Лабораторна робота на тему визначення жорсткості пружини. Методична розробка з фізики на тему: Лабораторна робота «Вимірювання жорсткості пружини

Урок 13/33

Тема. Лабораторна робота № 2 «Вимірювання жорсткості пружини»

Мета уроку: перевірити справедливість закону Гука для пружини динамометра та виміряти коефіцієнт жорсткості цієї пружини

Тип уроку: контролю та оцінювання знань

Обладнання: штатив з муфтою та затиском, динамометр із заклеєною шкалою, набір грузиків відомої маси (по 100 г), лінійка з міліметровими поділками

ХІД РОБОТИ

1. Закріпіть динамометр у штативі на досить великій висоті.

2. Підвішуючи різну кількість грузиків (від одного до чотирьох), обчисліть для кожного випадку відповідне значення F = mg, а також виміряйте відповідне подовження пружини х.

3. Результати вимірювань та обчислень запишіть у таблицю:

4. Накресліть осі координат х і F, виберіть зручний масштаб і нанесіть отримані під час експерименту точки.

6. Обчисліть коефіцієнт жорсткості за формулою k = F /x, використовуючи результати досвіду № 4 (це забезпечує найбільшу точність).

7. Для обчислення похибки слід використати досвід, який ми здобули під час поводження досвіду № 4, тому що йому відповідає найменша відносна похибка вимірів. Обчисліть межі Fmin і Fmax , в яких знаходиться справжнє значення F , вважаючи, що Fmin = F - F , F = F + F . Прийміть ΔF = 4Δm · g , де Δm - похибка під час виготовлення грузиків (для оцінки можна вважати, що Δm = 0,005 кг):

де Δх = 0,5 мм.

8. Користуючись методом оцінки похибки непрямих вимірів, обчисліть:

9. Обчисліть середнє значення kcep та абсолютну похибку вимірювання Δk за формулами:

10. Обчисліть відносну похибку вимірів:

11. Заповніть таблицю:

12. Запишіть у зошиті для лабораторних робіт результат у вигляді k = kcep ± Δk , підставивши до цієї формули числові значення знайдених величин.

13. Запишіть у зошиті для лабораторних висновок: що ви вимірювали та який отримали результат.

