Опыт 3: Сила упругости. Закон Гука
Описание опыта
В этом опыте мы изучим силу упругости и проверим закон Гука. Узнаем, как растяжение пружины зависит от приложенной силы (массы груза)!
Сила упругости - это сила, с которой пружина сопротивляется растяжению или сжатию.
Закон Гука: сила упругости прямо пропорциональна удлинению пружины.
Формула: F = k ? ?L
где F - сила упругости, k - жесткость пружины, ?L - удлинение (растяжение) пружины.
Что нам понадобится:
• Пружина (можно от игрушки, ручки или купить в магазине)
• Грузики известной массы (гайки, шайбы, монеты в мешочке)
• Линейка для измерения длины пружины
• Точка крепления (крючок, дверной косяк)
• Весы для взвешивания грузиков (если есть)
• Бумага и ручка для записи результатов
Видео опыта
Ход работы
Шаг 1: Измерение начальной длины пружины
1. Закрепляем верхний конец пружины на крючке или дверном косяке
2. Пружина висит свободно, без грузов
3. Прикладываем линейку и измеряем длину пружины от точки крепления до нижнего конца
4. Записываем начальную длину L? (например, L? = 8 см)
5. Можно отметить положение нижнего конца карандашом на стене
Важно! Измеряем именно от точки крепления до самого низа пружины.
Шаг 2: Первое измерение с одним грузом
1. Подвешиваем к нижнему концу пружины один груз (например, гайку массой m? = 20 г)
2. Ждем, пока пружина перестанет колебаться и займет устойчивое положение
3. Измеряем новую длину пружины L? (например, L? = 10 см)
4. Вычисляем удлинение: ?L? = L? - L? = 10 - 8 = 2 см
5. Записываем результат в таблицу: масса 20 г, удлинение 2 см
Шаг 3: Второе измерение с двумя грузами
1. Добавляем второй груз (теперь 2 гайки, общая масса m? = 40 г)
2. Ждем, пока пружина успокоится
3. Измеряем длину пружины L? (например, L? = 12 см)
4. Вычисляем удлинение: ?L? = L? - L? = 12 - 8 = 4 см
5. Замечаем: масса увеличилась в 2 раза (с 20 г до 40 г), и удлинение тоже увеличилось в 2 раза (с 2 см до 4 см)!
6. Записываем: масса 40 г, удлинение 4 см
Шаг 4: Третье измерение с тремя грузами
1. Добавляем третий груз (3 гайки, масса m? = 60 г)
2. Измеряем длину пружины L? (например, L? = 14 см)
3. Вычисляем удлинение: ?L? = L? - L? = 14 - 8 = 6 см
4. Снова видим закономерность: масса в 3 раза больше > удлинение в 3 раза больше!
5. Записываем: масса 60 г, удлинение 6 см
Шаг 5: Четвертое измерение с четырьмя грузами
1. Добавляем четвертый груз (4 гайки, масса m? = 80 г)
2. Измеряем длину пружины L? (например, L? = 16 см)
3. Вычисляем удлинение: ?L? = L? - L? = 16 - 8 = 8 см
4. Закономерность подтверждается: масса ? 4 > удлинение ? 4
5. Записываем: масса 80 г, удлинение 8 см
Важно! Не перегружайте пружину, иначе она может деформироваться!
Таблица результатов
Начальная длина пружины L? = 8 см
Опыт 1: масса = 20 г, длина = 10 см, удлинение ?L = 2 см
Опыт 2: масса = 40 г, длина = 12 см, удлинение ?L = 4 см
Опыт 3: масса = 60 г, длина = 14 см, удлинение ?L = 6 см
Опыт 4: масса = 80 г, длина = 16 см, удлинение ?L = 8 см
Построение графика
Если построить график зависимости удлинения от массы груза, получится прямая линия!
Это доказывает закон Гука: удлинение прямо пропорционально силе (массе груза).
По графику можно определить жесткость пружины k.
Расчет жесткости пружины
Жесткость пружины k показывает, насколько "тугая" пружина.
Формула: k = F / ?L = (m ? g) / ?L
Для нашего примера (масса 20 г = 0,02 кг, удлинение 2 см = 0,02 м):
k = (0,02 кг ? 10 м/с?) / 0,02 м = 0,2 Н / 0,02 м = 10 Н/м
Жесткость нашей пружины k = 10 Н/м
Проверка закона Гука
Закон Гука выполняется, если отношение массы к удлинению постоянно:
Опыт 1: 20 г / 2 см = 10 г/см
Опыт 2: 40 г / 4 см = 10 г/см
Опыт 3: 60 г / 6 см = 10 г/см
Опыт 4: 80 г / 8 см = 10 г/см
Отношение постоянно! Закон Гука подтвержден экспериментально!
Интересные факты о силе упругости
Роберт Гук открыл свой закон в 1660 году, но опубликовал его в виде анаграммы "ceiiinosssttuv", что расшифровывается как "Ut tensio, sic vis" (каково удлинение, такова и сила)
Закон Гука работает не только для пружин, но и для резинок, тросов, балок в зданиях. Все упругие материалы подчиняются этому закону
У каждой пружины есть предел упругости - если растянуть слишком сильно, она деформируется навсегда и закон Гука перестанет работать
Пружинные весы (безмены) работают именно по закону Гука - стрелка показывает удлинение пружины, которое пропорционально весу предмета
В космосе закон Гука работает точно так же! Пружины в космических аппаратах используются для амортизации и измерения сил
Самая жесткая пружина в мире сделана из вольфрама и может выдержать нагрузку в несколько тонн, растянувшись всего на миллиметр
Где это пригодится в жизни?
1. Весы и измерительные приборы
Пружинные весы (безмены) используют закон Гука для измерения массы. Динамометры измеряют силу по растяжению пружины.
2. Автомобильная подвеска
Пружины в подвеске автомобиля смягчают удары от неровностей дороги. Инженеры рассчитывают жесткость пружин по закону Гука.
3. Строительство
Балки и колонны в зданиях работают как пружины - они немного деформируются под нагрузкой. Инженеры используют закон Гука для расчета прочности.
4. Спортивный инвентарь
Батуты, эспандеры, луки для стрельбы - все работают по закону Гука. Чем сильнее растягиваешь, тем больше сила упругости.
5. Медицина
Ортопедические матрасы и стельки используют пружины для поддержки тела. Жесткость подбирается индивидуально по закону Гука.
6. Часы
Механические часы используют спиральную пружину (волосок). Её упругие свойства обеспечивают точный ход часов.
7. Игрушки
Заводные игрушки, пружинки-слинки, рогатки - везде используется сила упругости и закон Гука.
Вывод
В результате опыта мы экспериментально проверили закон Гука и убедились, что удлинение пружины прямо пропорционально приложенной силе (массе груза). Мы измерили удлинение пружины при разных нагрузках, построили таблицу результатов и вычислили жесткость пружины. Закон Гука - один из фундаментальных законов физики, который используется в весах, автомобилях, строительстве, спорте и многих других областях. Понимание силы упругости помогает создавать надежные и безопасные конструкции!