Počítačem podporované pokusy z mechaniky

Transkript

1 Počítačem podporované pokusy z mechaniky Seminář , Slovanské gymnázium Olomouc Metodická pomůcka pro učitele fyziky, kteří začínají pracovat se soupravou Vernier Pro vybrané pokusy budeme potřebovat Program a senzory značky Vernier. 2. Newtonův zákon Velikost rychlení a hmotného bodu je přímo úměrná velikosti působící síly F a nepřímo úměrné hmotnosti hmotného bodu m. F a m Odtud vyplývá pohybová rovnice F m a Pomůcky: LabQuest s počítačem a programem LoggerPro, souprava pro dynamiku Verner, čidlo pohybu, kladka s nízkým třením, závaží Postup: 1. Připojíme čidlo polohy na vstup DIG1. Spustíme program LoggerPro. Parametry Sběru dat nastavíme Mód: časová závislost, trvání: 30 sekund, vzorkovací frekvence: 25 vzorků/sekundu. Zvětšíme si graf rychlosti. 2. Sestavíme vozíčkovou dráhu ze soupravy pro dynamiku Vernier. Vozíček bude uveden do pohybu závažím přes kladku s nízkým třením. Hmotnost závaží se bude postupně přidávat po 10 g. 3. Spustíme měření tlačítkem Sběr dat. Po ukončení sběru dat tlačítkem proložíme přímku částí grafu, kterou vybereme myší. Uchováme hodnoty stiskem kláves CTRL+L, přidáme závaží a spustíme další měření. Vozíček uvolníme

2 o trochu později, aby se nám grafy nepřekrývaly. Postup několikrát opakujeme pro zvyšující se hmotnost závaží. 4. Získané hodnoty zrychlení zapíšeme do tabulky spolu s hodnotami působící síly (hmotnost závaží x 9,81 N.kg -1 ) do programu Excel, necháme vykreslit graf a vložit do něj spojnici trendu, lineární regresi. 5. Data uložíme a znovu spustíme program LoggerPro. Postupně budeme zvětšovat hmotnost vozíčku přidáváním závaží, závaží přes kladku necháme 30 g. Měření budeme provádět obdobně jako v bodě Získané hodnoty zrychlení zapíšeme do tabulky spolu s hodnotami hmotnosti vozíku do programu Excel, necháme vykreslit graf a vložit do něj spojnici trendu, mocninnou regresi. 7. Provedeme zhodnocení všech získaných výsledků. V grafech závislostí rychlosti na čase při zvětšující se působící síle je vidět, že se směrnice proložených přímek k částem grafů postupně zvětšují, směrnice je zároveň hodnotou zrychlení. V grafech závislosti rychlosti na čase při zvětšující se hmotnosti je naopak vidět, že se směrnice proložených přímek zmenšují.

3 Po zadání hodnot do Microsoft Excel získáme vykreslené grafy pro závislost zrychlení na působící síle a závislost zrychlení na hmotnosti tělesa. Zrychlení je přímo úměrné působící síle a nepřímo úměrné hmotnosti vozíku. Zápis funkce v druhém grafu ukazuje, že exponent je po zaokrouhlení roven -1, tzn. nepřímá úměra. Konstanta odpovídá stále působící síle odpovídající tíze závaží o hmotnosti 30g

4 3. Newtonův pohybový zákon Dvě tělesa na sebe vždy vzájemně působí stejně velkými silami opačného směru. Tyto síly ve stejném okamžiku vznikají a zanikají Pomůcky: LabQuest s počítačem a programem LoggerPro, dva siloměry, pružina Postup: 1. Připojíme čidla síly na vstupy CH1 a CH2. Spustíme program LoggerPro. Parametry Sběru dat nastavíme Mód: časová závislost, trvání: 10 sekund, vzorkovací frekvence: 100 vzorků/sekundu. 2. Nastavíme změnu názvu sloupce v tabulce Force 1 dvojklikem na název sloupce rozbalíme tabulku, kde vyplníme název siloměr 1 a značku (N). Kliknutím na Záložka Data Nový dopočítaný sloupec Název: siloměr 2, Značka: F, Jednotky: N, Výraz: =1* Force 2. Nastavení grafu (pravé tlačítko myši) V ose y budeme zobrazovat hodnoty siloměr 1 a siloměr 2

5 3. Spojíme siloměry do sebe a vynulujeme je tlačítkem. Siloměry budeme táhnout rukama od sebe a v průběhu měření budeme měnit velikost silového působení. 4. Spustíme měření tlačítkem Sběr dat. Po ukončení sběru dat uchováme hodnoty stiskem kláves CTRL+L. 5. Siloměry připojíme ke koncům pružiny a zopakujeme postup v bodě 3. Spustíme měření. 6. Překreslíme získané grafy a provedeme zhodnocení všech získaných výsledků. Oba siloměry ukazují ve stejném okamžiku stejné hodnoty.

