Tíhové zrychlení na několik žákovských způsobů

Podobné dokumenty
KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Měření modulů pružnosti G a E z periody kmitů pružiny

SERIOVÉ A PARALELNÍ ZAPOJENÍ PRUŽIN

Měření hodnoty g z periody kmitů kyvadla

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

Fyzikální praktikum I

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Pracovní list vzdáleně ovládaný experiment. Obr. 1: Matematické kyvadlo.

SCLPX 07 2R Ověření vztahu pro periodu kyvadla

Název: Studium kmitů na pružině

Digitální učební materiál

Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

Digitální učební materiál

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

Digitální učební materiál

Laboratorní úloha č. 3 Spřažená kyvadla. Max Šauer

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

STANOVENÍ TÍHOVÉHO ZRYCHLENÍ REVERZNÍM KYVADLEM A STUDIUM GRAVITAČNÍHO POLE

Mechanické kmitání a vlnění

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

Vybrané experimenty v rotujících soustavách

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

PROTOKOL O PROVEDENÍ LABORATORNÍ PRÁCE

3. Vypočítejte chybu, které se dopouštíte idealizací reálného kyvadla v rámci modelu kyvadla matematického.

MĚŘ, POČÍTEJ A MĚŘ ZNOVU

SCLPX 11 1R Zákon zachování mechanické energie

Určení hmotnosti zeměkoule vychází ze základního Newtonova vztahu (1) mezi gravitačním zrychlením a g a hmotností M Z gravitačního centra (Země).

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická Ústav fyziky a materiálového inženýrství

Pohyb tělesa po nakloněné rovině

VY_52_INOVACE_2NOV42. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 8.

Mechanické kmitání (oscilace)

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Počítačem podporované pokusy z mechaniky

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

1. Několika různými metodami změřte hodnotu tíhového zrychlení. 2. Zjištěný údaj porovnejte s předpokládanou hodnotou.

pracovní list studenta

Laboratorní úloha č. 4 - Kmity II

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Mechanické kmitání a vlnění, Pohlovo kyvadlo

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

PRAKTIKUM I Mechanika a molekulová fyzika

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Derivace goniometrických funkcí

Několik příkladů využití elektronických snímačů mechanických veličin při výuce

2. Fyzikální kyvadlo (2.2) nebo pro homogenní tělesa. kde r je vzdálenost elementu dm, resp. dv, od osy otáčení, ρ je hustota tělesa, dv je objem

Název: Matematické kyvadlo

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Harmonické oscilátory

Testovací příklady MEC2

pracovní list studenta

Název: Studium kmitání matematického kyvadla

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

Videoanalýza kmitavého pohybu TRACKERem

1.1. Metoda kyvů. Tato metoda spočívá v tom, že na obvod kola do vzdálenosti l od osy

8.6 Dynamika kmitavého pohybu, pružinový oscilátor

Měření zrychlení volného pádu

Měření magnetické indukce permanentního magnetu z jeho zrychlení

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Porovnání charakteristik klasické a úsporné žárovky s využitím vzdáleně ovládané laboratoře

Laboratorní práce ve výuce fyziky

Fyzikální korespondenční škola 2. dopis: experimentální úloha

ZÁKLADY FYZIKÁLNÍCH MĚŘENÍ FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 5: Měření tíhového zrychlení

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Měření permitivity a permeability vakua

Fyzikální praktikum 1

Mechanické kmitání Kinematika mechanického kmitání Vojtěch Beneš

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 10: Lineární harmonický oscilátor. Pohlovo torzní kyvadlo. Abstrakt

Fyzika - Kvinta, 1. ročník

Měření momentu setrvačnosti

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

Praktická úloha celostátního kola 48.ročníku FO

Veletrh nápadů učitelů fyziky. Gravitační katapult

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

Návrh a realizace úloh do Fyzikálního praktika z mechaniky a termiky

Spolupracovník/ci: Téma: Měření setrvačné hmotnosti Úkoly:

1. Měřením na rotačním viskozimetru zjistěte, zda jsou kapaliny připravené pro měření newtonovské.

Přírodní vědy aktivně a interaktivně

Cavendishův experiment

Vzorový protokol pro předmět Zpracování experimentu. Tento protokol by měl sloužit jako vzor pro tvorbu vašich vlastních protokolů.

