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



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

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

Digitální učební materiál

Digitální učební materiál

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

Tíhové zrychlení na několik žákovských způsobů

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Mechanické kmitání a vlnění

Název: Studium kmitů na pružině

Laboratorní úloha č. 4 - Kmity II

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Netlumené kmitání tělesa zavěšeného na pružině

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Testovací příklady MEC2

SERIOVÉ A PARALELNÍ ZAPOJENÍ PRUŽIN

Fyzikální praktikum I

Mechanické kmitání (oscilace)

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

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

I. část - úvod. Iva Petríková

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

8.6 Dynamika kmitavého pohybu, pružinový oscilátor

Mechanické kmitání Kinematika mechanického kmitání Vojtěch Beneš

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

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

Experimenty se systémem Vernier

Měření hodnoty g z periody kmitů kyvadla

9.7. Vybrané aplikace

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

Digitální učební materiál

Fyzikální praktikum 1

ROVNOMĚRNĚ ZRYCHLENÝ POHYB

4.1 Kmitání mechanického oscilátoru

Mechanické kmitání a vlnění, Pohlovo kyvadlo

Harmonické oscilátory

Projekt ŠABLONY NA GVM registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ III-2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

pracovní list studenta

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

Laboratorní úloha č. 3 - Kmity I

Laboratorní úloha č. 3 Spřažená kyvadla. Max Šauer

Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem

Využití systému firmy Vernier při řešení úloh

Derivace goniometrických funkcí

Praktická úloha celostátního kola 48.ročníku FO

GRAVITAČNÍ SÍLA A HMOTNOST TĚLESA

TUHÉ TĚLESO. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

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

Dynamika vázaných soustav těles

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

KINEMATIKA HMOTNÉHO BODU. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

ω=2π/t, ω=2πf (rad/s) y=y m sin ωt okamžitá výchylka vliv má počáteční fáze ϕ 0

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Spolupracovník/ci: Téma: Měření setrvačné hmotnosti Úkoly:

STANOVENÍ TÍHOVÉHO ZRYCHLENÍ REVERZNÍM KYVADLEM A STUDIUM GRAVITAČNÍHO POLE

MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ VLASTNÍ KMITÁNÍ MECHANICKÉHO OSCILÁTORU

Měření modulů pružnosti G a E z periody kmitů pružiny

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Fyzika - Kvinta, 1. ročník

ZRYCHLENÍ KMITAVÉHO POHYBU

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Laboratorní práce č. 3: Měření součinitele smykového tření

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

Derivace goniometrických. Jakub Michálek,

F MATURITNÍ ZKOUŠKA Z FYZIKY PROFILOVÁ ČÁST 2017/18

Tlumené kmitání tělesa zavěšeného na pružině

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

Experimenty se systémem firmy Vernier

Harmonický pohyb tělesa na pružině

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

MECHANICKÉ KMITÁNÍ NETLUMENÉ

3 Mechanická energie Kinetická energie Potenciální energie Zákon zachování mechanické energie... 9

Téma: Dynamiky - Základní vztahy kmitání

Dynamika soustav hmotných bodů

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

KMS cvičení 6. Ondřej Marek

Několik příkladů využití elektronických snímačů mechanických veličin při výuce

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

Obsah 11_Síla _Znázornění síly _Gravitační síla _Gravitační síla - příklady _Skládání sil _PL:

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

2.1 Pokyny k uzavřeným úlohám. 2.2 Pokyny k otevřeným úlohám. Testový sešit neotvírejte, počkejte na pokyn!

Dynamika. Dynamis = řecké slovo síla

10. Energie a její transformace

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

Projekt ŠABLONY NA GVM registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ III-2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

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

Elektromagnetický oscilátor

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

Protokol o provedeném měření

FYZIKA I. Gravitační pole. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

Laboratorní úloha č. 5 Faradayovy zákony, tíhové zrychlení

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

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

Transkript:

KMITÁNÍ PRUŽINY Pomůcky: LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině Postup: Těleso zavěsíme na pružinu a tu zavěsíme na pevně upevněný siloměr (viz obr. ). Sondu připojíme k LabQuestu a nastavíme frekvenci měření na 50 Hz a rozkmitáme těleso zavěšené na pružině. Aby bylo měření přesnější, je vhodné udělit oscilátoru větší počáteční výchylku, případně měření v průběhu kmitání tělesa na pružině zopakovat vícekrát. Tím alespoň částečně eliminujeme případné nepravidelnosti v kmitání, které mohly vzniknout při počátečním vychylování tělesa zavěšeného na pružině. Pro dosažení kvalitních výsledků je nutné, aby těleso kmitalo pouze ve vertikálním směru. obr. Graf závislosti velikosti okamžité síly působící na pružinu na čase je zobrazen na obr.. Těleso kmitalo na pružině ve vzduchu, přesto je možné na základě grafu na obr. zanedbat vliv odporových sil. Velikost maximální síly je totiž v grafu na obr. v průběhu uvažovaného měření téměř konstantní. Proto můžeme kmitání považovat za netlumené. S využitím grafu zobrazeného na obr. řešte následující úlohy:. Určete hmotnost tělesa, které na pružině kmitalo.. Určete maximální hodnotu síly, která na kmitající těleso působila. 3. Určete amplitudu velikosti proměnné síly působící na kmitající těleso. 4. Určete periodu kmitání tělesa zavěšeného na pružině. 5. Napište rovnici pro okamžitou velikost síly působící na těleso v závislosti na čase. 6. Vypočítejte maximální zrychlení, s jakým se těleso pohybovalo. 7. Vypočítejte na základě dosud zjištěných údajů tuhost použité pružiny. 8. Určete tuhost použité pružiny jiným způsobem a výsledky porovnejte.

obr.