Лабораторна робота «Вимірювання жорсткості пружини» Мета роботи: знайти жорсткість пружини з вимірювань пружини при різних значеннях сили тяжіння Fт, що врівноважує силу пружності Fпр, на підставі закону Гука k = Fпр/г. У кожному з дослідів жорсткість визначається за різних значень сили пружності та подовження, тобто. умови досвіду змінюються. Тому знаходження середнього значення не можна обчислити середнє арифметичне результатів вимірів. За результатами кількох дослідів побудуємо графік залежності Fпр від подовження х. При побудові графіка за результатами досвіду експериментальні точки можуть виявитися не на одній прямій, що визначається відповідно до формули Fпр = kx. Це з похибками виміру. У цьому випадку графік потрібно проводити так, щоб приблизно однакова кількість точок виявилася по різні боки від прямої. Після побудови графіка візьміть точку на прямій (в середній частині графіка), визначте по ньому значення сили пружності та подовження, що відповідають цій точці, і обчисліть жорсткість k. Вона і буде середнім значенням жорсткості пружини kср. Результат виміру записується у вигляді виразу k=kср±Δk, де Δk – абсолютна k похибка виміру. Відносна похибка εk=, звідки Δk=εkk. Існує k правило для розрахунку відносної похибки: якщо величина, що визначається в досвіді, знаходиться в результаті множення і поділу наближених величин, що входять в розрахункову формулу, то відносні похибки складаються. У цьому роботі k= Fупр/х. Тому εk=εF+εx. Прилади та матеріали: 1) Набір вантажів, штатив з муфтою та лапкою, динамометр, лінійка з міліметровими поділками. Порядок виконання. 1. Закріпіть у штативі динамометр. 2. Поруч закріпіть або встановіть лінійку з міліметровими поділками. 3. Підвісьте до пружини вантаж, виміряйте силу пружності і подовження пружини. 4. Додайте другий, третій і т.д. вантажі та повторіть вимірювання. За результатами вимірів заповніть таблицю. Номер досліду 1 2 3 4 F, Н х, м 5. За результатами вимірювань побудуйте графік залежності сили пружності від подовження пружини та, користуючись ним, визначте середнє значення жорсткості пружини kср. 6. Розрахуйте відносну похибку, з якою знайдено kср (з досвіду з одним F x вантажем). У досвіді εF=, εx=. Похибка при вимірі подовження Δx=1 мм, F x похибка при вимірі сили F=0,1Н. 7. Знайдіть Δk=εkkср і у виведенні запишіть відповідь у вигляді k=kср±Δk. Лабораторна робота «Вимірювання коефіцієнта тертя» Мета роботи: Визначити коефіцієнт тертя дерев'яного бруска, що ковзає поверхнею, використовую формулу Fтр=μP. За допомогою динамометра вимірюють силу, з якою потрібно рівномірно тягнути брусок з вантажами горизонтальною поверхнею. Ця сила дорівнює за модулем силою тертя Fтр. За допомогою того ж динамометра можна знайти вагу бруска із вантажем. Визначивши таким чином значення сили тертя за різних значень ваги тіла, необхідно побудувати графік залежності Fтр від Р і знайти середнє значення коефіцієнта тертя, як у попередній роботі. Прилади та матеріали: дерев'яний брусок, поверхня (наприклад, парти), набір вантажів, динамометр. Порядок виконання. 1. Покладіть брусок на горизонтальну поверхню. 2. Прикріпіть динамометр до бруска, рівномірно тягніть його по поверхні, помітивши при цьому показання динамометра. 3. Зважте брусок та вантаж. 4. До першого вантажу додайте другий, третій вантажі, щоразу зважуючи брусок та вантажі та вимірюючи силу тертя. Результати вимірювань занесіть до таблиці Номер досвіду 1 2 3 4 Р, Н ΔР, Н Fтр, Н ΔFтр, Н 5. За результатами вимірювань побудуйте графік залежності Fтр від Р і знайти середнє значення коефіцієнта тертя μср. 6. Розрахуйте відносну похибку вимірювання коефіцієнта тертя. Т.к. μ= Fтр/Р, то ε μ=εFтр+εР. З найбільшою похибкою виміряно коефіцієнт тертя у досвіді з одним вантажем. Знайдіть абсолютну похибку Δ μ= ε μ μср і запишіть у виведенні відповідь у вигляді μ= μ ср±Δ μ.

Лабораторна робота

«Визначення жорсткості пружини»

Мета роботи : Визначення коефіцієнта жорсткості пружини Перевірка справедливості закону Гука. Оцінка похибки вимірів.

Порядок виконання роботи .

Базовий рівень

Устаткування Кабіна: штатив з муфтою та лапкою, набір вантажів по 100 г, пружинний динамометр, лінійка.

L0 F

L1 в цьому випадку.

l= L0 - L1

kср.за формулоюkср=( k1 + k2 + k3 )/3

F,Н

l,м

k,Н/м

kср, Н/м

6. Накресліть графік залежностіl ( F).

Просунутий рівень

Устаткування Кабіна: штатив з муфтою та лапкою, набір вантажів по 100 г, пружина, лінійка.

Зміцніть пружину в штативі та виміряйте довжину пружиниL0 відсутність зовнішнього впливу (F= 0Н). Результати вимірів запишіть у таблицю.

Підвісьте до пружини вантаж вагою 1 Н та визначте її довжинуL1 в цьому випадку.

Знайдіть деформацію (подовження) пружини за формулоюl= L0 - L1 .Результати вимірювань занесіть до таблиці.

Аналогічно знайдіть подовження пружини при підвішуванні вантажів вагою 2 Н та 3 Н. Результати вимірювань занесіть до таблиці.

Обчисліть середнє арифметичне значенняkср.за формулоюkср=( k1 + k2 + k3 )/3

Оцініть похибку ∆kметодом середньої помилки. Для цього обчисліть модуль різниці│ kср- ki│=∆ kiдля кожного виміру

k = k ср ±∆ k

F,Н

l,м

k,Н/м

kср, Н/м

∆k,Н/м

∆kср, Н/м

Поглиблений рівень

Обладнання: штатив з муфтою та лапкою, набір вантажів по 100 г, пружина, лінійка.

Зміцніть пружину в штативі та виміряйте довжину пружиниL0 відсутність зовнішнього впливу (F= 0Н). Результати вимірів запишіть у таблицю.

