Лабораторная работа №4. Изучение упругих деформаций
В этой работе на пружину подвешивают грузы и линейкой измеряют её удлинение. По результатам строят график зависимости силы упругости от удлинения F(x). По наклону графика находят коэффициент жёсткости пружины k в ньютонах на метр.
Цель работы. Исследовать зависимость силы упругости от удлинения пружины и определить коэффициент жёсткости пружины по графику F(x).
Сделать ҚМЖ по этой темеЦели обучения
- 7.2.2.4определять коэффициент жесткости по графику зависимости силы упругости от удлинения
- 7.1.3.3знать и соблюдать технику безопасности в кабинете физики
Оборудование
- штатив с муфтой и лапкой
- спиральная пружина с указателем
- набор грузов по 100 г
- линейка с миллиметровыми делениями
- динамометр (для проверки силы)
- миллиметровая бумага или тетрадь в клетку для графика
Ход работы
- 1
Закрепите пружину в лапке штатива, а рядом вертикально поставьте линейку.
- 2
Запишите положение указателя ненагруженной пружины l₀.
- 3
Подвесьте один груз 100 г, дождитесь, пока пружина перестанет колебаться, и запишите новое положение указателя l.
- 4
Найдите удлинение x = l − l₀ и запишите его в таблицу.
- 5
Добавляйте грузы по одному до четырёх и каждый раз записывайте удлинение.
- 6
Вычислите силу упругости F = m·g для каждого опыта.
- 7
Снимите все грузы и проверьте, вернулся ли указатель в положение l₀.
- 8
Постройте график F(x), проведите прямую через начало координат и точки.
- 9
По графику найдите коэффициент жёсткости k.
Краткая теория
Деформация — это изменение формы или размеров тела под действием силы. Если после снятия нагрузки тело полностью возвращает прежнюю форму, деформация упругая; если нет — пластическая. Пружина в этой работе должна деформироваться только упруго.
При деформации в теле возникает сила упругости. Она направлена против деформации: растянутая пружина стремится сжаться. Когда груз на пружине висит неподвижно, сила упругости уравновешивает силу тяжести груза: Fупр = m·g, где g ≈ 9,8 Н/кг.
При небольших упругих деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению x = l − l₀: Fупр = k·x. Это закон Гука. Коэффициент k называют жёсткостью; он показывает, какую силу нужно приложить, чтобы растянуть пружину на 1 м. Единица жёсткости — ньютон на метр (Н/м). Жёсткость зависит от материала, толщины витков, их диаметра и числа.
Если отложить по горизонтальной оси удлинение x, а по вертикальной силу F, точки лягут на прямую, проходящую через начало координат. Чем круче прямая, тем жёстче пружина. Жёсткость находят по графику: k = ΔF / Δx, где ΔF и Δx берут для двух точек на прямой, далеко отстоящих друг от друга.
Виртуальный опыт
В симуляции «Механическая лаборатория» выберите режим «Силы и равновесие», затем «Пружина». Подвешивайте грузы разной массы, по линейке читайте удлинение пружины и записывайте каждую пару «сила — удлинение» в таблицу. По своим данным постройте график F(x) и найдите жёсткость по его наклону.
Ещё одна симуляция по теме: Закон Гука: сила упругости
Таблица измерений
Лабораторная работа №4 · Физика, 7 класс. Изучение упругих деформаций
Фамилия, имя, класс: ____________________ Дата: __________
| № опыта | Масса грузов m, кг | Сила упругости F, Н | Удлинение x, см | Удлинение x, м | k = F / x, Н/м |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | |||||
| 2 | |||||
| 3 | |||||
| 4 |
Расчёт и вывод
Сила упругости: F = m·g, g ≈ 9,8 Н/кг. Например, для m = 0,2 кг F = 0,2 · 9,8 = 1,96 Н.
Например, получились точки: 0,98 Н — 2,0 см; 1,96 Н — 4,0 см; 2,94 Н — 6,0 см.
Жёсткость по графику: k = ΔF / Δx. Для первой и третьей точек ΔF = 2,94 − 0,98 = 1,96 Н, Δx = 6,0 − 2,0 = 4,0 см = 0,04 м, k = 1,96 / 0,04 = 49 Н/м.
Проверка: значения k = F / x в каждой строке таблицы должны быть близки друг к другу. Разброс показывает погрешность опыта.
Шаблон вывода: В ходе работы я исследовал(а) упругую деформацию пружины. Сила упругости растёт … удлинению, график F(x) — … , проходящая через начало координат. Коэффициент жёсткости пружины по графику k = … Н/м. После снятия грузов пружина … , значит деформация была … .
Контрольные вопросы
Какую деформацию называют упругой?
Показать ответ
Такую, которая полностью исчезает после того, как перестала действовать сила: тело возвращает прежние форму и размеры.
Что показывает коэффициент жёсткости?
Показать ответ
Он показывает, какая сила нужна, чтобы растянуть или сжать пружину на 1 м. Например, k = 49 Н/м: для удлинения на 1 см нужна сила 0,49 Н.
Как по графику F(x) понять, какая из двух пружин жёстче?
Показать ответ
У более жёсткой пружины график круче: при одинаковом удлинении сила больше.
Почему жёсткость лучше находить по графику, а не по одной точке?
Показать ответ
Прямая проводится через все точки, и случайные ошибки отдельных измерений частично компенсируются.
Что произойдёт, если подвесить к пружине слишком тяжёлый груз?
Показать ответ
Деформация станет пластической: пружина вытянется и не вернётся к прежней длине, закон Гука перестанет выполняться.
Техника безопасности
- Ставьте штатив устойчиво, лапку закрепляйте так, чтобы он не опрокинулся под грузами.
- Не подвешивайте больше грузов, чем разрешил учитель: пружина может испортиться.
- Грузы вешайте и снимайте над столом, придерживая их рукой, чтобы они не упали на ноги.
- Не растягивайте пружину руками и не отпускайте её резко.
Учителю
ҚМЖ и СОР по теме этой работы ИИ собирает в кабинете Bilim Plus Ұстаз по кодам целей обучения. Симуляцию можно выдать классу или вывести на доску.
Вопросы
- Можно ли сделать работу без оборудования?
- Да, есть виртуальная лабораторная: симуляция «Механическая лаборатория», режим «Силы и равновесие», пункт «Пружина». Её можно выполнить на компьютере или телефоне, а оформлять результат в журнал — по требованию учителя.
- Как записать вывод?
- Напишите, как сила упругости зависит от удлинения, какой получился график, какое значение жёсткости вы нашли и была ли деформация упругой.
- Почему точки не ложатся точно на прямую?
- Есть погрешность линейки, пружина может немного качаться, а указатель трудно увидеть точно напротив штриха. Прямую проводят так, чтобы точки были примерно поровну по обе стороны от неё.