6 Impuls síly Impuls síly I je roven velikosti síly F působící na těleso a doby tohoto působení Δt. Velikost impulsu síly je rovna změně velikosti hybnosti tělesa Δp I F t p Pokud budeme mít graf závislosti velikosti působící síly na čase, bude hodnota impulsu síly číselně rovna obsahu ploch pod grafem. Pomůcky: LabQuest s počítačem a programem LoggerPro, plošný siloměr Postup: 1. Připojíme plošný siloměr na vstup DIG1. Spustíme program LoggerPro. Parametry Sběru dat nastavíme Mód: časová závislost, trvání: 10 sekund, vzorkovací frekvence: 500 vzorků/sekundu. 2. Spustíme měření tlačítkem Sběr dat. Postavíme se na siloměr, odrazíme se do výskoku, po dopadu chvilku stojíme v klidu a potom uděláme dva dřepy. 3. Popíšeme jednotlivé části grafu, jaký druh pohybu je na něm zachycen, 4. Určíme velikost plochy pod tou částí grafu, kde je zachycen odraz před výskokem. Z toho určíme velikost impulsu síly.

7 Hydrostatický tlak Na kapalinu v tíhovém poli Země působí tíhová síla. Tíha kapaliny způsobuje hydrostatickou tlakovou sílu. Působením této síly na plochu pod volným povrchem kapaliny vytváří hydrostatický tlak. p h g h K p h - hydrostatický tlak, h - hloubka pod volným povrchem kapaliny, ρ K - hustota kapaliny, g - tíhové zrychlení Pomůcky: LabQuest s počítačem a programem LoggerPro, senzor tlaku plynu GPS-BTA, odměrné válce, izolepa, špejle, pravítko, nůžky Postup: 1. Připojíme senzor tlaku plynu na vstup CH1. Spustíme program LoggerPro. Sběr dat bude nastaven v modu události se vstupy. 2. Izolepou přilepíme pravítko k odměrnému válci tak, abychom mohli odečítat hloubku pod hladinou. K hadičce připevněné k senzoru tlaku plynu přilepíme izolepou špejli, abychom ji mohli ponořit pod hladinu. 3. Spustíme měření tlačítkem Sběr dat a Zachovat. Doplníme hloubku konce hadičky pod hladinou. Ponoříme hlouběji a měření opakujeme.

8 4. Vykreslíme graf. Tlačítkem Proložit přimku získáme směrnici přímky, pomocí které ověříme platnost vztahu pro výpočet hydrostatického tlaku. Velikost směrnice musí odpovídat součinu tíhového zrychlení a hustoty kapaliny.

9 Archimédův zákon Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou, která je rovna tíhové síle působící na kapalinu tělesem vytlačenou. F V g vz T K F vz - vztlaková síla, V T - objem ponořené části tělesa, ρ K - hustota kapaliny, g - tíhové zrychlení Pomůcky: LabQuest s počítačem a programem LoggerPro, senzor síly DFS-BTA, železný a hliníkový kvádr s plastovým pouzdrem ze soupravy Mechanika 1, odměrné válce Postup: 1. Připojíme siloměr na vstup CH1. Spustíme program LoggerPro. Sběr dat bud nastaven v modu vybrané události. 2. Na stativ připevníme senzor síly a na něj zavěsíme žluté pouzdro na tělesa tvaru kvádru ze soupravy Mechanika 1. Vynulujeme senzor. Zavěsíme železný hranolek. 3. Senzorem síly změříme tíhovou sílu působící na těleso. Spustíme měření tlačítkem Sběr dat a Zachovat. V tabulce se objeví hodnota. 4. Pod stativ dáme odměrný válec s vodou tak, aby hranol byl ponořený, Zaznamenáme hodnotu. Potom nalijeme vodu do pouzdra a opět zaznamenáme hodnotu. 5. Porovnáme velikost prvního a třetího měření. Výsledek porovnáme s teorií. Opakujeme s hliníkovým hranolkem.

10 První a třetí hodnota jsou stejné, ocelový hranol a ocelový hranol ponořený ve vodě a pouzdro s vodou. Rozdíl první a druhé hodnoty je velikost vztlakové síly 0,2 N. Měření 4 6 je s hliníkovým hranolem. Protože oba hranolky měly stejný objem, působila na ně stejná vztlaková síla.