Экспериментальное задание, страница 92 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Изготовьте самодельный пружинный динамометр. Нанесите шкалу динамометра, используя грузы различной массы и динамометр, изготовленный промышленным способом.

Цель работы: изготовить самодельный пружинный динамометр и нанести на него шкалу (проградуировать), используя грузы известной массы и эталонный промышленный динамометр.

Оборудование и материалы:

• Пружина (стальная, достаточно упругая, чтобы заметно, но не чрезмерно растягиваться под весом грузов в 100-500 г).
• Прочное основание (деревянная дощечка, толстая линейка или плотный картон длиной 20-30 см).
• Указатель (канцелярская скрепка, выпрямленная с одного конца, или кусок проволоки).
• Крючок для подвешивания грузов (можно согнуть из той же скрепки).
• Полоска плотной белой бумаги для нанесения шкалы.
• Крепежные элементы (клей, скотч или маленькие гвоздики).
• Набор грузов известной массы (например, 3-5 грузов по 100 г).
• Промышленный (лабораторный) динамометр со шкалой в ньютонах.
• Карандаш и линейка.

Ход работы

1. Изготовление самодельного пружинного динамометра

1. Подготовьте основание. Наклейте на него вертикально полоску бумаги.
2. В верхней части основания надежно закрепите пружину.
3. К нижнему витку пружины прикрепите указатель так, чтобы его кончик двигался вдоль бумажной полоски, но не касался ее (чтобы избежать трения).
4. К этому же нижнему витку (или к указателю) прикрепите крючок для подвешивания грузов.
5. Закрепите динамометр в вертикальном положении. Отметьте на бумажной шкале начальное положение указателя, когда на крючке нет груза. Эта отметка соответствует нулевому значению силы. Подпишите ее «0 Н».

2. Нанесение шкалы динамометра

Для нанесения шкалы (градуировки) необходимо последовательно применить два метода, как указано в задании.

Способ А: Использование грузов различной массы

Этот метод основан на расчете силы тяжести (веса), действующей на груз известной массы, по формуле $P = m \cdot g$.

Дано:

Масса одного груза: $m = 100 \, \text{г}$
Ускорение свободного падения: $g \approx 10 \, \text{Н/кг}$ (округленное значение для удобства)

Перевод в СИ:
$m = 100 \, \text{г} = 0.1 \, \text{кг}$

Найти:

Положения отметок на шкале, соответствующие различным значениям силы.

Решение:

1. Подвесьте к крючку самодельного динамометра один груз массой 100 г. Пружина растянется под действием силы тяжести.
2. Рассчитаем силу, с которой груз действует на пружину. Эта сила равна весу груза:
   $P_1 = m \cdot g = 0.1 \, \text{кг} \cdot 10 \, \text{Н/кг} = 1 \, \text{Н}$.
3. Отметьте новое положение указателя на бумажной шкале и подпишите его «1 Н».
4. Добавьте еще один груз. Общая масса теперь составляет $200 \, \text{г} = 0.2 \, \text{кг}$. Вес равен:
   $P_2 = 0.2 \, \text{кг} \cdot 10 \, \text{Н/кг} = 2 \, \text{Н}$.
   Отметьте положение указателя и подпишите «2 Н».
5. Повторите операцию, добавляя по одному грузу и отмечая на шкале значения 3 Н, 4 Н и так далее, пока позволяет предел упругости пружины.
6. Согласно закону Гука, удлинение пружины прямо пропорционально приложенной силе, поэтому расстояния между отметками 0-1 Н, 1-2 Н, 2-3 Н должны быть одинаковыми. Используя линейку, можно разделить эти основные интервалы на более мелкие равные части (например, на 10 делений) для повышения точности измерений. Цена одного такого малого деления будет 0.1 Н.

Ответ: Шкала динамометра проградуирована в ньютонах. Положение каждой основной отметки (1 Н, 2 Н и т.д.) найдено путем подвешивания грузов соответствующей массы (100 г, 200 г и т.д.) и расчета их веса по формуле $P = m \cdot g$ (при $g \approx 10 \, \text{Н/кг}$).

Способ Б: Использование динамометра, изготовленного промышленным способом

Этот метод использует промышленный динамометр в качестве эталона для измерения силы. Он может служить как для основной градуировки, так и для проверки шкалы, полученной первым способом.

1. Сцепите крючками самодельный и промышленный (эталонный) динамометры. Расположите их на одной прямой.
2. Удерживая неподвижно корпус самодельного динамометра, начните плавно тянуть за корпус эталонного динамометра.
3. Когда стрелка эталонного динамометра покажет точно 1 Н, прекратите тянуть и зафиксируйте приборы в этом положении. Согласно третьему закону Ньютона, сила, растягивающая пружину самодельного динамометра, также равна 1 Н.
4. Проверьте, совпадает ли положение указателя самодельного прибора с отметкой «1 Н», сделанной ранее. Если нет, нанесите новую отметку рядом.
5. Продолжайте растягивать пружины, добиваясь показаний 2 Н, 3 Н и т.д. на эталонном динамометре, и сверяйте или наносите соответствующие отметки на шкалу самодельного прибора.
6. Аналогично первому способу, можно проградуировать промежутки между основными делениями с помощью линейки.

Ответ: Шкала динамометра проградуирована (или проверена) в ньютонах путем прямого сравнения с показаниями эталонного промышленного динамометра. Отметки на шкале самодельного прибора должны соответствовать силам, которые показывает эталонный динамометр при совместном растяжении.

Итоговый результат

В результате выполнения задания был изготовлен самодельный пружинный динамометр и нанесена его шкала. Сравнение шкал, полученных двумя способами, позволяет оценить точность изготовления и градуировки. В идеальном случае отметки, полученные обоими методами, должны совпасть, что подтверждает справедливость закона Гука и правильность расчета силы тяжести.

Ответ: Изготовлен и проградуирован самодельный пружинный динамометр. Его шкала нанесена с использованием двух методов: на основе расчета веса грузов известной массы ($P = m \cdot g$) и путем сравнения с показаниями промышленного динамометра. Готовый прибор может быть использован для измерения сил в пределах его градуировки.