Підвісьте до пружини вантаж вагою 1 Н та визначте її довжинуL1 в цьому випадку.

Знайдіть деформацію (подовження) пружини за формулоюl= L0 - L1 .Результати вимірювань занесіть до таблиці.

Аналогічно знайдіть подовження пружини при підвішуванні вантажів вагою 2 Н та 3 Н. Результати вимірювань занесіть до таблиці.

Обчисліть середнє арифметичне значенняkср.за формулоюkср=( k1 + k2 + k3 )/3

Обчисліть відносні похибки та абсолютну похибку вимірювань∆ kза формулами

ε F=(∆ F0 + Fі) / Fmax

ε l=(∆ l0 + lі) / lmax

ε k=ε F+ε l

∆k = εk* kср

Отриманий результат запишіть у виглядіk = k ср±∆ k

Накресліть графік залежностіl ( F).Сформулюйте геометричний сенс жорсткості.

F,Н

l,м

k,Н/м

kср, Н/м

ε F

ε l

ε k

∆ k

ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ→ номер 2

Мета роботи: знайти жорсткість пружини з вимірів подовження пружини за різних значень сили тяжіння

Врівноважуючу силу пружності на основі закону Гука:

У кожному з дослідів жорсткість визначається за різних значень сили пружності та подовження, тобто умови досвіду змінюються. Тому знаходження середнього значення жорсткості не можна обчислити середнє арифметичне результатів вимірів. Скористаємося графічним способом знаходження середнього значення, який може бути використаний у таких випадках. За результатами кількох дослідів побудуємо графік залежності модуля сили пружності Fпр від модуля подовження |x|. При побудові графіка за результатами досвіду експериментальні точки можуть опинитися на прямий, що відповідає формуле

Це з похибками виміру. У цьому випадку графік треба проводити так, щоб приблизно однакова кількість точок виявилася по різні боки від прямої. Після побудови графіка візьміть точку на прямій (в середній частині графіка), визначте по ньому значення сили пружності та подовження, що відповідають цій точці, і обчисліть жорсткість k. Вона і буде середнім значенням жорсткості пружини kср.

Результат виміру зазвичай записується як виразу k = = kcp±Δk, де Δk - найбільша абсолютна похибка вимірювання. З курсу алгебри (VII клас) відомо, що відносна похибка (εk) дорівнює відношенню абсолютної похибки Δk значення величини k:

Звідки Δk - εkk. Існує правило до розрахунку відносної похибки: якщо визначається в досвіді величина перебуває у результаті множення і розподілу наближених величин, які входять у розрахункову формулу, то відносні похибки складаються. В даній роботі

Засоби виміру: 1) набір вантажів, маса кожного дорівнює m0 = 0,100 кг, а похибка Δm0 = 0,002 кг; 2) лінійка з міліметровими поділками.

Матеріали: 1) штатив з муфтами та лапкою; 2) спіральна пружина.

Порядок виконання роботи

1. Закріпіть на штативі кінець спіральної пружини (інший кінець пружини забезпечений стрілкою-вказівником і гачком - рис. 176).

2. Поруч із пружиною або за нею встановіть і закріпіть лінійку з міліметровими поділками.

3. Позначте і запишіть поділ лінійки, проти якого доводиться стрілка-покажчик пружини.

4. Підвісьте до пружини вантаж відомої маси і виміряйте подовження пружини, що викликано ним.

5. До першого вантажу додайте другий, третій тощо. буд. вантажі, записуючи щоразу подовження |х| пружини. За результатами вимірів заповніть таблицю:

6. За результатами вимірювань побудуйте графік залежності сили пружності від подовження та, скориставшись ним, визначте середнє значення жорсткості пружини kcp.

7. Розрахуйте найбільшу відносну похибку, з якою знайдено значення kср (з досвіду з одним вантажем). У формулі (1)

Оскільки похибка при вимірі подовження Δx=1 мм, то

8. Знайдіть

І запишіть відповідь у вигляді:

1 Прийняти g≈10 м/с2.

Закон Гука: "Сила пружності, що виникає при деформації тіла, пропорційна його подовженню і спрямована протилежно до напрямку переміщення частинок тіла при деформації".

