площадки, секундомер отсчитывает время, а по линейке определяется расстояние между площадками.

Производят два-три измерения, уменьшая расстояние между площадками примерно до 0,1 м. Рассчитывают мгновенную скорость.



Рис.20


Рис.21

Опыт 4. Равноускоренное движение

Вариант 1: Оборудование: (рис. 22, 23) желоб, шар (или прибор по кинематике и динамике), секундомер СЭД или ССЭШ с электромагнитом и приставкой НЗ, штатив универсальный, линейка демонстрационная.







Рис. 22 Рис.23
Ставят секундомер в исходное положение. Тумблером размыкают цепь электромагнита, секундомер начинает отсчет времени. Шар, скатываясь, ударяет о площадку панели НЗ и размыкает цепь секундомера, который измеряет время движения шарика от электромагнита до площадки, то есть на начальном участке S1.
Затем измеряют время движения шарика от электромагнита до следующих двух положений панели НЗ, рассчитанных в соответствии с известным соотношением путей, пройденных за равные интервалы времени при равноускоренном движении. Определяют время движения шарика на последовательно расположенных путях S2 и S3, убеждаются, что эти интервалы времени одинаковы.

Опыт 5. Определение ускорения свободного падения

Вариант 1: Оборудование: (рис. 24,25) секундомер СЭД или счетчик-секундомер ССЭШ с электромагнитом и приставкой НЗ, шар стальной, штатив универсальный, ящик с песком.
Ставят секундомер в исходное положение. Включают электромагнит и подводят к нему шарик, взводят площадку панели НЗ. После размыкания тумблером цепи электромагнита и срабатывания контактов панели НЗ секундомер отсчитывает время падения шарика примерно с высоты 1 м. По полученным данным определяют ускорение свободного падения.
Вариант 1: Оборудование: машина Атвуда (смотри описание)



Рис. 24 Рис. 25Сочинения курсовыеСочинения курсовые
Не Пропустите: