Eksperymenty fizyczne
1. Eksperyment I Materiały:
Dynamometr (siłomierz) albo gumka recepturka, klocek prostopadłościenny lub pudełko (naj-lepiej o rozmiarach zbliżonych do kostki masła), metalowe haczyki.
Dynamometr (ryc.1) możemy wykonać samodzielnie. Wystarczy sprężyna, dwie rurki kartono-weo różnych średnicach i dwa haczyki z twardego drutu. Sprężynę zaginamy na obu końcach.
W szerszej rurce mocujemy na stałe jeden koniec sprężyny, do rurki przyczepiamy haczyk. Do drugiego końca sprężyny mocujemy cieńszą rurkę zakończoną z drugiej strony haczykiem.
Czarnym flamastrem rysujemy skalę – kreski co 1/2 lub 1 cm – w zależności od długości rurki.
Wydłużenie sprężyny jest proporcjonalne do przyłożonej siły. Oczywiście, najwygodniej (choć przy mniejszej satysfakcji własnej!) kupić dynamometr lub wagę sprężynową w sklepie z różny-mi drobiazgaróżny-mi AGD.
Wykonanie:
Zacznijmy od bardzo prostego doświadczenia. Na płaskim podłożu (np. stole) kładziemy klocek (pudełko) z haczykiem i przy pomocy dynamometru lub zwykłej gumki recepturki spróbujmy wprowadzić klocek w ruch (ryc.2).
Zauważmy, że musimy użyć pewnej siły, by ciało ruszyło z miejsca. W momencie, gdy klocek rusza, starajmy się utrzymać go w ruchu jednostajnym. Widzimy, że siła, której wtedy należy użyć do pod-trzymania ruchu, jest mniejsza od siły potrzebnej do ruszenia ciała z miejsca. Jeżeli dysponujemy dynamometrem, to zanotujmy wartość siły potrzebnej do wprowadzenia klocka w ruch (siła tarcia statycznego) i siłę potrzebną do zapewnienia ruchu jednostajnego (siła tarcia kinetycznego).
Ryc. 1.
Ryc. 2.
Jakie możemy wyciągnąć wnioski?
1. Gdy klocek spoczywa, to siła tarcia, równa sile przyłożonej przez nas za pośrednictwem gumki lub dynamometru, rośnie od zera do pewnej wartości maksymalnej i zawsze jest równa sile próbującej ruszyć ciało (bo ciało jest w spoczynku!). To tarcie nazywamy sta-tycznym.
2. W czasie ruchu klocka, siła potrzebna do utrzymania go w ruchu jednostajnym jest mniejsza od siły potrzebnej do wprowadzenia klocka w ruch. To tarcie w ruchu nazywa się kinetycznym, a siła tarcia kinetycznegojest mniejsza od maksymalnej siły tarcia sta-tycznego.
Dlaczego tak się dzieje? Otóż powierzchnie trące, mimo że wyglądają na bardzo gładkie, są w rzeczywistości nierówne (ryc.3).
Chcąc przesunąć jedno ciało, powodujemy zaczepianie nierówności o siebie i konieczność uży-cia coraz większej siły. Po ruszeniu z miejsca, siła potrzebna do utrzymania ruchu jest już nieco mniejsza.
2. Eksperyment II Materiały:
Dynamometr (siłomierz) albo gumka recepturka, dwa klocki prostopadłościenne lub pudełka (najlepiej o rozmiarach zbliżonych do kostki masła), metalowe haczyki.
Wykonanie:
To doświadczenie jest kontynuacją poprzedniego. Na klocek kładziemy dowolny ciężarek lub inny podobny klocek i powtarzamy poprzednie doświadczenie. Zauważymy, że siła jakiej mu-simy użyć, aby ciało ruszyło z miejsca, a następnie poruszało się ruchem jednostajnym, jest większa niż w poprzednim doświadczeniu. Oznacza to, że rośnie też siła tarcia, czyli im większy nacisk, tym większa siła tarcia. Wynika z tego, że jeżeli nasz samochód nie chce ruszyć na śliskiej jezdni, to warto posadzić w środku kilku pasażerów o słusznej wadze... Może pomóc!
Jeżeli dysponujemy dynamometrem, to możemy wyznaczyć wartość siły tarcia i ciężar ciała.
Wyniki umieszczamy w tabeli:
Ryc. 3.