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

Experimenty se systémem Vernier

Buffonova jehla. Jiří Zelenka. Gymnázium Zikmunda Wintra Rakovník

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze. Úloha č. 10 : Harmonické oscilace, Pohlovo torzní kyvadlo

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

ROVNOMĚRNĚ ZRYCHLENÝ POHYB

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Fyzikální praktikum I

Měření povrchového napětí

Elektromechanický oscilátor

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

(3) Vypočítejte moment setrvačnosti kvádru vzhledem k zadané obecné ose rotace.

Dynamika. Dynamis = řecké slovo síla

Transkript:

Tíhové zrychlení na několik žákovských způsobů VOJTĚCH ŽÁK Katedra didaktiky fyziky, Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy V tomto příspěvku jsou popsány a diskutovány tři žákovské experimenty, na jejichž základě je možné přibližně určit velikost tíhového zrychlení. Jedná se o experiment s padající kuličkou, kyvadlem a pružinovým oscilátorem. K provedení experimentů stačí použít velmi levné a dostupné pomůcky. Uvedené experimenty a jejich zpracování jsou vhodné zejména do středoškolské výuky. Umožňují rozvinout bohatou fyzikální diskuzi. Úvod S tíhovým zrychlením se žáci středních škol typicky setkávají v rámci výuky volného pádu a kmitání matematického kyvadla. Jeho přibližná hodnota na povrchu Země,, resp., bývá jednou z mála hodnot ( konstant ), jejichž znalost učitelé od žáků vyžadují. Měřením velikosti tíhového zrychlení se v rámci konference Veletrh nápadů učitelů fyziky zabývalo již několik autorů. Např. Konvalinka a Buchar [1] popisují tzv. Lippichův padostroj a uvádějí způsob, jak lze pomocí něj zjistit velikost tíhového zrychlení. Na možnost měření tíhového zrychlení pomocí reverzního kyvadla upozorňuje Havránek [2]. Několik různých způsobů, jak změřit velikost tíhového zrychlení, je obsahem článku Dvořáka [3]. Některé z nich, volný pád a závaží na pružině, jsou uvedeny také v tomto článku. Kromě nich se zabýváme ještě využitím matematického kyvadla k měření tíhového zrychlení. U všech způsobů uvádíme typické naměřené hodnoty a stručně se zmiňujeme také o přesnějších vědeckých měřeních tíhového zrychlení z nedávné doby. Tři náměty na žákovské měření velikosti tíhového zrychlení Pád kuličky K určení velikosti tíhového zrychlení g je možné využít vztah pro dráhu s volného pádu,, kde t je doba volného pádu. Z něj můžeme vyjádřit. V Tab. 1 uvádíme doby pádu golfového míčku z výšky s = 2 m změřené stopkami na mobilním telefonu. Tab. 1. Doba pádu golfového míčku z výšky 2 m 0,70 0,69 0,75 0,66 0,69 0,66 0,61 Vypočítáme-li aritmetický průměr doby pádu, t = 0,68 s, a dosadíme-li do vztahu pro tíhové zrychlení, dostáváme 251

