Исследование соотношений между путями
методическая разработка по физике

Тема: Исследование соотношения между путями, пройденными телом за последовательные равные промежутки времени при равноускоренном движении с начальной скоростью, равной нулю.

Цель: Исследовать соотношения между расстояниями, пройденными шариком за последовательные равные промежутки времени при равноускоренном движении.

Оборудование: штатив с лапкой и муфтой, шарик металлический,  секундомер, измерительная лента, жёлоб прямой, небольшой грузик (цилиндр), линейка, транспортир.

Теоретический материал

Изучая свободное падение тел с Пизанской башни, Галилей был заинтересован не только качественно описать явление, но и получить количественные результаты. Но тела падали слишком быстро, а приборов, которые точно бы фиксировали положение падающих тел в определенные моменты времени, не было. Не было также ни секундомеров, ни точных часов.

Чтобы замедлить падение тел, Галилей придумал простой опыт с наклонной плоскостью. Для эксперимента он использовал узкую доску с жёлобом, который был покрыт пергаментом (для уменьшения силы трения). По жёлобу скатывался бронзовый шар. Для отсчета промежутков времени Галилей использовал либо собственный пульс, либо «водяные часы»​ (равные массы воды вытекали из большой бочки через тонкую трубку за равные промежутки времени). Галилей выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше (т.е. зависимость квадратичная).

В результате экспериментов удалось установить, что расстояния, пройденные телом за последовательные равные промежутки времени относятся друг к другу как 1:3:5:7 и т. д. Галилей также обнаружил, что данная закономерность выполняется независимо от угла наклона плоскости.

Свободное падение – это движение тела только под влиянием притяжения его к земле.

Ускорение свободного падения – это ускорение, которое Земля сообщает всем телам, находящимся у ее поверхности.

Свободное падение – это не обязательно движение вниз. Если начальная скорость направлена вверх, то тело при свободном падении некоторое время будет лететь вверх, уменьшая свою скорость, и лишь затем начнет падать.

При падении тел в воздухе на их движение влияет сопротивление воздуха. Поэтому ускорение тел не равно ускорению свободного падения. При движении тяжелых тел (камня или, например, спортивного ядра) при малых скоростях, сопротивление воздуха влияет на их движение незначительно. В этом случае движение тел можно рассматривать как свободное падение. При больших же скоростях (снаряд, пуля и т. д.) движение тел нельзя рассматривать, как свободное падение, так как сопротивление воздуха становится существенным. Для легких тел, например пушинки, сопротивление воздуха всегда имеет значение, следовательно их движение в воздухе нельзя рассматривать, как свободное падение.

Ход работы

1. Определяют координату начального положения шарика Х0. Для этого в 2-3 см от верхнего края желоба устанавливают брусок и шарик. Шарик должен находиться выше бруска. Начальную координату Х0 определяют по положению точки соприкосновения шарика и бруска – замечают деление шкалы, рядом с которым находится основание бруска, которого касается шарик. Значение начального положения координаты Х0 записывают в таблицу.
2. Определяют координату шарика Х1. Для этого шарик удерживают рукой в исходном положении, а брусок смещают на 12 см вниз по поверхности желоба. По положению основания бруска, о которое ударится шарик, определяют координату Х1, которую он будет иметь, пройдя путь в 12 см. Значение координаты Х1 записывают в таблицу.
3. Определяют время t1 скатывания шарика из начального положения, соответствующего координате Х0, до положения, соответствующего координате Х1. Для этого шарик отпускают и одновременно включают секундомер. По звуку удара шарика о брусок секундомер останавливают. Результаты записывают в таблицу.
4. Для исключения случайных погрешностей проводят 5 опытов при тех же начальных Х0 и конечных Х1 координатах. Результаты заносят в таблицу.
5. Определяют координату шарика Х2. Для этого шарик удерживают рукой в исходном положении, а брусок смещают на 48 см вниз по поверхности желоба. По положению основания бруска, о которое ударится шарик, определяют координату Х2, которую он будет иметь, пройдя путь в 48 см. Значение записывают в таблицу.
6. Определяют время  t общ скатывания шарика из начального положения, соответствующего координате Х0, до положения, соответствующего координатеХ2. Результаты заносят в таблицу.
7. Проводят 5 опытов при тех же начальных Х0 и конечных Х2 координатах. Результаты заносят в таблицу.
8. Вычислить среднее время  t 1 ср, за которое шарик совершит перемещение в 12 см. (S1=Х1-Х0 )
9. Вычислить среднее время  t общ ср, за которое шарик совершит перемещение в 48 см. (Sобщ=Х2-Х0  )
10. Движение на отрезке Sобщ=48 см состоит из двух этапов. Первый этап включает движение на отрезке S1=  12см, второй этап – на оставшемся отрезке S2 =  36см (втрое длиннее первого): S1 : S2 = 1 : 3
11. Вычисляют время t 2 ср, которое шарик затратил на движение на отрезке S2: t 2 ср  =  t общ ср - t 1 ср. Результаты записывают в таблицу.
12. Сравнивают t 1 ср  и t 2 ср.

13. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение ускорению.
2. Дайте определение ускорению свободного падения.
3. Свободное падение – это  обязательно движение вниз?
4. Каким образом будет двигаться тело при свободном падении, если его начальная скорость направлена вверх?
5. В каком случае движение тел можно рассматривать как свободное падение, а в каких нет? Приведите примеры.