Powinniśmy każdy pomiar powtórzyć co najmniej trzy razy i obliczyć średnie otrzymanych wy-ników. Siła F1 jest siłą tarcia statycznego Ts, a siła F2 jest siłą tarcia kinetycznego Tk. Ciężar kloc-ków P jest siłą nacisku Fn. Wartości fs i fk są współczynnikami tarcia statycznego i kinetycznego.
Wielkości te są bezwymiarowe. Z pomiarów wynika, że fs< fs, a wzór na wyliczenie siły tarcia T = f • Fn, gdzie Fn jest siłą nacisku, zawsze prostopadłą do trących powierzchni. W przypadku siły tarcia statycznego, wzór ten określa wartość maksymalną siły tarcia, bo może się ona zmieniać od zera do tej wartości. Jeżeli dysponujesz większą ilością różnych ciężarków, to możesz wyko-nać wykres zależności T(Fn). Współczynnik tarcia f będzie wtedy równy tangensowi nachylenia prostej do osi odciętych.
3. Eksperyment III Materiały:
Ołówek lub patyk, klucz z dużym „uchem” lub kółko z kluczami.
Wykonanie:
Różnicę pomiędzy tarciem statycznym i kinetycznym możemy zaobserwować w prostym do-świadczeniu.Ołówek lub patyczek wsadzamy do ucha klucza lub kółka z kluczami i delikatnie odchylamy go od poziomu tak, by klucz się nie zsuwał (patrz zdjęcie poniżej).
Jeżeli będziemy obracać ołówek wokół jego osi, to klucz zacznie się zsuwać, bo siła tarcia kine-tycznego jest mniejsza od stakine-tycznego. Kiedy znowu przestaniemy obracać ołówek, to klucz przestanie się zsuwać.
4. Eksperyment IV Materiały:
Klocek lub pudełko prostopadłościenne o krawędziach różnej długości.
Wykonanie:
Sprawdzamy teraz, czy siła tarcia zależy od wielkości powierzchni klocka. Pudełko kładziemy kolejno na trzech różnych ściankach (patrz zdjęcie poniżej) i mierzymy siłę potrzebną do rusze-nia pudełka z miejsca.
Okazuje się, że jest ona zawsze taka sama, czyli siła tarcia nie zależy od wielkości powierzchni trących.
5. Eksperyment V Materiały:
Klocek lub pudełko prostopadłościenne, woda, olej.
Wykonanie:
Sprawdzamy teraz, jak siła tarcia zależy od rodzaju trących powierzchni. Powierzchnię stołu lub deseczki, po której przesuwaliśmy dotychczas klocki, zwilżamy niewielką ilością wody (oko-ło 1 mm), tworząc niewielką „kałużę”. Następnie przeprowadzamy pomiar siły tarcia klocka po mokrym stole. Doświadczenie możemy powtórzyć, używając zamiast wody oleju. Porównajmy wynik z uzyskanym poprzednio na suchym stole. Siła potrzebna do wprawienia ciała w ruch wyraźnie się zmniejszyła, a więc tarcie, po wprowadzeniu pomiędzy trące powierzchnie cie-czy, wyraźnie się zmniejszyło! Technicy używają takiego sposobu, aby zmniejszyć tarcie pomię-dzy częściami maszyn. Zamiast wody stosują oleje, bo mają one wyższe temperatury wrzenia (mniejsze ubytki w czasie pracy) i nie są tak agresywne chemicznie jak woda.
6. Eksperyment VI Materiały:
Klocek lub pudełko prostopadłościenne, deska o długości ok. 1,5 m, linijka lub większy kątomierz.
Wykonanie:
Wyznaczymy współczynnik tarcia przy pomocy równi pochyłej. Na poziomej deseczce usta-wiamy klocek lub pudełko. Następnie podnosimy deseczkę za koniec, przy którym leży klocek, starając się dokładnie określić wysokość h i odległość d (ryc. 4) lub kąt α, przy którym klocek zaczyna się zsuwać po deseczce.
Powtarzamy doświadczenie kilka razy (większa liczba pomiarów zwiększa dokładność), no-tując w tabeli wysokość h i odległość d lub/i kąt α. Współczynnik tarcia wyliczamy ze wzoru tgα= f lub h/d = f. Jest to wartość współczynnika tarcia pomiędzy danym klockiem, a konkretną deseczką. Jeżeli zmienimy zsuwający się przedmiot lub deseczkę, to f będzie miał inną wartość.
