Учебно-методическое пособие по дисциплине «Демонстрационный и лабораторный эксперимент по физике при изучении общей физики в школе и в вузе»

8. Демонстрация аэродинамического сопротивления 8.1. Вентилятор Так как весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП предназначены для измерения малых сил в опытах по аэродинамике, то с помощью этого прибора можно показать действие сил сопротивления при движении тел в вязкой среде. В данном разделе рассматривается демонстрационный эксперимент, который направлен на формирование представлений о силе сопротивления при движении тела в вязкой среде. Для проведения такого опыта можно использовать любой вентилятор, но лучше всего вентилятор изготовить с учетом возможных сил. Для проведения этих опытов автором был изготовлен вентилятор. Чтобы изготовить вентилятор потребуются несколько предметов. Во-первых, это электродвигатель достаточной мощности, чтобы сдвинуть аэродинамические тела из комплекта. В данном случае это электродвигатель ДП-32-4-3-27, имеющий напряжение питания 27В и частоту вращения 3000 об/мин. Вид электродвигателя изображен на рисунке 17. Его мощности вполне достаточно при небольших габаритных размерах. Рис. 17 Электродвигатель ДП-32-4-3-27 На задней кромке электродвигателя имеются клеммы для подключения проводов. Во-вторых, потребуется жесткий пропеллер из металла или пластика. Такой пропеллер можно получить, к примеру, разобрав охлаждающий компьютерный кулер, который показан на рисунке 18. Рис18. Компьютерный кулер Пропеллер неподвижно соединяется с валом двигателя при помощи эпоксидной смолы или холодной сварки. Далее, после того как клей хорошо просохнет и затвердеет, вся конструкция крепится на устойчивой подставке. Можно придумать множество различных способов соорудить крепление из подручных материалов, в данном случае для этого используется подвижный миниатюрный штатив с шарниром и самодельные металлические зажимы Материал самой подставки, разумеется, также может быть различным, главное обеспечить ее размерами устойчивое положение вентилятора на ней. Рис. 19. Вентилятор При необходимости, чтобы сконцентрировать силу воздушного потока, можно дополнить данную конструкцию воздуховодом, который можно изготовить из полипропиленовой трубы подходящего диаметра. 8.2. Опыты по изучению аэродинамического сопротивления 1. Для проведения опыта соберем установку, как показано на рисунке 20. В прилагаемом руководстве по эксплуатации в качестве воздуходувки предлагают использовать универсальный электродвигатель с соответствующей насадкой, которую закрепляют на электродвигателе в горизонтальном направлении. Но если такого в наличии не имеется, можно использовать небольшой бытовой вентилятор, компьютерный кулер либо собрать свой собственный. Рис.20. Установка для изучения зависимости аэродинамического сопротивления от скорости потока, формы и сечения тела. 2. В качестве исследуемых тел используются специальные тела различной формы и сечения, входящие в комплект установки (рис.21). Рис. 21.Аэродинамические тела 3. В держателе весов закрепим тело 2 и установим весы в исходное положение равновесия с помощью перемещающегося груза у противовеса. Добившись совпадения указателя с меткой на шкале, расположим воздуходувку напротив тела 2 на расстоянии приблизительно 10—15см так, чтобы оно полностью охватывалось воздушным потоком. Установка готова к использованию (рис.22). Рис.22. Исходное положение равновесия 4. Включим воздуходувку и с помощью регулятора на источнике установим значение напряжения 10В. Примечание: У любого электродвигателя есть предельное напряжение, которое на него можно подать. На это стоит обратить внимание, чтобы не сжечь двигатель. Значение этого напряжения указано в руководстве по эксплуатации либо на корпусе самого электродвигателя. Мы видим, что тело вместе со стрелкой весов отклонилось от положения равновесия вследствие воз­действия на него воздушного потока. Чтобы определить силу этого воздействия, приведем весы в равновесие, перемещая грузик (например, 0,2 г) по рычагу (рис. 20), и определим величину аэродинамического сопротивления согласно пунктам 2; 3. Рис.23. Рычаг, уравновешенный грузиком Грузик находится на отметке «6» на шкале. 5. Увеличим скорость потока, меняя величину напряжения на электродвигателе воздуходувки, и опять приведем весы в равновесие, передвигая грузик по рычагу. В этом случае показания становятся больше, т.е. с увеличением потока при одном и том же сечении, аэродинамическое сопротивление увеличивается. 6. Результаты измерений записать в таблицу 2. Таблица 2. Результаты измерений аэродинамического сопротивления № Напряжение U|(В) Аэродинамическое сопротивление F(H) 1 10 2 20 3 30 7. Чтобы продемонстрировать зависимость аэродинамического сопротивления от формы тела при одной и той же скорости потока, в держателе весов последовательно закрепим разные противовесы из прилагаемого комплекта. В этом случае опыт удобнее начинать с полусферы, обращенной вогнутой поверхностью навстречу потоку. После того, как это тело закреплено на весах и при помощи противовеса весы уравновешены, расположим грузик в конце рычага, например, на 28-м делении. При этом весы выходят из равновесия. Тогда постепенно будем увеличивать скорость воздушного потока, направленного на испытуемое тело, и добьемся, чтобы весы пришли в исходное положение. Эта величина скорости потока и останется постоянной для опытов с другими телами набора. 