Карацюба А.А. и др. Исследовательская лабораторная работа «Закон сохранения и превращения энергии»

Предлагаем подробное описание исследовательской лабораторной работы по теме «Закон сохранения энергии», которую можно укомплектовать за 15 минут, имея под рукой крышки от коробов для укладки наружной проводки, проволоку, картон (или кусок жести), уголок ПВХ, шило, шарики от подшипников, весы с разновесами, динамометр и линейку (для удобства можно использовать штатив). Лабораторная работа имеет нестандартный вариант выполнения и, думаем, вызовет интерес у учащихся и преподавателей. Учитель может предложить выполнить либо часть заданий, либо все задания — на сдвоенном занятии, либо провести демонстрационный эксперимент при изучении темы «Закон сохранения и превращения энергии».

Этапы работы

Рис. 1

Задача 1. Определите минимальную высоту, с которой должен быть отпущен шарик, чтобы совершить «мертвую петлю» радиусом R.

Задача 2. В школьном опыте с «мертвой петлей» шарик весом Р отпущен с высоты 3R, где R— радиус петли. С какой силой давит шарик на рельсы в нижней и верхней точках петли?

Задача 3. Шарик скользит по наклонному желобу, который затем переходит в «мертвую петлю» радиусом R(рис. 2). Какова должна быть начальная высота для того, чтобы шарик смог преодолеть «мертвую петлю» с симметрично вырезанной верхней частью?

Рис. 2

Ответ.  при φ = 45°.

Цель работы: проверить выполнение закона сохранения и превращения механической энергии.

Часть 1

1. Измерьте на весах массы шариков.

2. Укрепите с помощью штатива макет «мертвой петли» (см. рис. 1).

3. Измерьте радиус макета «мертвой петли».

4. Пропустите шарики (поочередно) с высоты от 4Rдо такого минимального значения, чтобы шарики смогли преодолеть петлю.

5. Измерьте эту минимальную высоту.

6. Определите коэффициент установки (k = H₁/H,где Н — измеренное значение, H₁— теоретически рассчитанное значение).

7. Проведите аналогичные опыты и вычисления с петлей меньшего радиуса.

8. Данные результатов занесите в таблицу.

9. Постройте графики зависимости Н = Н(т),k = k(m).

10. Проанализируйте полученный результат.

Часть 2

1. Закрепите динамометр в верхней точке петли.

2. Зафиксируйте и измерьте высоту, с которой необходимо пустить шарик, чтобы вес в верхней точке был равен Р. При этом можно ограничиться шариками наибольшей массы, так как для шариков малой массы сложно снять результат из-за недостаточной чувствительности динамометра.

3. Определите коэффициент установки (k = H₁/H,где Н — измеренное значение, Н₁— теоретически рассчитанное значение).

4. Данные результатов занесите в таблицу, аналогичную таблице, приведенной выше.

5. Постройте графики зависимости Н = Н(т),k = k(m).

6. Проанализируйте полученный результат.

{mospagebreak}Выполняя данную часть работы, мы имели возможность использовать при измерениях и расчетах цифровую лабораторию по физике «Архимед». Это новое поколение школьных естественно-научных лабораторий для проведения лабораторных работ, демонстраций, исследований.

Цифровая лаборатория укомплектована карманным персональным компьютером (КПК) (рис. 3) и комплектом датчиков для проведения измерений. Сбор данных осуществляется с помощью измерительного интерфейса («регистратора данных» Tri-link). Особенность этой лаборатории заключается в том, что датчик снимает показания с частотой 500 замеров в секунду, а исходя из этого можно проследить за плавностью изменения силы при перекатывании шарика через петлю. С помощью специального программного обеспечения MultilabPalm, установленного на карманном персональном компьютере, можно произвести построение графика и регистрацию показаний.

Рис. 3

Порядок подготовки установки к работе

Часть 3

1. Пустите шарик с такой высоты, чтобы он не смог осуществить «мертвую петлю» в полной мере, а описал часть петли по желобу, затем часть в воздухе и закончил движение снова по желобу.

2. Заметьте точку, в которой шарик оторвался от петли и далее продолжил движение по ветви параболы.

3. Измерьте высоту, с которой был пущен шарик.

4. Определите коэффициент установки (k = H₁/H,где Н — измеренное значение, H₁ — теоретически рассчитанное значение).

5. Данные результатов занесите в таблицу, аналогичную таблице, приведенной части 1.

6. Постройте графики зависимости Н = Н(т),k = k(m).

7. Проанализируйте полученный результат.

Выводы

При наличии в системе сил трения проявление закона усложняется, что и подтвердилось в ходе проведения и анализа работы. Нашей задачей было выяснить, какие условия являются самыми выгодными с точки зрения минимизации помех.

1. Так как движение вдоль желоба сопровождается трением, закон сохранения энергии на первый взгляд нарушается — уменьшается суммарная энергия, что, естественно, приводит к несоответствию полученных в ходе эксперимента данных теоретически рассчитанным результатам.

2. Кроме помехи в виде силы трения шарика о желоб, необходимо учитывать также силу сопротивления воздуха, которая растет по мере приближения к нижней части горки, так как зависит от скорости движения шарика.

3. Движение вдоль пластмассовой горки сопровождается вибрацией, что также оказывает влияние на результаты эксперимента.

4. В итоге самые качественные опыты получаются с петлей меньшего радиуса и шариками меньшей массы, что связано с меньшей силой трения и меньшей вибрацией петли.

Примечание. В ходе работы нами было построено 12 графиков. Сделан подробный анализ результатов эксперимента. Для наглядности приводим некоторые графики из нашей экспериментальной работы.

График 1 зависимости Н от т к таблице части 1

График 2 зависимости kот т к таблице части 1

Ура!
Закон сохранения энергии выполняется!