Tento výsledek není příliš přesný (od skutečné hodnoty se liší zhruba o 10 %), na druhou stranu se nejedná o hodnotu, která by byla zcela mimo. Se žáky můžeme diskutovat, které okolnosti mohly způsobit, že je měření nepřesné způsob měření času (vliv reakční doby), pád v prostředí s odporem vzduchu, nepřesné měření dráhy pádu apod. Ještě uveďme, že výše uvedený výsledek dobře koresponduje s výsledky uvedenými Dvořákem [3, s. 37]. Kmitání matematického kyvadla Známým způsobem určení velikosti tíhového zrychlení je použití matematického kyvadla. Z obecně známého vztahu pro jeho periodu kde l je délka závěsu kyvadla, dostáváme pro velikost tíhového zrychlení, Experiment můžeme provést např. tak, že měříme vždy deset period kyvadla pomocí stopek na mobilním telefonu a měření několikrát opakujeme pro kyvadlo stejné délky (závěsu), nebo můžeme měřit deset period kyvadel různých délek. V Tab. 2 jsou uvedeny změřené hodnoty pro pět různě dlouhých kyvadel. Postupovalo se tak, že nejprve bylo provedeno měření s nejdelším kyvadlem. Nit tvořící závěs pak byla postupně zkracována. Tab. 2. Perioda kyvadla pro různé délky závěsu a dopočítaná velikost tíhového zrychlení 0,188 0,286 0,432 0,542 0,690 0,85 1,06 1,32 1,47 1,66 10,27 10,05 9,79 9,90 9,89 Velikost tíhového zrychlení pak můžeme určit jako aritmetický průměr výše vypočtených hodnot. Na základě Tab. 2 vychází Velikost tíhového zrychlení můžeme určit také na základě grafu závislosti periody kyvadla na délce jeho závěsu, který vytvoříme pomocí MS Excel (viz Obr. 1). K proložení změřených dat křivkou a k určení rovnice předpokládané závislosti doporučujeme použít v tomto softwaru např. následující cestu : Rozložení Spojnice trendu Další možnosti spojnice trendu Typ trendu a regrese: mocninný Zobrazit rovnici v grafu 252

perioda / s 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Závislost periody kyvadla na délce závěsu y = 2,0186x 0,5155 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 délka / m Obr. 1. Graf závislosti periody kyvadla na délce jeho závěsu Rovnici, kterou určil MS Excel, můžeme porovnat s teoretickým vztahem pro periodu matematického kyvadla,. Z jejich porovnání je zřejmé, že druhé odmocnině v teoretickém vztahu dobře odpovídá exponent 0,5155. Dále je zřejmé, že faktoru 2,0186 má odpovídat číselná hodnota výrazu. Snadno dopočítáme, že řešením je. Z předchozího je zřejmé, že na základě výpočtu aritmetického průměru (viz Tab. 2) a teoretického vztahu (viz Obr. 1) můžeme dostat poněkud odlišné hodnoty tíhového zrychlení. Domníváme se, že nemá smysl se žáky na střední škole rozebírat, jakým způsobem MS Excel předpokládanou závislost určuje, smysl ale vidíme v tom, seznámit žáky s existencí softwaru, který tyto závislosti umí vytvořit. Kmitání pružinového oscilátoru Patrně méně známým způsobem určení velikosti tíhového zrychlení je pro širší učitelskou obec využití pružinového oscilátoru. Po zavěšení závaží o hmotnosti m na pružinu o tuhosti k nastane (po určité době) rovnováha tíhové síly a síly pružnosti (závaží bude v klidu) při prodloužení pružiny o Δl, přičemž platí kde g je velikost tíhového zrychlení. Dále využijeme vztah pro úhlovou frekvenci ω pružinového oscilátoru,, a vztah, který platí mezi úhlovou frekvencí a periodou T,. Postupnými úpravami dostáváme 253