8. После этого повернем полусферу выпуклой стороной навстречу потоку. При этом заметим, что сила аэродинамического сопротивления уменьшилась. Перемещая грузик по рычагу, приведем весы в равновесие и найдем величину на шкале, которая в этом случае составляет 0,4 от принятой за единицу силы сопротивления пластинки. Затем согласно пунктам 2; 3 определим аэродинамическое сопротивление всех тел из набора (кроме тела №1). Результаты измерений запишем в таблицу 3. Таблица 3. Зависимость аэродинамического сопротивления от формы тела Тела №2 (вогнут.) №2 (выпукл.) №3 №4 №5 Аэродинамическое сопротивление F(H) 9. Ответим на вопрос: Какова форма тела, оказывающего наименьшее сопротивление воздушному потоку? 10. Теперь в держателе весов закрепим тело №1. Таким же образом измерим его аэродинамическое сопротивление и сравним с предыдущими результатами. Сделаем вывод, расположив все тела в порядке убывания значения их аэродинамического сопротивления (зарисовать). 9. Демонстрационный эксперимент с прибором «Трибометр демонстрационный» 9.1. Название и устройство прибора Прибор служит для демонстрации законов трения покоя и трения скольжения бруска по доске. Прибор представляет собой деревянную доску со стержнем длиной 82 см и шириной 10 см. Оборудование: 1) Динамометр с прямоугольным циферблатом; 2) Трибометр демонстрационный; 3) Деревянный брусок; 4) Груз массой 0,1; кг,0;2 кг; 0,3 кг; 5) Штатив универсальный; 6) Метр демонстрационный; 7) Шнурок. 9.2. Опыт №1. Изучение силы трения покоя и измерение коэффициента трения скольжения Собирают установку как показано на рисунке 21. Доску трибометра закрепляют справа в штативе с помощью имеющегося на ней стержня. Левый конец доски помещают на зажатую в муфте лапку, что бы доска расположилась горизонтально. Первую часть опыта делают только с бруском без гирек. Деревянный брусок ставят на доску и привязывают к нему шнурок. Другой конец шнурка закрепляют за крючок динамометра. Рис. 24. Изучение силы трения покоя Взяв динамометр, постепенно натягивают шнурок. Динамометр показывает увеличение силы трения покоя. После достижения предельной величины этой силы брусок сдвигается с места. При равномерном движении бруска динамометр показывает меньшую величину-силу трения скольжения. Каждый опыт повторяем три раза. Из полученных данных определяют коэффициенты трения покоя и скольжения. Во второй части опыта на деревянный брусок устанавливаем поочередно три груза массами 0,1 кг; 0,2 кг; 0,3 кг. Проводим такие же измерения и убеждаемся, что сила трения скольжения увеличивается, но коэффициент трения скольжения остается неизменным. Результаты этих измерений представлены в таблице 4. Результаты этих опытов показывают, что сила трения скольжения зависит от массы движущегося тела, а коэффициент трения скольжения для данных поверхностей является величиной постоянной. Значение коэффициента трения скольжения совпадает со значением, которое приводится в справочной литературе для деревянных поверхностей. Таблица 4. Измерение силы трения скольжения и коэффициента трения скольжения № опыта 1 0,102 0 0,3 0,3 2 0,1 0,6 0,3 3 0.2 0,9 0,3 4 0,3 1,2 0,3 Рис. 25. Опыты с нагруженным бруском Повертывают брусок и кладут его на доску ребром. Повторяют опыт и убеждаются, коэффициент трения не зависит от величины трущихся тел. Проделываются все описанные опыты, и делается вывод, что коэффициент трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Рис. 26. Опыты с бруском, соприкасающимся с доской, поверхностью с меньшей площадью 9.3. Опыт №2. Изучение зависимости силы трения скольжения от силы нормального давления В данном опыте используется наклонная плоскость. Роль наклонной плоскости играет доска трибометра, которую с помощью штатива можно устанавливать под любым углом к горизонту. Для определения коэффициента трения с помощью наклонной плоскости гири снимают, левый штатив убирают, а доску располагают наклонно, как показано на рисунке 27. Постепенно поднимают правый конец доски, пока брусок не сдвинется с места. После этого измеряют демонстрационным метром высоту и основание наклонной плоскости и находят их отношение (тангенс угла наклона). В данном случае оно равно коэффициенту трения покоя. Рис.27. Изучение силы трения покоя и силы трения скольжения при движении тела по наклонной плоскости (брусок на основании) Рис.28. Изучение силы трения покоя и силы трения скольжения при движении тела по наклонной плоскости (брусок на боковой грани) В данном опыте показывается, что сила трения скольжения зависит от силы нормального давления, которая определяется углом наклона плоскости к горизонту. Кроме того, в этом опыте показывается, что коэффициент трения скольжения равен тангенсу некоторого угла наклона плоскости к горизонту. Таким образом, из опыта делаются выводы о том, что сила трения покоя может принимать любые значения в зависимости от