Řešení: Zadané úlohy lze vyřešit na základě grafu zobrazeného na obr. nebo s využitím programu Logger Lite, v němž otevřeme zdrojový soubor dat.. S využitím statistiky programu Logger Lite (Analyze - Statistics resp. Analýza - Statistika), která je zobrazená na obr. 3, lze odečíst průměrnou hodnotu okamžité síly: 0,58 N. Tato hodnota síly odpovídá síle, která na kmitající těleso působí tehdy, když se těleso nachází v rovnovážné poloze. obr. 3 Sonda systému měří velikost síly, kterou působí pružina se zavěšeným tělesem na měřící systém sondy. Vzhledem k tomu, že hmotnost pružiny je zanedbatelná vzhledem ke hmotnosti tělesa, můžeme tvrdit, že sonda měří velikost síly, kterou působí těleso na pružinu (a touto silou tedy působí i soustava těleso + pružina na měřící systém sondy). A podle třetího Newtonova zákona (zákon akce a reakce) je tato síla stejně velká jako síla, kterou působí pružina na těleso. Síla, kterou tedy sonda měří, je výslednice tíhové síly, kterou na těleso zavěšené na pružině působí Země, a síly pružnosti, kterou na toto těleso působí pružina. Je-li těleso v rovnovážné poloze, je síla pružnosti nulová a sonda tedy měří přímo tíhovou sílu tělesa. Proto síla určená s vyžitím statistiky (viz obr. 3) je velikost tíhové síly FG tělesa zavěšeného na pružině. Vzhledem k tomu, že pro velikost tíhové síly platí vztah F = mg, kde m je G hmotnost tělesa a g je velikost tíhového zrychlení, můžeme pro hmotnost psát F G m =. Po g 0,58 dosazení máme m = kg = 0,059 kg. 9,8 Hmotnost tělesa tedy je 59 gramů.. Na kmitající těleso působila maximální síla o velikosti 0,90 N (viz statistika zobrazená na obr. 3). 3. Amplituda proměnné síly, která na těleso působila, má velikost zhruba 0,30 N. Je to rozdíl mezi maximální velikostí síly a průměrnou velikostí síly resp. mezi průměrnou velikostí síly a její minimální velikostí (viz statistika zobrazená na obr. 3). Fyzikálně se jedná o největší velikost síly pružnosti. 4. Perioda kmitání tělesa zavěšeného na pružině je podle grafu zobrazeného na obr. T =, s. 5. Abychom mohli napsat rovnici popisující závislost velikosti okamžité sily na čase, musíme znát i počáteční fázi ϕ 0 kmitání. Tu určíme z podmínky platné pro rovnovážnou polohu ve tvaru ωt0 + ϕ0 = 0, kde t 0 = 0, 4 s je čas, v němž na těleso poprvé působí nulová síla π pružnosti. Pro počáteční fázi ϕ 0 tedy dostáváme ϕ 0 = ωt 0 = t0 a po dosazení máme T π ϕ0 = 0, 4 = 0, 67π. Rovnice popisující závislost velikosti okamžité síly působící na, F = 0,30sin,67πt 0,67π + 0,58. těleso na čase má tedy tvar ( ) 3

Právě napsaná rovnice je v dobré shodě s experimentálními daty - na obr. 4 jsou zobrazena jak data získaná během experimentu, tak teoreticky odvozená závislost. Shoda obou grafů je velmi dobrá. obr. 4 6. Velikost maximálního zrychlení a, s jakým se těleso pohybovalo, určíme pomocí druhého Newtonova zákona, jehož matematické vyjádření lze psát ve tvaru a =, kde F m max je největší velikost síly pružnosti působící na kmitající těleso. Můžeme tedy dosadit 0,300 m.s 5,08 m.s a = =. 0,059 Maximální velikost zrychlení má tedy velikost 5, 08 m.s. 4 F max 7. Tuhost pružiny k souvisí s úhlovou frekvencí ω a s hmotností m tělesa vztahem Po dosazení tedy postupně dostáváme Tuhost použité pružiny je π.3,4 k = m = T,, 6 N.m. k = ω m..0,059 N.m =,6 N.m 8. Druhý způsob, jak určit tuhost pružiny vyplývá přímo z definice tuhosti pružiny. Stačí změřit délku nezatížené pružiny (viz obr. 5) a poté délku zatížené pružiny (viz obr. 6), která je ovšem klidu. Na základě těchto měření dostáváme l = 6cm a l = 40 cm. V rovnovážné poloze tělesa je tíhová síla FG v rovnováze se silou pružnosti Fp. Proto pro velikosti těchto sil platí F G = F. Po dosazení dostáváme mg = k. Δ l, kde Δ l je prodloužení pružiny p definované vztahem Δ l = l l. Pro tuhost pružiny k tak dostáváme k dosazení tedy máme k 0,059. 9,8 = N.m = 0, 40 0,06 Tuhost pružiny určená druhou metodou je dobrá shoda.,70 N.m. mg mg = = Δl l l.. Po, 70 N.m, což je s první metodou velmi

obr. 5 obr. 6 Odkazy: Notebook programového systému Mathematica, v němž je možné zobrazit nalezený teoretický průběh velikosti síly spolu s experimentálními daty. Kmitání způsobené silou pružnosti - teoretický základ problematiky (Multimediální encyklopedie fyziky) 5