Метод записи на бумажной ленте. В условиях школьного кабинета физики для исследования движения тел часто применяется простой прибор, называемый отметчиком времени. Он состоит из электромагнита и стальной пластины, которая притягивается к сердечнику электромагнита при пропускании тока через его обмотку. На конце пластины имеется выступ, который делает отметку на полоске бумаги в виде точки, если в момент притяжения пластины бумага находится между сердечником и пластиной. Для изучения движения тела к нему прикрепляется конец узкой бумажной ленты, протягиваемой через зазор отметчика времени. С началом движения тела запускается отметчик времени, который совершает 50 ударов за 1 с и делает отметки на ленте через каждые 0,02 с. Если на ленте, которую тянет за собой движущееся тело, расстояния между любыми соседними отметками одинаковы, то тело движется равномерно. Измерив расстояние между двумя точками на ленте и разделив его на время между ударами отметчика, можно вычислить скорость движения тела. Измерение скорости с использованием электронного секундомера. Точное измерение скорости движения тел можно выполнять с использованием комплекта «Лаборатория L-микро» по механике. В этом комплекте для проведения опытов используются направляющая плоскость, каретка, датчики с герконами, электронный секундомер, пластиковый коврик. Скорость движения каретки можно определить, измерив пройденный путь и время движения из состояния покоя. Для точного измерения времени движения используется электронный секундомер с магнитными датчиками. Запуск и остановка электронного секундомера может осуществляться либо нажатием кнопки «пуск-стоп», либо с помощью магнитоуправляемых контактов — герконов — в выносных датчиках. Геркон (герметический контакт) состоит из двух близко расположенных упругих ферромагнитных контактов, которые при внесении в магнитное поле или при приближении магнита намагничиваются и притягиваются друг к другу. В результате замыкается участок электрической цепи, соединенный с выводами геркона. Схема электронного секундомера устроена так, что при одном замыкании электрических контактов на его входе происходит запуск секундомера, при следующем замыкании секундомер останавливается. На краю каретки вмонтирован сильный постоянный магнит. При расположении двух датчиков с герконами вблизи траектории движения каретки электронный секундомер автоматически запускается в момент прохождения каретки с магнитом около первого геркона и автоматически останавливается в момент прохождения каретки около второго геркона. Таким образом, точно измеряется время движения каретки от первого датчика до второго. Разделив расстояние между датчиками на измеренное время движения каретки от первого датчика до второго, можно найти скорость движения каретки. Используя этот комплект, можно измерить скорость каретки, которую она приобретает при скольжении по наклонной плоскости. Каретка движется по наклонной плоскости с переменной скоростью, а мы ввели только понятие скорости равномерного движения. Поэтому при проведении опытов по измерению скорости каретки нужно специально разъяснить, что же мы измеряем. Разъяснение может быть следующим. Мы определили, что называется скоростью равномерного движения. Но в природе и в повседневной практике обычно тела движутся с изменяющейся скоростью. Как же можно характеризовать такие движения? Ответ на этот вопрос вполне могут дать ученики: «Можно измерить путь Δs, пройденный телом за очень короткий интервал времени Δt, и считать, что в течение этого времени скорость υ тела была постоянной. Эта скорость равна: υ= Δs Δt ». Теперь можно сформулировать задачу: нужно измерить скорость каретки у конца наклонной плоскости. Порядок выполнения работы 1. Установим направляющую плоскость под углом около 45°. Датчики с помощью магнитных держателей прикрепим к направляющей плоскости у нижнего края на расстоянии 5 см один от другого. 2. Нажатием на кнопку «сброс» установим нуль на шкале электронного секундомера. Проверим работоспособность секундомера поочередным поднесением магнита в середине внешней боковой стороны каретки сначала к первому датчику, затем ко второму. Секундомер должен начать измерение времени при поднесении магнита к первому датчику и завершить измерение при поднесении магнита ко второму датчику. Цифры на шкале до точки показывают целые секунды, цифры после точки — десятые и сотые доли секунды. 3. Измерим расстояние Δs между датчиками. Отпустим каретку от верхнего края наклонной плоскости и измерим время Δt ее движения от первого датчика до второго. Повторим измерение 5 раз и найдем среднее арифметическое значение времени движения. 4. Вычислим скорость движения каретки. Таким же способом можно измерить скорость движения каретки около середины наклонной плоскости. Задача 6.1. Решение. Движение автомобиля, изображенного на рисунке 6.2 учебника, было неравномерным, так как за одинаковые интервалы времени он проезжал разные расстояния. Автомобиль тормозил, его скорость уменьшалась. Чтобы определить скорость υ нач автомобиля в начале пути, измерим миллиметровой линейкой на рисунке 6.2 расстояние, пройденное им за первый интервал времени t = 0,8 с. Оно равно 32 мм. По рисунку находим, что отрезок AB, которому на земле соответствует расстояние 20 м, равен 93 мм. Значит, 1 мм на рисунке соответствует расстоянию на земле, равному 20/93 м. Выразим путь sнач автомобиля в метрах: s нач =32⋅ 20 93 м . Найдем скорость υ нач автомобиля в начале пути: υ нач = s нач t , υ нач = 32⋅ 20 93 м 0,8 с ≈8,6 м с ≈31 км ч . Для того чтобы найти скорость автомобиля в конце пути, измерим на рисунке 6.2 учебника расстояние, пройденное им за последний интервал времени t = 0,8 c. Оно равно 24 мм. Выразим путь sкон автомобиля в метрах и вычислим скорость: υ кон = s кон t , υ кон = 24⋅ 20 93 м 0,8 с ≈6,45 м с ≈23 км ч . Задача 6.2. Решение. Для того чтобы найти среднюю скорость υ ср = s t неравномерно движущегося автомобиля по фотографии на рисунке 6.2 учебника, определим весь пройденный автомобилем путь s и время t движения за пять открываний объектива. Решив задачу 6.1, мы нашли, что 1 мм на рисунке 6.2 соответствует расстоянию на земле, равному 20/93 м. Расстояние между первым и последним изображениями автомобиля на фотографии равно 147 мм. Выразим весь путь s автомобиля в метрах: s=147⋅ 20 93 м . Время движения автомобиля равно t = 5 · 0,8 с = 4 с. Найдем среднюю скорость автомобиля: υ ср = s t , υ ср = 147 ⋅ 20 93 м 4 с ≈ 7,9 м с ≈ 28,5 км ч . Сравнив этот результат с начальной и конечной скоростями в задаче 6.1, получим υ кон < υ ср < υ нач . |