Лабораторные способы определения ускорения свободного падения

Измерение ускорения свободного падения разными методами
опыты и эксперименты по физике (9 класс) на тему

Экспериментально измерить ускорения свободного падения разными методами и выяснить, какой из них более всего приближен к табличному значению.

Скачать:

Вложение	Размер
issledovatelskaya_rabota.docx	297.81 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

« Лицей №11 Ворошиловского района Волгограда»

Открытый городской конкурс

Старшеклассников в рамках

Городского научного общества

Учащихся “Я и Земля”

Измерение ускорения свободного падения разными методами

Ученики 9 класса «А» МОУ Лицей №11

Лачугина Вера Алексеевна,

Меренкова Ксения Петровна.
Руководитель:
Маканова Людмила Генриховна.

г. Волгоград
2017 г

Содержание:

История открытия ускорения свободного падени…………………………..4

Методы измерения ускорения свободного падения. 6

Практическая часть. 7

Цель работы:

Экспериментально измерить ускорения свободного падения разными методами и выяснить, какой из них более всего приближен к табличному значению.

• Провести измерения различных физических величин для определения ускорения свободного падения (самостоятельно).
• Выяснить, какой из методов даст более точный результат ,согласно табличным данным
• Приобрести навык работы с физическими приборами
• Научиться оценивать погрешность измерения.

Обоснование выбора темы:

Ускорение свободного падения на Земле на высотах не превышающих 100 метров можно считать постоянным и равным 9,8 м/с 2 . У поверхности Земли ускорение свободного падения одинаково не везде, причина в том, что : 1)экваториальный радиус Земли больше полярного

2) сплюснутость у полюсов;

3) вращение Земли.

Точное значение ускорения свободного падения находит применение в практической деятельности людей.

• при траекторных расчетах искусственных спутников Земли.
• в геофизике: распределении масс внутри и вне Земли;
• в геологии — при поиске полезных ископаемых;

Из школьного курса физики мы знаем, что на все тела действует сила тяжести, F т = mg. Эта сила влияет на движение тел. При решении задач необходимо учитывать эту силу.

При выполнении экспериментальных работ значение ускорения свободного падения, не всегда точно совпадает с тем, которое взято из справочного материала и применяется при решении задач. Из дополнительной литературы мы выяснили , что существует много способов измерения ускорения свободного падения, захотелось самостоятельно опробировать некоторые из них .а может быть изобрести и свой метод. Поэтому мы считаем, что тема актуальна.

Ускорение свободного падения.

В Древней Греции механические движения делились на естественные и неестественные.

Ученый древней Греции Аристотель утверждал, что тело падает на Землю быстрее, если его масса больше. Впервые поспорил с Аристотелем, итальянский ученый физик Галилео Галилей . Он отказался от древнегреческого деления механических движений, и впервые стал использовать физические понятия равномерного и равноускоренного движений. Исследовал механическое движение измеряя расстояния и временя движения.

Особое внимание Галилей уделял исследованию свободного падения тел. Хорошо известны его эксперименты с использованием наклонной башни в городе Пизе. Галилей одновременно ронял с башни полуфунтовый шар и стофунтовую бомбу .И шар . и бомба достигали поверхности Земли почти одновременно: бомба опередила шар всего на несколько дюймов. Галилео еще в то время объяснил это наличием сопротивления воздуха. Такое объяснение являлось гениальным .В своих работах он опроверг еще одно заблуждение, считалось, что если на тело не действует сила , то движение должно прекратиться. Галилей впервые открывает закон инерции. Он писал, что если на тело действует сила, то результат ее действия не зависит покоится ли тело или движется. При свободном падении на тело постоянно действует сила притяжения, по закону инерции действие сохраняется. Это утверждение принято основой законов свободного падения.

Галилей определил ускорение свободного падения с большой погрешностью. Им было измерено, что если шар падает с высоты 50 м в течение 4 с., то нельзя точно определить g, так как в то время когда жил Галилей не было точного прибора для измерения времени .Средства измерения времени: песочные, водяные часы или изобретенные им часы с маятником не давали большой точности отсчета времени (по сравнению с электронными часами существующие в наше время ) В 1660 г ускорение свободного падения было точно определено Христианом Гюйгенсом .

Чтобы достигнуть большей точности измерений, Галилей предложил уменьшить скорость падения тел. Так стали использовать наклонную плоскость для опытов..

Желоб проделали в доске и поставили наклонно. По нему катился латунный шар. Но как более точно измерить время движения ? Галилей на дне большого сосуда с водой проделал отверстие, через которое вытекала тонкая струя. Она направлялась в маленький сосуд, который предварительно взвешивался. Промежуток времени измерялся по приращению веса сосуда! Пуская шар с половины, четверти и т. д. длины наклонной плоскости, Галилей установил, что пройденные шаром пути относились как квадраты времени движения.

