Опытное изучение второго закона механики

Предлагаемый прибор отличается от существующих тем, что в качестве измерителя времени в нем используется свободно падающее тело и, кроме того, фиксируются показания динамометра.

Прибор (рис. 3) состоит из основания 1 размерами 800 X 200 х 30 мм и вертикальной доски-рейки 2 высотой 1100 мм со шкалами. К доске-рейке крепятся блоки диаметром 100 мм. На опорах основания 3 шарнирно укреплен зажим 4 с ручкой 5. Снизу зажим имеет зубья 6. Под зажимом к основанию прибивается резиновый коврик 7. Такое устройство обеспечивает мгновенное торможение нитей при нажатии на ручку зажима. Рядом с зажимом располагается предохранительная скоба 8, под которой протягиваются капроновые нити, идущие через металлические скобы 9 от свободно падающего грузика 10, испытываемого грузика 11 и динамометра 12.

Динамометр изготовляется из деревянной планки размерами 500 X 20 X 10 мм с пазом для резинки или пружинки. Динамометр должен быть достаточно чувствительным. Перемещение указателя на конце его пружины на 1 см должно соответствовать силе в 2—3 Г. «Пружиной» такого динамометра может служить тонкая резина длиной порядка 30 — 40 см. При равноускоренном движении динамометра вверх с подвешенным к нему грузиком динамометр покажет величину ускоряющей силы, действующей на грузик. Показание динамометра сохраняется и после его остановки зажимом.

К верхней части динамометра крепятся нити, идущие через блоки от груза 13 с массой, превышающей массу динамометра с испытываемым грузиком.

Для подготовки прибора к опытам грузы 13 и 10 поднимают до нулевой отметки. Нити, идущие от грузов и динамометра стопорят предварительно на гвоздях 14, затем прижимают нити к зажимам 6 и освобождают их от гвоздей.

При проведении опыта движением руки поднимают зажим и быстро его опускают. За это время грузы 10 и 13 опускаются, а исследуемый грузик И поднимается.

Если Н и g — соответственно высота и ускорение свободно падающего грузика и h и а— высота и ускорение движения исследуемого тела, то из выражений

Значение а, вычисленное по данным опыта по формуле (1), точно совпадает со значением, вычисленным по формуле а , где F — показание динамометра и m — масса грузика, подвешенного к динамометру.

Еще одно использование демонстрационного динамометра. Понятие массы — одно из сложнейших для понимания учащимися. В курсе физики мы сталкиваемся с ним при изучении второго закона Ньютона в теме «Масса — мера инертности тела». Ссылаясь на жизненный опыт учащихся, мы приходим к выводу, что чем массивнее движущееся тело, тем труднее его остановить.

Можно по этой теме предложить простой опыт с остановкой тележки Ньютона без груза и с грузом (один или два кирпича). Барьером для остановки может служить табуретка. При ударе груженой тележки табуретка отодвигается дальше, чем при ударе ненагруженной тележки.

Опыт лучше проводить на полу физического кабинета между столами, чтобы учащиеся увидели результат. Путь, пройденный табуреткой, можно отмечать мелом на полу.

Эффективнее аналогичный опыт с использованием демонстрационного динамометра. На ножку динамометра надеваем столик, входящий в комплект. Динамометр крепим на штативе возле основания. Штатив ставим на край демонстрационного стола. Здесь же, на краю стола, ставим наклонную плоскость (рис. 4) с наклоном 1 : 40.

Вот и вся установка. Берем деревянный каток, поршень от мотоцикла ИЖ-56, двухкилограммовую гирю из набора. При помощи рычажных весов устанавливаем массы тел:

Скатываем по очереди каток, поршень, гирю. Силы F₁ < F₂ < F₃ фиксируем по максимальному отклонению стрелки динамометра. Вывод, чем больше масса тела, тем большая сила нужна для его остановки, полностью подтверждается.