Poslední uvedený vztah formálně připomíná vztah odvozený v případě matematického kyvadla. Připomeňme ale, že v případě pružinového oscilátoru znamená Δl prodloužení, kterého pružina dosáhne, když na ni v tíhovém poli Země zavěsíme závaží a ustálí se v klidu. V našem konkrétním měření (viz Tab. 3 níže) je Δl = 6,8 cm. Tab. 3. Perioda pružinového oscilátoru pro různé amplitudy 1,0 2,0 3,0 4,0 0,527 0,528 0,518 0,536 Z Tab. 3 snadno určíme aritmetický průměr period; po zaokrouhlení T = 0,527 s. Velikost tíhového zrychlení určíme jako Také tento výsledek dobře odpovídá výsledku uvedenému Dvořákem [3, s. 40]. Při tomto měření žáky někdy napadne, zda výsledek měření nezávisí na tom, jak moc pružinu se závažím na začátku pohybu natáhnou (vychýlí z rovnovážné polohy). Jak je zřejmé z výše uvedeného vztahu mezi úhlovou frekvencí, tuhostí pružiny a hmotností závaží, na ničem jiném podle teorie úhlová frekvence, a tedy ani perioda, nezávisí. Doporučujeme, aby si žáci vyzkoušeli nastavit postupně různé amplitudy (viz výše nebo např. 2 cm, 4 cm a 6 cm) a přesvědčili se o této nezávislosti i experimentálně. Hloubavějším z nich položme otázku, zda bude tato nezávislost platit pro libovolné výchylky? Nedávná měření velikosti tíhového zrychlení Měření velikosti tíhového (resp. gravitačního) zrychlení se pochopitelně s rozvojem fyziky zpřesňovala. Zařízení, pomocí něhož se provádějí tato měření, se jmenuje gravimetr. V článku [4] je uveden příklad jednoho gravimetru. Není bez zajímavosti, že k měření se využívá pád tělesa v prostředí s malým odporem vzduchu (v evakuované komůrce) a laserový interferometr. Přesnost těchto měření je obdivuhodná; nepřesnost je v řádu. Pro zajímavost dodejme, že výzkumníci se v této souvislosti zajímají i o to, jaké zkreslení může způsobit dopad fotonů laserového světla na těleso použité k měření. Podle [4, s. 175] se jedná o chyby v řádu a menší. 254

Závěr V tomto příspěvku byly popsány a diskutovány tři žákovské experimenty, na jejichž základě je možné určit velikost tíhového zrychlení měření související s volným pádem, pohybem matematického kyvadla a pružinového oscilátoru. K provedení experimentů stačilo použít levné a dostupné pomůcky, ale zájemci mohou využít i videozáznam pohybů a provést jeho analýzu. Uvedené experimenty a jejich zpracování jsou vhodné zejména do středoškolské výuky, ale pokud neodvozujeme použité vztahy pro velikost tíhového zrychlení, mohou být tyto experimenty zařazeny i do výuky ke konci základní školy. Je zřejmé, že fyzikové v současné době zvládají určit velikost tíhového zrychlení s mnohem větší přesností, než ukazují výše uvedené žákovské pokusy, nicméně jejich přínos do výuky může být v tom, že žáci přibližně ověří hodnotu velmi známé fyzikální konstanty několika způsoby, s využitím jednoduchých pomůcek a poměrně přesně. Literatura [1] Konvalinka, R., & Buchar, M. (1999). Lippichův padostroj. Veletrh nápadů učitelů fyziky 4: Sborník z konference (s. 128). Příbram: Klub Amavet, Q-klub Příbram. [2] Havránek, V. (2006). Expedice Kopeček aneb odhalení záhady magnetických kopců. In R. Holubová (Ed.), Veletrh nápadů učitelů fyziky XI: Sborník z konference (s. 176 179). Olomouc: Univerzita Palackého, JČMF. [3] Dvořák, L. (2015). Další nápady z Malé Hraštice 4: tíhové zrychlení stokrát jinak. In V. Vochozka (Ed.), Veletrh nápadů učitelů fyziky 19: Sborník z konference (s. 36 40). Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. [4] Niebauer, T. M., Sasagawa, G. S., Faller, J. E., Hilt, R., & Klopping, F. (1995). A new generation of absolute gravimeters. Metrologia, 32, 159 180. 255