S 1 :S 2 :S 3 = t 1 2 :t 2 2 :t 3 2

Создание воздушных насосов, позволило произвести эксперименты со свободным падением тел в вакууме. И. Ньютон выкачал воздух из длинной стеклянной трубки и бросил сверху одновременно птичье перо и золотую монету. Эти тела сильно различающиеся по своей плотности падали с одинаковой скоростью. Этот опыт доказал предположения Галилея. Опыты, Галилея привели к простому правилу. Это правило в случае свободного падения тел в воздухе выполняется с ограниченной точностью. Поэтому верить в него, как в идеальный случай нельзя. Для полного изучения свободного падения тел необходимо знать, какие при падении происходят изменения физических величин: температуры, давления, и др., то есть исследовать все стороны этого явления. Эти исследования были бы очень сложными, заметить их взаимосвязь было бы трудно, поэтому часто в физике приходится довольствоваться лишь тем, что правило представляет собой некое упрощение единого закона.

. Галилей не только проверил опытом и отстаивал свое правило, но и установил вид движения тела, падающего по вертикали: “. естественное движение падающего тела непрерывно ускоряется”.

Методы измерения ускорения свободного падения.

Существует много способов определения ускорения свободного падения, мы проделали всего четыре:

• Определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника. (Опыт № 1)
• Определение ускорения свободного падения с помощью двойного математического маятника. (Опыт №2)
• Определение ускорения свободного падения традиционным способом (как делал Галилей). (Опыт № 3)
• Определение ускорения свободного падения с помощью прибора для изучения движения тел.(Опыт №4)

Некоторые из этих опытов не требуют специального оборудования, достаточно знать формулу, где h высота падения тела, t время за которое тело достигло земли.

Например : Определение ускорения свободного падения традиционным способом (как делал Галилей).

Практическая часть:

Опыт №1.

Тема : Определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника.

Оборудование : часы с секундной стрелкой, измерительная лента с погрешностью л=0,5 см, шарик с отверстием, нить, штатив с муфтой и кольцом.

1. Установили штатив, у его верхнего конца укрепили при помощи муфты кольцо и подвесили к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 2-5 см от пола.
2. Измерили лентой длину маятника.
3. Отклонили маятник от его положения равновесия на 5-8 см и отпустили его.
4. Измерили время 40 полных колебаний.
5. Повторили опыт еще 2 раза.
6. Вычислили среднее значение времени колебаний.
7. Вычислили среднее значение периода колебаний.
8. Результаты измерений занесли в таблицу.

Источник

Лабораторные способы определения ускорения свободного падения

Существование многочисленных гипотез о физических параметрах, размерах и геометрической форме Земли свидетельствуют, что развитие науки на нашей планете происходило поэтапно. Представление о гравитационном поле Земли постоянно менялось, в XII в. до н.э. Аристотель выдвинул гипотезу о существовании силы притяжения между Землей и другими телами.

Ускорение свободного падения – g – ускорение, придаваемое телу в вакууме силой тяжести, то есть геометрической суммой гравитационного притяжения планеты (или другого астрономического тела) и сил инерции, вызванных её вращением. В соответствии со вторым законом Ньютона, ускорение свободного падения равно силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы [1]. Экспериментально установлено, что ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела, но зависит от географической широты местности и высоты h подъема над земной поверхностью, что обеспечивается эллипсоидальной формой земной поверхности и ее вращением вокруг своей оси [2].

В настоящее время существует множество экспериментальных способов определения ускорения свободного падения, все они делятся на две категории: статистические и динамические методы. В статических методах тело, участвующее в измерениях, находится в момент измерения (фиксации отсчета) в покое, измеряются смещение тела или давление, вызванное весом тела. Приборы, служащие для измерения силы тяжести статическим методом, называются гравиметрами [3].

Широкое распространение получили маятниковые способы, относящиеся к динамическим методам, в которых наблюдают движение тела в гравитационном поле. Последнее представляет собой силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли и центробежной силой, которая возникает вследствие суточного вращения планеты. Гравитационное поле характеризуется силой тяжести, потенциалом силы тяжести и различными его производными.

Маятниковые измерения – относительный метод, позволяющий определить ускорение силы тяжести между гравиметрическими пунктами. Гравиметрическими пунктами называются точки на земной поверхности, в которых измерено ускорение силы тяжести и определены плановые координаты и высоты. Сущность способа заключается в наблюдении свободных колебаний одного и того же маятника на разных пунктах. Преимуществами таких измерений являются: независимость результатов измерений, точность, независимость от продолжительности гравиметрического рейса и от сложности поля [3]. В данной статье проанализированы два способа определения ускорения свободного падения: с помощью физического и оборотного маятников.

