физическая лаборатория на колёсах

МБОУЛ «ВУВК Им. А.П. Киселева»
«Физическая лаборатория
на колесах»
Ученик 10 «Б» класса
МБОУЛ ВУВК им. А.П. Киселева
Безруков Михаил
Руководитель:
Учитель физики
Кашкина Людмила Викторовна
2012
Воронеж
Содержание
Введение
Определение скорости падения дождевых капель
Определение коэффициента сопротивления движению автомобиля
Определение знаков полюсов аккумулятора автомобиля с помощью 2
проводников и воды
Определение знаков полюсов аккумулятора автомобиля с помощью 2
кусочков медной проволоки и сырой картофелины
Определение знаков полюсов аккумулятора автомобиля с помощью
проводника и компаса
Определение угла наклона шоссе с помощью обруча и секундомера
Определение угла наклона шоссе с помощью динамометра и деревянного
бруска
Список литературы
Заключение
2
Введение
В самом названии «автомобиль» заложена идея скорости («мобиль» – быстрый,
подвижный). «Автомобиль – не роскошь, а средство передвижения» – так
утверждают классики.
А мы попробуем показать, что автомобиль не только средство передвижения, но
и физическая лаборатория на колёсах.
3
Определение скорости падения дождевых капель
Относительно автомобиля капля участвует
в двух движениях одновременно – по
вертикали и по горизонтали.
Результирующая скорость ν направлена под
некоторым углом α к вертикали, причем tg
α равен νa / νx , где νa - скорость
автомобиля, а νx - интересующая нас
скорость падения капли. Тангенс угла α
определим, измеряя катеты в
прямоугольном треугольнике,
образованном следом капли (гипотенуза) и
рамками окна (катеты); скорость
автомобиля можно отсчитать по
спидометру. После этого рассчитаем
скорость νx = νa / tg α.
В нашем случае скорость автомобиля
составила 50 км/ч. Горизонтальный катет –
4,2 см, вертикальный – 1,8 см
tg α равен 2,33 .
Соответственно, скорость движения капли
– 21,459 км/ч.
4
Определение коэффициента сопротивления
движению автомобиля
Разогнав автомобиль, следует отключить двигатель от
ведущих колес и, заметив по спидометру скорость v,
определить с помощью одометра расстояние s,
пройденное автомобилем до остановки.
Приравнивая кинетическую энергию автомобиля
работе сил сопротивления, mv²/2m = mg µs, находим
коэффициент сопротивления движению: µ = v²/2gs.
Погрешность измерения расстояния одометром
составляет 50 м (половина шкалы измерения).
Стрелка спидометра позволяет найти скорость с
погрешностью около 2 км/ч.
Таким образом, погрешность определения
коэффициента сопротивления составляет 2∆v/v +
2∆s/s = 2∙2км/ч/60 км/ч + 50м/530м = 0,16 = 16%
После набора скорости в 50 км/ч коробка передач
переведена в нейтральное положение.
Автомобиль двигался по инерции до полной
остановки 530 м.
µ = (16,67 м/с)²/(2∙9,8м/с²∙530м) = 0,027 ± 16%
5
Определение знаков полюсов аккумулятора
автомобиля с помощью 2-х проводников и воды
Соединим проводники с полюсами батареи
и опустим свободные концы в стакан с
водой. В стакане начнется электролиз воды,
который можно наблюдать по пузырькам
газов, выделяющихся на погруженных в воду
концах проводников. Так как молекула воды
состоит из двух атомов водорода и лишь
одного атома кислорода, а при равных
давлениях равные объемы должны
содержать одинаковое число молекул газа,
водорода при электролизе должно
выделяться в два раза больше. Поэтому,
посмотрев, на каком электроде видно
больше пузырьков, легко установить, где
выделяется газообразный водород. После
этого нетрудно узнать, с каким полюсом
соединен соответствующий проводник,
поскольку ионы водорода имеют
положительный заряд и этот газ должен
выделяться на катоде.
6
Определение знаков полюсов аккумулятора
автомобиля с помощью 2-х кусочков медной
проволоки и сырой картофелины
Присоединим медные проводники к
выводным клеммам аккумулятора, а
свободные концы воткнем в
картофелину. Проходя по ней,
электрический ток вызовет
электролиз содержащейся в
картофелине воды. В результате этого
процесса, вблизи проводника,
ведущего к отрицательному полюсу
батареи, будет выделятся водород, а
около соединенного с
положительным полюсом –
кислород. Взаимодействуя с медью,
кислород образует окислы и
гидроокислы меди, ионы которых
окрашивают область около
соответствующего проводника.
7
Определение знаков полюсов аккумулятора
автомобиля с помощью проводника и компаса
Составив с помощью
имеющихся проводников цепь
из лампы и аккумулятора,
поднесем компас снизу к
одному из проводников,
выбрав на последнем
прямолинейный участок.
Магнитное поле заставит
стрелку компаса повернуться.
