Проверка второго закона механики при помощи самодельного акселерометра. Прибор для изучения движения свободно падающего тела

Общий вид простейшего акселерометра показан на рисунке 4. В верхней части груза, имеющего цилиндрическую форму, делают отверстие, в которое плотно вставляют вертикальный штырек. Сверху прибора крепится специальная рамка, имеющая два бортика (рис. 5,а). В горизонтальной части рамки делается прорез, как показано на рисунке 5,6. Такая форма прореза необходима для того, чтобы вертикальный штырек мог заклиниваться при резкой остановке прибора.

Отверстия под винты для крепления рамки делают удлиненными, чтобы удобно было отрегулировать прибор на начальное деление шкалы.

Шкалу (рис. 5,в) и ползунок-указатель (рис. 5,г) делают из плотной белой бумаги. Деления шкалы через одно закрашивают черной тушью, а ползунок — красной. Шкала крепится в вертикальном положении к задней стенке рамки скрепками или зажимами.

Корпус акселерометра изготовляют из жести или тонкого алюминия, груз — из железа или латуни. Величина груза зависит от упругости используемых пружин. Чем больше масса груза, тем более чувствителен прибор, однако прогиб груза с пружинами не должен быть большим. Пружины можно использовать от динамометра Бакушинского.

После изготовления акселерометр испытывают. При резкой остановке движущегося прибора вертикальный штырек должен заклиниваться в клинообразной части зазора рамки.

Для проведения опыта акселерометр укрепляют на тележке. На той же тележке можно укрепить демонстрационный динамометр с привязанной к нему нитью, второй конец которой перекидывают через неподвижный блок, укрепленный на краю стола.

Ползунок-указатель должен слегка прижиматься к боковым стенкам рамки, чтобы при движении тележки по столу он не подпрыгивал и самопроизвольно не перемещался вдоль шкалы.

Нулевое положение ползунка-указателя фиксируется стрелкой. Стрелку можно вырезать из картона и, согнув, навесить на шкалу.

Для исследования зависимости ускорения от величины действующей силы свободный конец нити, прикрепленный к тележке, нагружают грузиками. Отпустив тележку, следят за перемещением ползунка-указателя вдоль шкалы. Подбором наименьшего грузика добиваются, чтобы ползунок переместился только на одно деление.

Увеличение действующей силы в 2, 3 и т. д. раза приводит к перемещению ползунка на два, три и т. д. деления.

Исследование зависимости ускорения от массы проводится аналогично. Масса подвижной системы меняется в 2, 3 и т. д. раза, и при определенной величине груза передвижение ползунка изменяется в такое же число раз.

Прибор для изучения движения свободно падающего тела и тела, брошенного вертикально вверх. При изучении кинематики в курсе физики средней школы целесообразно поставить практическую работу по изучению движения свободно падающего тела, а также движения тела, брошенного вертикально вверх.

Выполнить эту работу можно при помощи предлагаемого прибора (рис. 6), состоящего из цилиндра 1, установленного на шариковых подшипниках 2, укрепленных в двух железных плитах 3, представляющих собой в плане равносторонние треугольники. Эти плиты в свою очередь жестко крепятся тремя стойками 4 одинаковой длины. Стойка, вдоль которой скользит ползунок 5, некруглого сечения для ориентации ползунка относительно цилиндра при его падении и подъеме.

На верхней плите установлен электродвигатель 6 с числом оборотов до 1200 в минуту, соединенный с осью цилиндра 1 резиновой муфтой 7.

Выверка прибора в вертикальной плоскости осуществляется с помощью регулировочных винтов 8 и отвеса 9.

Пишущее острие (кисть) 10 укреплено неподвижно на ползунке 5, который удерживается на стойке в верхнем положении при помощи нити 11 и пластинчатой пружины 12.

На нижней плите под ползунком 5 укреплена упругая пружина 13, с помощью которой ползунок подбрасывается вверх.

Работа с прибором выполняется в следующем порядке. Ползунок 5 с укрепленной на нем кисточкой, предварительно смоченной в краске, подвешивается на нити II. Пускают электродвигатель и с помощью реостата устанавливают необходимое число его оборотов, например 600 оборотов в минуту. При пережигании нити ползунок свободно падает. На цилиндре 1 остается записанный график движения в виде спирали.

Выключив двигатель, ползунок с пером поднимают вверх, на цилиндре прочерчивается прямая линия, вдоль которой измеряют расстояния между соседними витками.

Измерив расстояние между витками, учащиеся убеждаются, что пути, проходимые свободно падающим телом в любые равные, но последовательные промежутки времени, относятся между собой, как последовательный ряд нечетных чисел.

Зная число оборотов в минуту (600), а следовательно, и время одного оборота (0,1 сек), можно вычислить ускорение этого движения по формуле:

Исследование движения тела, брошенного вертикально вверх, осуществляется так.

Пружина 13 в сжатом состоянии фиксируется с помощью нити. При пережигании нити ползунок 5 под действием упругой силы пружины будет отброшен вертикально вверх и 'захвачен пластинчатой пружиной 12.

Изучение полученной спирали позволяет прийти к заключению, что движение тела, брошенного вертикально вверх, равномерно замедленное. Кроме того, по данным измерения спирали можно вычислить начальную скорость ползунка и его замедление.

При изготовлении, учащимися школы № 705 г. Москвы одного из вариантов прибора были использованы:
1) электродвигатель от швейной машины мощностью 40 вт, 5000 об/мин, в цепь с напряжением 220 в, включался через реостат 1000 ом, 0,5 а;
2) цилиндр дюралевый высотой 580 мм, диаметром 50 мм;
3) стойки круглого сечения, стальные, длиной 650 мм, диаметром 100 мм;
4) плиты из мягкой стали толщиной 4 мм, вырезанные в виде равносторонних треугольников с длиной сторон 300 ММ;
5) ползунок, круглого сечения, толщиной 15 мм, диаметром 60 мм. Для крепления кисточки в ползунке было просверлено отверстие глубиной 15—20 мм по диаметру и перпендикулярно ему — отверстие с резьбой для крепящего винта.