Zależność f = tgα wyprowadzamy przyjmując, że w momencie rozpoczęcia ruchu klocka, siła zsuwająca F = mg sinα (składowa siły ciężkości) jest równa sile tarcia T = f • Fn, gdzie Fn jest siłą nacisku i jest równa mg cosα (druga składowa siły ciężkości, ryc. 5).
Jeżeli F = T, to mg sinα = f mg cosα, a więc sinα = f cosα, sinα /cosα = f, czyli f = tgα.
Ryc. 5.
Ryc. 4.
7. Eksperyment VII Materiały:
Łańcuszek lub elastyczna nitka.
Wykonanie:
Współczynnik tarcia f możemy wyznaczyć też inną metodą, niż opisana w poprzednim doświad-czeniu. Na stole kładziemy łańcuszek lub elastyczną linkę tak, aby część zwisała ze stołu (ryc. 6).
Następnie zwiększamy część zwisającą do momentu, gdy łańcuszek zacznie sam zsuwać się ze stołu. Możemy przyjąć, że w tym momencie siła tarcia części łańcuszka leżącego na stole jest równa ciężarowi części łańcuszka wiszącego w powietrzu. Wtedy mierzymy długość części łań-cuszka leżącą na stole a oraz wiszącą w powietrzu b. Zakładamy, że gęstość ρ i pole przekroju S łańcuszka są stałe. Siła tarcia części łańcuszka leżącej na stole T = f Fn.
Długa szczotka do zamiatania lub coś podobnego – mop, laska, kij bilardowy.
Wykonanie:
Na zakończenie proponujemy bar-dzo efektowne doświadczenia, po-zwalające znaleźć środek masy. Wy-konanie doświadczenia jest proste, ale wyjaśnienie jego przebiegu i rezultatu już nie. Szczotkę kładzie-my poziomo na palcach wskazują-cych obu rąk (patrz zdjęcie obok).
Ryc. 6.
Następnie równocześnie powoli przesuwamy oba palce do środka, aż do zetknięcia. Ku nasze-mu zaskoczeniu, drążek pozostaje w równowadze w czasie ruchu, a w końcu palce spotykają się pod punktem, gdzie znajduje się środek masy, a podparty w tym miejscu drążek pozostaje w równowadze (patrz zdjęcie poniżej).
Do wyjaśnienia tego doświadczenia wykorzystamy zależność siły tarcia od siły nacisku. Z róż-nych powodów (m.in. różnej gładkościi nierówności kija) drążek pozostaje unieruchomiony na jednym palcu, a porusza się dalej po drugim. Wtedy na tym drugim palcu będzie oparta większa część drążka, zwiększa się nacisk na ten palec i rośnie siła tarcia. W związku z tym na pierwszy palec działa mniejszy nacisk i zmniejsza się siła tarcia pomiędzy tym palcem, a kijem.
Drążek zaczyna się teraz poruszać nad pierwszym palcem, a nad drugim jest nieruchomy. I tak na zmianę, na krótkich odcinkach, aż palce spotkają się pod środkiem masy.
9. Eksperyment IX
Drugim, prawie magicznym doświadczeniem, które tłumaczy się w ten sam sposób, jest ukła-danie monety na pasku cienkiego kartonu
Materiały:
Moneta, pasek cienkiego kartonu.
Wykonanie:
Ustawienie monety na takim pasku jest bardzo trudne. Jeżeli jednak zegniemy kartonik i poło-żymy na zgięciu monetę, to po ostrożnym wyprostowaniu kartonu uzyskamy sukces.
Cele: Wskazać na powszechną obecność zjawisk elektrycznych i magnetycznych w środowisku człowieka.
a- zjawiska elektryczne i magnetyczne w przyrodzie,
b- zjawiska elektryczne i magnetyczne w organizmach żywych, c- zjawiska elektryczne i magnetyczne w technice.
Plan pracy:
• Opór zastępczy układu oporników.
• Prawa Kirchhoffa.
• Praca i moc prądu elektrycznego.
• Linie pola magnetycznego.
• Siła elektrodynamiczna.
• Pole magnetyczne prądu.
• Indukcja elektromagnetyczna.
• Prądy wirowe.
• Siła elektromotoryczna ogniwa i opór wewnętrzny.
• Charakterystyka prądowo-napięciowa opornika omowego.
Najważniejsze pojęcia:
Linie pola magnetycznego – służą do graficznego przedstawienia pola magnetycznego. Igła magnetyczna ustawia się w każdym punkcie pola magnetycznego stycznie do linii pola.