Опыт 4: Колебания пружины с грузиками
Описание опыта
В этом опыте мы изучим колебания пружины с грузиками разной массы. Узнаем, как масса груза влияет на период колебаний и проверим закон Гука!
Пружинный маятник - это груз, подвешенный на пружине, который может колебаться вверх-вниз.
Период колебаний T - это время, за которое груз совершает одно полное колебание (вниз и вверх).
Формула периода: T = 2?v(m/k)
где T - период, m - масса груза, k - жесткость пружины.
Что нам понадобится:
• Пружина (можно взять от старой игрушки, ручки или купить в магазине)
• Грузики разной массы (гайки, шайбы, монеты в мешочке)
• Секундомер (телефон)
• Линейка для измерения растяжения
• Точка крепления (крючок, дверной косяк, или держать рукой)
• Весы для взвешивания грузиков (если есть)
Видео опыта
Ход работы
Шаг 1: Подготовка пружины
1. Закрепляем верхний конец пружины на крючке или держим рукой
2. Измеряем длину пружины без груза (например, L? = 10 см)
3. Проверяем, что пружина может свободно растягиваться и сжиматься
4. Отмечаем начальное положение нижнего конца пружины
Важно! Пружина должна быть не слишком жесткой и не слишком мягкой.
Шаг 2: Первое измерение с легким грузом
1. Подвешиваем к пружине легкий груз (например, 1 гайку массой ?20 г)
2. Ждем, пока груз успокоится и займет положение равновесия
3. Измеряем новую длину пружины (например, L? = 12 см)
4. Растяжение пружины: ?L? = L? - L? = 12 - 10 = 2 см
5. Немного оттягиваем груз вниз (на 2-3 см) и отпускаем
6. Груз начинает колебаться вверх-вниз!
Шаг 3: Измерение периода колебаний
1. Запускаем секундомер, когда груз проходит нижнее положение
2. Считаем 10 полных колебаний (вниз-вверх = 1 колебание)
3. Останавливаем секундомер (например, время t? = 8,5 секунды)
4. Вычисляем период: T? = t? / 10 = 8,5 / 10 = 0,85 секунды
5. Записываем результат в таблицу
Совет: считайте именно 10 колебаний для точности!
Шаг 4: Измерение с более тяжелым грузом
1. Добавляем еще один груз (теперь 2 гайки, масса ?40 г)
2. Ждем, пока система успокоится
3. Измеряем новую длину пружины (например, L? = 14 см)
4. Растяжение: ?L? = 14 - 10 = 4 см (в 2 раза больше!)
5. Оттягиваем груз и отпускаем
6. Измеряем время для 10 колебаний (например, t? = 12,0 секунды)
7. Вычисляем период: T? = 12,0 / 10 = 1,20 секунды
8. Замечаем: период увеличился! Тяжелый груз колеблется медленнее.
Шаг 5: Измерение с самым тяжелым грузом
1. Добавляем третий груз (3 гайки, масса ?60 г)
2. Измеряем длину пружины (например, L? = 16 см)
3. Растяжение: ?L? = 16 - 10 = 6 см
4. Измеряем время для 10 колебаний (например, t? = 14,7 секунды)
5. Вычисляем период: T? = 14,7 / 10 = 1,47 секунды
6. Вывод: чем тяжелее груз, тем больше период колебаний!
Таблица результатов
Пример измерений:
Опыт 1: масса = 20 г, растяжение = 2 см, время 10 колебаний = 8,5 с, период T = 0,85 с
Опыт 2: масса = 40 г, растяжение = 4 см, время 10 колебаний = 12,0 с, период T = 1,20 с
Опыт 3: масса = 60 г, растяжение = 6 см, время 10 колебаний = 14,7 с, период T = 1,47 с
Проверка закона Гука
Закон Гука: сила упругости пропорциональна растяжению F = k ? ?L
Проверим: если масса увеличилась в 2 раза (с 20 г до 40 г), растяжение тоже увеличилось в 2 раза (с 2 см до 4 см)
Это подтверждает закон Гука - пружина растягивается пропорционально силе!
Выводы из опытов
1. Период зависит от массы груза
Чем тяжелее груз, тем больше период (медленнее колеблется). Если массу увеличить в 4 раза, период увеличится в 2 раза.
2. Растяжение пропорционально массе
Это закон Гука: чем тяжелее груз, тем сильнее растягивается пружина. Зависимость линейная.
3. Период зависит от жесткости пружины
Жесткая пружина колеблется быстрее (меньший период), мягкая - медленнее (больший период).
Интересные факты о пружинах
Роберт Гук открыл свой знаменитый закон в 1660 году, изучая пружины для карманных часов. Он зашифровал открытие анаграммой, чтобы никто не украл идею
Пружинные весы работают по закону Гука - чем тяжелее предмет, тем сильнее растягивается пружина. Стрелка показывает величину растяжения
В автомобилях пружины в подвеске смягчают удары от неровностей дороги. Без них каждая кочка ощущалась бы как сильный толчок
Батут - это большая пружина! Когда вы прыгаете, батут растягивается и накапливает энергию, а потом подбрасывает вас вверх
Пружины в матрасе помогают равномерно распределить вес тела. Хороший матрас содержит сотни маленьких пружин
Игрушка "слинки" (пружинка, которая "ходит" по ступенькам) демонстрирует волновое движение в пружине. Это любимая игрушка физиков
Где это пригодится в жизни?
1. Весы
Пружинные весы (безмены) используют закон Гука для измерения массы. Растяжение пружины прямо пропорционально весу предмета.
2. Автомобили
Подвеска автомобиля состоит из пружин и амортизаторов. Они поглощают удары от неровностей дороги, делая поездку комфортной.
3. Часы
Механические часы используют спиральную пружину (волосок) для регулирования хода. Колебания пружины задают точный ритм.
4. Спорт и развлечения
Батуты, пого-стики, эспандеры - все работают на пружинах. Они накапливают энергию при сжатии и отдают при разжатии.
5. Мебель
Диваны, кресла, матрасы содержат пружины для комфорта. Пружины распределяют нагрузку и возвращают форму после использования.
6. Инструменты
Динамометры (приборы для измерения силы) работают на пружинах. Сила растягивает пружину, и по растяжению определяют величину силы.
7. Игрушки
Заводные игрушки, пружинки-слинки, прыгающие мячики - пружины делают игрушки интересными и динамичными.
Вывод
В результате опыта мы изучили колебания пружины с грузиками разной массы и выяснили, что период колебаний увеличивается с увеличением массы груза. Мы проверили закон Гука и убедились, что растяжение пружины пропорционально приложенной силе. Пружинный маятник - это важная физическая система, которая используется в весах, часах, автомобильной подвеске и многих других устройствах. Понимание колебаний пружины помогает создавать комфортные и безопасные механизмы!