Закон Гука

Жорсткістю називають коефіцієнт пропорційності між силою пружності та зміною довжини пружини під дією прикладеної до неї сили. Згідно з третім законом Ньютона, прикладена до пружини сила по модулю дорівнює виникла в ній силі пружності. Таким чином, жорсткість пружини можна виразити як:

Де F - прикладена до пружини сила, а х - зміна довжини пружини під її дією. Засоби виміру: набір вантажів, маса кожного дорівнює m0 = (0,1±0,002) кг.

Лінійка з міліметровими розподілами (Δх = ±0,5 мм). Порядок виконання роботи описаний у підручнику та коментарів не вимагає.

Щоб скористатися попереднім переглядом презентацій, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього: https://accounts.google.com

Підписи до слайдів:

Лабораторна робота «Вимірювання жорсткості пружини» Вчитель фізики ДБОУ ЗОШ №145 Калінінського району Санкт-Петербурга Карабаш'ян М.В.

перевірити справедливість закону Гука для пружини динамометра та виміряти коефіцієнт жорсткості цієї пружини. Мета роботи Обладнання: набір «Механіка» з комплекту L-micro-штатів з муфтою та затискачем, динамометр із заклеєною шкалою, набір вантажів відомої маси (по 50 г), лінійка з міліметровими поділками.

Підготовчі питання Що таке сила пружності? Як обчислити силу пружності, що виникає у пружині при підвішуванні до неї вантажу масою m кг? Що таке подовження тіла? Як виміряти подовження пружини при підвішуванні до неї вантажу? У чому полягає закон Гука?

Правила техніки безпеки Будьте обережні під час роботи з розтягнутою пружиною. Не кидайте і не кидайте вантажі.

Опис роботи: Відповідно до закону Гука, модуль F сили пружності і модуль подовження пружини пов'язані співвідношенням F = kx . Вимірявши F і х, можна знайти коефіцієнт жорсткості k за формулою

У кожному з дослідів жорсткість визначається за різних значень сили пружності та подовження, тобто умови досвіду змінюються. Тому знаходження середнього значення жорсткості не можна обчислити середнє арифметичне результатів вимірів. Скористаємося графічним способом знаходження середнього значення, який може бути використаний у таких випадках. За результатами кількох дослідів побудуємо графік залежності модуля сили пружності F упр від модуля подовження \х\. При побудові графіка за результатами досвіду експериментальні точки можуть опинитися на прямий, що відповідає формулі F yпp =k\x\ . Це з похибками вимірів. У цьому випадку графік треба проводити так, щоб приблизно однакова кількість точок, виявилося, по різні боки від прямої. Після побудови графіка візьміть точку на прямій (в середній частині графіка) визначте по ньому значення сили пружності та подовження, що відповідають цій точці, і обчисліть жорсткість k . Вона буде шуканим середнім значенням жорсткості пружини k порівн.

1. Закріпіть на штативі кінець спіральної пружини (інший кінець пружини має стрілку-покажчик і гачок). 2. Поруч із пружиною або за нею встановіть і закріпіть лінійку з міліметровими поділками. 3. Позначте і запишіть поділ лінійки, проти якого доводиться стрілка-покажчик пружини. 4. Підвісьте до пружини вантаж відомої маси і виміряйте подовження пружини, що викликано ним. 5. До першого вантажу додайте другий, третій і т. д. вантажі, записуючи щоразу подовження пружини. За результатами вимірювань заповніть таблицю ХІД РОБОТИ:

№ досліду m, кг mg, H х, м 1 0,1 2 0,2 ​​3 0,3 4 0,4

6. Накресліть осі координат х і F, виберіть зручний масштаб та нанесіть отримані експериментальні точки. 7. Оцініть (якісно) справедливість закону Гука для даної пружини: чи знаходяться експериментальні точки поблизу однієї прямої, яка проходить через початок координат. 8. За результатами вимірювань побудуйте графік залежності сили пружності від подовження та, користуючись ним, визначте середнє значення жорсткості пружини k порівн. 9. Розрахуйте найбільшу відносну похибку, з якою знайдено значення k cp 10. Запишіть зроблений вами висновок.

Контрольні питання: Як називається залежність між силою пружності та подовженням пружини? Пружина динамометра під впливом сили 4Н подовжилася на 5 мм. Визначте вагу вантажу, під дією якого пружина подовжується на 16 мм.