По направлению поворота,
пользуясь правилом
буравчика (или правилом
«пловца», или правилом
«обхвата») определим
направление тока, а затем и
знаки полюсов аккумулятора.
8
Определение угла наклона шоссе с помощью
обруча и секундомера
Современная автомобильная дорога-это сложное сочетание
инженерных сооружений . Она снабжена сигнальными знаками и
указателями ,наклонными виражами на поворотах ,мостами
вместо перекрёстков дорожное движение регулируется знаками и
правилами, в основе которых лежат физические законы движения
, которые мы иногда воспринимаем формально. Это касается таких
знаков ,как «Осторожно, дети!», «Крутой поворот», «Спуск»,
«Подъём» и т.д. Необходимость учёта явления инерции
обусловливает существование этих знаков.
Пусть автомобилист определит с помощью секундомера время
t, за которое обруч, выйдя из состояния покоя, скатится по шоссе
на расстояние s. При этом потенциальная энергия обруча убывает
на величину ∆E = mgh = mgs∙sin α, где α – искомый угол. Убыль
потенциальной энергии равна приобретенной обручем
кинетической энергии.
9
При скатывании кинетическая энергия является суммой двух слагаемых,
выражающих кинетическую энергию, связанную с поступательным перемещением,
и кинетическую энергию, обусловленную наличием вращения: E = Eпоступ +
Eвращат. Поэтому для нахождения кинетической энергии катящегося обруча надо
подсчитать кинетическую энергию поступательного движения, не обращая
внимания на вращение, а затем, наоборот, вычислить кинетическую энергию,
связанную с вращением, забыв о поступательном перемещении, и полученные
выражения сложить.
Если центр масс обруча движется относительно земли со скоростью v, то все точки
обода обладают относительно центра масс (точнее, относительно системы
отсчета, связанной с центром масс) такой же скоростью. Следовательно, второе
слагаемое в написанном выше выражении можно представить в следующем виде:
Евращат = m1v²/2 + m2v²/2 + … + mnv²/2 = v²/2 (m1 + m2 + … mn) = mv²/2, где mi
– массы отдельных «точек» обруча, дающие в сумме m – его полную массу.
Следовательно, для полной кинетической энергии обруча получаем E = mv²/2 +
mv²/2 = mv².
Считая движение обруча равноускоренным, находим его конечную скорость v
после прохождения пути s по необходимому для этого времени t, определяемому
секундомером: ν = 2s/t, после чего выражение для кинетической энергии обруча
приобретает вид E= 4ms²/t². Приравнивая это значение убыли потенциальной
энергии, получаем mgs∙sin α = 4ms²/t², откуда можно найти синус угла наклона
шоссе: sin α = 4s/gt².
Ввиду относительной малости наклона шоссе можно пользоваться приближенным
равенством sin α ≈ α.
10
Результаты измерений:
s = 50 м
t = 18 c
α = 4s/gt²
α = 4∙50м/(9,8м/с²∙(5с)²) = 0,063 рад ≈ 3,6°
Определение угла наклона шоссе с помощью
динамометра и деревянного бруска
Чтобы привести брусок в равномерное движение вверх
по наклонной плоскости, необходимо приложить
Fвверх, равную сумме максимальной силы трения
покоя Fтр = µmg∙cos α и составляющей F1 силы
тяжести бруска, направленной параллельно плоскости.
Получаем формулу: Fвверх = µmg∙cos α + mg∙sin α.
Аналогично можно найти значение силы Fвниз,
необходимой для равномерного перемещения бруска
вниз: Fвниз = µmg∙cos α - mg∙sin α.
Вычитая из первого уравнения второе, имеем Fвверх Fвниз = 2 mg∙sin α, откуда sin α = (Fвверх Fвниз)/2mg. Так как силы Fвверх, Fвниз и mg можно
найти с помощью динамометра, последнее выражение
позволяет рассчитать синус угла наклона, а затем по
таблицам найти и значение самого угла. При
небольшом наклоне, впрочем, обойтись и без таблиц,
поскольку для малых углов sin α ≈ α (в радианах).
mg = 0,6 Н
Fвверх = 0,9 Н
Fвниз = 0,4 Н
α ≈ 0,41 рад = 23°
12
Измерение угла наклона
участка дороги на улице
Гора Металлистов ,д 5.
sin α = (Fвверх - Fвниз)/2mg
sin α =(3,9H-3,5H)/0,6H=0,67
α=41°
Заключение
С законами физики нельзя договориться!
Незнание законов физики не освобождает от
ответственности.
Без комментариев…
14
Список дополнительной литературы
1.Ланге В.Н.Экспериментальные физические задачи на смекалку:
Учебное руководство.-М.:Наука,1985.-128 с.
2.Гребенкина Т. М. Физика. \ предметная неделя. -Волгоград:
ИТД «Корифей»,2005.-112с.
3.Маловик О.А.Физика.11 класс: элективные курсы.Волгоград:Учитель,2007.-125с
15