Экспериментируйте, страница 99 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Экспериментируйте

В кабинете физики имеются наборы грузов массой по 100 г и пружины. Закрепите пружины на дощечки. Получившийся прибор проградуируйте, подвешивая к пружине грузы по 100 г, 200 г, 300 г и т. д. К корпусу дощечки приклейте лист белой бумаги и нанесите на него отметки: 0 Н, 1 Н, 2 Н и т. д. Разделив расстояние между отметками 0 и 1, 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 на десять равных частей, получают деления, соответствующие 0,1 Н. Изготовьте таким образом самодельный динамометр и сравните его со школьным.

Для решения данной экспериментальной задачи по изготовлению и градуировке динамометра необходимо последовательно выполнить несколько шагов, основанных на физических законах.

1. Теоретическое обоснование

В основе работы пружинного динамометра лежит закон Гука. Согласно этому закону, сила упругости $F_{упр}$, возникающая в пружине при её растяжении, прямо пропорциональна удлинению пружины $x$. Математически это выражается формулой:

$F_{упр} = k \cdot x$

где $k$ — это коэффициент жесткости пружины, который является постоянной величиной для данной пружины.

Когда к пружине подвешивают груз, она растягивается под действием силы тяжести (веса груза $P$). Пружина находится в равновесии, когда сила упругости, стремящаяся вернуть пружину в исходное состояние, становится равной весу груза:

$F_{упр} = P$

Вес груза можно рассчитать, зная его массу $m$ и ускорение свободного падения $g$ (примем $g \approx 10 \text{ Н/кг}$ для удобства, как это часто делается в школьном курсе физики и как следует из условия задачи):

$P = m \cdot g$

Таким образом, подвешивая грузы с известной массой, мы прикладываем к пружине известную силу, что позволяет нам проградуировать шкалу прибора в единицах силы — Ньютонах (Н).

2. Расчет сил для градуировки шкалы

Дано:

Массы грузов: $m_1 = 100 \text{ г}, m_2 = 200 \text{ г}, m_3 = 300 \text{ г}$ и т.д.

Ускорение свободного падения: $g \approx 10 \text{ Н/кг}$

--- Перевод в систему СИ ---

$m_1 = 0,1 \text{ кг}$

$m_2 = 0,2 \text{ кг}$

$m_3 = 0,3 \text{ кг}$

Найти:

Вес грузов $P_1, P_2, P_3$.

Решение:

Используем формулу для расчета веса $P = m \cdot g$.

1. Вес первого груза:

$P_1 = m_1 \cdot g = 0,1 \text{ кг} \cdot 10 \text{ Н/кг} = 1 \text{ Н}$

2. Вес двух грузов:

$P_2 = m_2 \cdot g = 0,2 \text{ кг} \cdot 10 \text{ Н/кг} = 2 \text{ Н}$

3. Вес трех грузов:

$P_3 = m_3 \cdot g = 0,3 \text{ кг} \cdot 10 \text{ Н/кг} = 3 \text{ Н}$

И так далее. Каждый следующий груз массой 100 г увеличивает приложенную силу на 1 Н.

Ответ: Вес грузов, используемых для градуировки, составляет 1 Н, 2 Н, 3 Н и так далее.

3. Порядок изготовления и градуировки динамометра

1. Закрепите один конец пружины в верхней части дощечки. К другому, свободному концу пружины прикрепите указатель (например, разогнутую скрепку).

2. Рядом с пружиной на дощечку приклейте полоску белой бумаги. Указатель должен перемещаться вдоль этой полоски.

3. Пока к пружине не подвешен груз, отметьте положение указателя на бумаге. Эта отметка соответствует нулевому значению силы. Подпишите ее «0 Н».

4. Подвесьте к пружине первый груз массой 100 г. Дождитесь прекращения колебаний. Отметьте новое положение указателя на бумаге. Согласно нашим расчетам, эта отметка соответствует силе 1 Н. Подпишите ее «1 Н».

5. Добавьте еще один груз 100 г (общая масса 200 г). Отметьте положение указателя и подпишите «2 Н».

6. Продолжайте добавлять грузы по 100 г и наносить на шкалу отметки «3 Н», «4 Н» и т.д., пока позволяет длина и упругость пружины.

7. Снимите грузы и с помощью линейки разделите каждый основной интервал (между 0 и 1, 1 и 2, и т.д.) на 10 равных частей. Эти мелкие деления будут соответствовать 0,1 Н. Таким образом, цена деления вашего динамометра составит 0,1 Н.

4. Сравнение с эталонным динамометром

1. Возьмите изготовленный динамометр и школьный (лабораторный) динамометр.

2. Подвесьте к школьному динамометру произвольный предмет (не из набора калибровочных грузов) и измерьте его вес. Запишите показание.

3. Затем этот же предмет подвесьте к вашему самодельному динамометру и запишите его показание.

4. Сравните полученные значения. Если значения близки, это означает, что ваш динамометр был изготовлен и проградуирован правильно. Небольшие расхождения могут быть вызваны погрешностью при нанесении шкалы, неточностью принятого значения $g$, или тем, что масса калибровочных грузов не идеально равна 100 г.

Ответ: В результате выполнения описанных действий будет создан самодельный пружинный динамометр, проградуированный в Ньютонах с ценой деления 0,1 Н. Сравнение его показаний с показаниями эталонного школьного динамометра позволит оценить точность изготовленного прибора.