Порядок выполнения работы

Лабораторная работа №4

Преобразование энергии в пружинном маятнике

Цель работы: сравнить изменения кинетической энергии груза и потенциальной энергии пружины.

Оборудование: нетбук, цифровой датчик положения, скамья, штатив с муфтой и зажимом, брусок, пружина, коврик пенополиуретановый.

Описание работы: при колебании груза на пружине в вертикальной плоскости без трения для любой точки траектории выполняется закон сохранения механической энергии, включающей кинетическую энергию груза и потенциальную энергию пружины:

Поэтому, при первом прохождении бруском положения равновесия будет выполняться соотношение:

Справедливость данного соотношения и следует проверить в лабораторной работе.

Порядок выполнения работы

1. Соберите установку для изучения колебаний пружинного маятника (рис.1а).

          Рис. 1

2. Скамья, с помощью зажима на муфте, крепится практически вертикально. Пружина подвешивается на крючок, на нее подвешивается брусок так, чтобы магнит, находящийся на бруске, при движении в пазу скамьи проходил мимо герконов. Пара герконов располагается вплотную друг к другу симметрично относительно положения равновесия пружинного маятника (рис. 1б).

3. Определите массу бруска (m) взвешиванием.

4. Измерьте длину пружины без груза (x ₀) и с подвешенным грузом (x).

5. Используя закон Гука и третий закон Ньютона, рассчитайте коэффициент жесткости пружины (k):

 – масса бруска;

 – ускорение свободного падения (9,8 м/с²);

 – длина пружины с подвешенным грузом;

– длина пружины без груза.

6. Оттяните брусок на пружине так, чтобы он коснулся поверхности стола, и определите по линейке на скамье амплитуду колебаний груза (X). Вычислите потенциальную энергию пружины:

 – амплитуда колебаний пружинного маятника.

7. Заполните таблицу 1.

Таблица 1

Результаты измерений

8. Подключите USB-кабель герконового датчика к компьютеру и запустите программу «Цифровая лаборатория». Выберите сценарий 1.14 «Преобразование энергии в пружинном маятнике». Запустите измерения , оттяните брусок на пружине до касания горизонтальной поверхности стола и отпустите без начальной скорости. Брусок будет совершать затухающие колебания, а при прохождении им положения равновесия на экране будет возникать очередной импульс замыкания геркона. После появления на экране пяти пар импульсов (2 полных колебания) остановите измерения .

9. Выделите и увеличьте область графика (Alt + ЛКМ), содержащую 5 пар импульсов (10 импульсов). С помощью зеленого (ПКМ) и желтого (ЛКМ) вертикальных маркеров измерьте время прохождения бруска мимо двух герконов. Необходимо измерить 5 временных интервалов: t ₁ – время первого прохождения бруска мимо герконов (зеленый маркер установите на начало первого импульса, а желтый на начало второго импульса), t ₂ – время второго прохождения бруска мимо герконов (зеленый маркер установите на начало третьего импульса, а желтый на начало четвертого импульса), t ₃ – время третьего прохождения бруска мимо герконов (зеленый маркер установите на начало пятого импульса, а желтый на начало шестого импульса), t ₄ – время четвертого прохождения бруска мимо герконов (зеленый маркер установите на начало седьмого импульса, а желтый на начало восьмого импульса) и t ₅ – время пятого прохождения бруска мимо герконов (зеленый маркер установите на начало девятого импульса, а желтый на начало десятого импульса). После каждого измерения, заносите значение времени в таблицу .

10. Рассчитайте скорость бруска ( ) при каждом прохождении положения равновесия:

s – расстояние между герконами (2,5 см).

11. Рассчитайте кинетическую энергию бруска при каждом прохождении положения равновесия:

12. Заполните таблицу 2.

Таблица 2

Результаты расчетов

№ измерения	t, с	, м/с	Ek , Дж

13. Проанализируйте полученные значения кинетической энергии (E_k) при прохождении бруском положения равновесия и сделайте вывод об изменении кинетической энергии.

Сравните значение потенциальной энергии пружины (E _п) и кинетической энергии бруска при первом прохождении положения равновесия (E_{k 1}) и сделайте вывод.