внешней приложенной к телу силы, а коэффициент трения скольжения зависит только от рода материала соприкасающихся поверхностей. Кроме того, делается вывод, что сила трения скольжения зависит от силы нормального давления 10. Школьные лабораторные работы по изучению движения тел, брошенных горизонтально и под углом к горизонту с помощью баллистического пистолета 10.1. Пистолет баллистический лабораторный ПБЛ-М Т У РСФСР 8-80 Пистолет баллистический, к сожалению, редко используется пр проведении демонстрационных и лабораторных опытов по физике. Однако этот прибор можно применять и для наблюдения движения тела в поле силы тяжести и для постановки лабораторных работ физического практикума в школе, а также в вузе для специальностей, в которых физика не является профилирующей дисциплиной. Лабораторные работы такого уровня можно использовать при проведении вводного курса физики, а также при проведении различных подготовительных курсов при подготовке к сдаче государственной итоговой аттестации или единого государственного экзамена. Прибор предназначен для лабораторных занятий в физическом практикуме и позволяет вычислить работу: «Исследование движения тела брошенного горизонтально, вертикально и под углом к горизонту». Технические данные. Максимальная дальность полета шарика - до 1,2 м. Градуировка транспортира - от 00 до 900. Цена делений на транспортире -50. Габариты пистолета в сборе со струбцинкой, не более - 200х170х100 мм. Масса прибора не более - 0,8 кг. Комплектность. Пистолет - 1 шт. Шарик металлический - 1 шт. Струбцина - 1 шт. Руководство по эксплуатации - 1 шт. Коробка упаковочная - 1 шт. Устройство прибора. Пистолет состоит из пластмассового корпуса, отпрессованного заодно с транспортиром: толкателя, с ввернутой в него шпилькой; пружины, приводящей, толкатель в действие, и спускового кольца. Пружина удерживается в корпусе резьбой пробкой. Для установки под разными углами к горизонту, пистолет имеет простое угломерное устройство в виде транспортира с отвесом. Для того, что бы использовать этот прибор нам надо знать количественную характеристику этого прибора и поэтому первый этап это определение жесткости пружины.

Похожие:

	Учебно-методическое пособие по освоению практических навыков входит... Учебно-методическое пособие предназначено для использования в учебном процессе при проведении занятий по дисциплине «Фармацевтическая...		Учебное оборудование по физике. Лабораторный комплект (набор) по... Юнга резины, коэффициента поверхностного натяжения, исследования изменения температуры остывающей воды и т д
	Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для организации активной самостоятельной работы студентов над учебным материалом при изучении...		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для организации активной самостоятельной работы студентов над учебным материалом при изучении...
	Программа по физике 9 класс Подчеркнем, что ознакомление школьников с методами научного познания предполагается проводить при изучении всех разделов курса физики,...		Учебно-методическое пособие к практическим занятиям по акушерству... Учебно-методическое пособие представлено кафедрой акушерства и гинекологии сгма в помощь студентам 6 курса лечебного факультета при...
	Учебно-методическое пособие Санкт-Петербург 2014 Авторы: Морозов... Учебно-методическое пособие предназначено для повышения квалификации преподавательского состава умц по го чс и пб санкт-Петербурга...		Учебно-методическое пособие санкт-Петербург 2009г. Автор: Г. П. Подвигин... Учебно-методическое пособие предназначено для должностных лиц, специалистов го и рсчс организаций
	Учебно-методическое пособие по сопровождению самостоятельной работы... Учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся автодорожного техникума, как руководство для организации самостоятельной...		Учебно-методическое пособие Дисциплина- «Микробиология» Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторных работ по курсу «Микробиология»...
	Методическое пособие по дисциплине «Фармакология» Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов при подготовке к практическим занятиям по фармакологии....		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Методы молекулярной диагностики: Учебно-методическое пособие. Авторы: А. Д. Перенков, Д. В. Новиков, С. Г. Фомина, Л. Б. Луковникова,...
	Учебно-методическое пособие тверь 2015 удк 339. 543(075. 8) Ббк у428-861.... С 47 Таможенные платежи: учебно-методическое пособие. – Тверь: Твер гос ун-т, 2015. – 155 с		Римское право и латинская юридическая терминология Учебно-методическое пособие Учебно-методическое пособие предназначено для оказания методической помощи студентам тф ноу впо «Росноу» в изучении курса «Римское...
	Учебно-методическое пособие Елабуга 2016 ббк 74. 58 Учебно-методическое... Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса высших учебных заведений неязыковых специальностей		Учебно-методическое пособие по выполнению письменных работ по учебной дисциплине Красноярск Б 948 Преступления против общественной безопасности и общественного порядка: Учебно-методическое пособие по выполнению письменных...