Физический маятник – это твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси, проходящей через точку О, не совпадающую с центром масс С (рисунок).

Использование произвольных физических маятников удобно для нахождения отношений значений g в различных точках поля тяготения, но при определении самого значения g возникает трудность точного определения момента инерции маятника, что исключается в методе оборотного маятника, т.к. в его расчетных формулах отсутствует величина момента инерции маятника J0 [5].

Метод оборотного маятника основан на известном свойстве двух точек физического (точки подвеса и точки качания), при последовательном подвешивании маятника в которых его период остается неизменным. Расстояние между этими точками определяется приведенной длиной физического маятника lпр.

Таким образом, если у физического маятника найдены две сопряженные точки, когда периоды колебаний на них T1 и T2 совпадают с точностью до 2-3 с (для этого необходимо выбрать такие точки на маятнике, для которых время одинакового числа колебаний будет отличаться не более чем на 0,3 с), тогда для определения g достаточно точно измерить T0 =T1 = T2 и lпр равное расстоянию между этими точками [4].

Т.к. экспериментально достаточно сложно выбрать точки так, чтобы T1 = T2, то для повышения точности можно использовать теорему Штейнера, на основании которой конечная формула определения ускорения свободного падения будет выглядеть так:

,

где lпр – расстояние между выбранными точками на маятнике, а

.

В ходе эксперимента при N=50, где N – количество колебаний и lпр = 0,230 м было проведено несколько серий измерений, по результатам которых составлена таблица.

Источник

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА: «Экспериментальное определение ускорения свободного падения»

«Экспериментальное определение ускорения свободного падения»

Над проектом работала:

ученицы 9 класса

Родионова Е.В. учитель физики

Чем фундаментальней закон, тем проще его сформулировать

Много тысячелетий назад люди наверняка замечали, что большая часть предметов падает все быстрее и быстрее, а некоторые падают равномерно. Но как именно падают эти предметы — этот вопрос никого не занимал. Откуда у первобытных людей должно было появиться стремление выяснить, как или почему? Если они вообще размышляли над причинами или объяснениями, то суеверный трепет сразу же заставлял их думать о добрых и злых духах. Мы легко представляем, что эти люди с их полной опасности жизнью считали большую часть обычных явлений “хорошими”, а необычные — “плохими”.

Все люди в своем развитии проходят много ступеней познания: от бессмыслицы суеверий до научного мышления. Сначала люди проделывали опыты с двумя предметами. Например, брали два камня, и давали возможность им свободно падать, выпустив их из рук одновременно. Затем снова бросали два камня, но уже в стороны по горизонтали. Потом бросали один камень в сторону, и в тот же момент выпускали из рук второй, но так, чтобы он просто падал по вертикали. Люди извлекли из таких опытов много сведений о природе.

По мере своего развития человечество приобретало не только знания, но и предрассудки. Профессиональные секреты и традиции ремесленников уступили место организованному познанию природы, которое шло от авторитетов и сохранилось в признанных печатных трудах.

Это было началом настоящей науки. Люди экспериментировали повседневно, изучая ремесла или создавая новые машины. Из опытов с падающими телами люди установили, что маленький и большой камни, выпущенные из рук одновременно, падают с одинаковой скоростью. То же самое можно сказать о кусках свинца, золота, железа, стекла, и т.д. самых разных размеров. Из подобных опытов выводиться простое общее правило: свободное падение всех тел происходит одинаково независимо от размера и материала, из которого тела сделаны.

Впоследствии Галилео Галилем был выведен закон ускорения свободного падения, который мы взяли за основу нашей экспериментальной работы .

Основной целью нашего исследования является формирование исследовательских умений при проведении лабораторных работ на уроках физики.

Развить умение проводить наблюдения природных явлений

Описывать и обобщать результаты наблюдений

Использовать простые измерительные приборы для изучения физических явлений

Применять полученные знания для объяснения разнообразных физических явлений и процессов

Ускорение свободного падения было открыто Галилео Галилеем. Вообще, Галилео Галилей это замечательный физик, механик, астроном, философ и математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Он стал первым, кто выяснил, что тяжелые предметы падают вниз так же быстро, как и легкие. Пытаясь проверить это предположение, Галилей сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую по массе мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму и достигли земли одновременно. До него господствовала точка зрения Аристотеля, который утверждал, что легкие тела падают с высоты медленнее тяжелых. Но на основе своего эксперимента Галилей вывел новые законы падения тел для идеального случая.

Все тела при падении движутся одинаково: начав падать одновременно, они движутся с одинаковой скоростью.

Движение происходит с постоянным ускорением; темп увеличения скорости тела не меняется, т.е. за каждую последующую секунду скорость тела возрастает на одну и ту же величину.

Условное обозначение ускорения свободного падения – g и на Земле приблизительно равно 9,8 м/ .

Источник