Лабораторная работа«Измерение жесткости пружины» методическая разработка по физике на тему. Лабораторная работа "определение жесткости пружины" Измерение жесткости пружины лабораторная работа 10

Лабораторная работа

«Определение жесткости пружины»

Цель работы : Определение коэффициента жесткости пружины. Проверка справедливости закона Гука.Оценка погрешности измерений.

Порядок выполнения работы .

Базовый уровень

Оборудование : штатив с муфтой и лапкой, набор грузов по 100 г, пружинный динамометр, линейка.

L 0 F

L 1 в этом случае.

l = L 0 - L 1

k ср .по формуле k ср =( k 1 + k 2 + k 3 )/3

F ,Н

l ,м

k ,Н/м

k ср , Н/м

6. Начертите график зависимости l ( F ).

Продвинутый уровень

Оборудование : штатив с муфтой и лапкой, набор грузов по 100 г, пружина, линейка.

Укрепите пружину в штативе и измерьте длину пружины L 0 в отсутствие внешнего воздействия (F =0Н). Результаты измерений запишите в таблицу.

Подвесьте к пружине груз весом 1 Н и определите ее длину L 1 в этом случае.

Найдите деформацию (удлинение) пружины по формуле l = L 0 - L 1 .Результаты измерений занесите в таблицу.

Аналогично найдите удлинение пружины при подвешивании грузов весом 2 Н и 3 Н. Результаты измерений занесите в таблицу.

Вычислите среднее арифметическое значение k ср .по формуле k ср =( k 1 + k 2 + k 3 )/3

Оцените погрешность ∆ k методом средней ошибки. Для этого вычислите модуль разности │ k ср - k i │=∆ k i для каждого измерения

k = k ср ±∆ k

F ,Н

l ,м

k ,Н/м

k ср , Н/м

∆k ,Н/м

∆k ср , Н/м

Углубленный уровень

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, набор грузов по 100 г, пружина, линейка.

Укрепите пружину в штативе и измерьте длину пружины L 0 в отсутствие внешнего воздействия (F =0Н). Результаты измерений запишите в таблицу.

Подвесьте к пружине груз весом 1 Н и определите ее длину L 1 в этом случае.

Найдите деформацию (удлинение) пружины по формуле l = L 0 - L 1 .Результаты измерений занесите в таблицу.

Аналогично найдите удлинение пружины при подвешивании грузов весом 2 Н и 3 Н. Результаты измерений занесите в таблицу.

Вычислите среднее арифметическое значение k ср .по формуле k ср =( k 1 + k 2 + k 3 )/3

Вычислите относительные погрешности и абсолютную погрешность измерений ∆ k по формулам

ε F =(∆ F 0 + F и ) / F max

ε l =(∆ l 0 + l и ) / l max

ε k =ε F +ε l

∆k= ε k * k ср

Полученный результат запишите в виде k = k ср±∆ k

Начертите график зависимости l ( F ).Сформулируйте геометрический смысл жесткости.

F ,Н

l ,м

k ,Н/м

k ср , Н/м

ε F

ε l

ε k

∆ k

Лабораторные работы по физике 9 класс Генденштейн Орлов Ход работы

1 - Закрепите конец пружины в штативе. Измерьте высоту на которой находится нижний конец пружины над столом.

2 - Подвесьте к пружине груз массой 100 грамм. Измерьте высоту, на которой находится теперь нижний конец пружины над столом. Вычислите удлинение пружины.

3 - Повторите измерения, подвешивая к пружине два, три и четыре грузы массой по 100 грамм.

4 - Запишите результаты в таблицу.

5 - Начертите систему координат для построения графика зависимости силы упругости от удлинения пружины.

7 - Определите, как зависит сила упругости от удлинения пружины.

Чем больше удлинение пружины, тем больше сила упругости, то есть чем длиннее растягивается пружина, тем больше сила упругости.

8 - По построенной прямой найдите жесткость пружины.

k = Fупр /|x|
k = 4/0.1 = 40 H/m

9 - Определите, зависит ли жесткость пружины от ее длины, и если зависит, то как она изменяется при уменьшении длины пружины.

Жесткость пружины не зависит от удлинения длины пружины. У каждой пружины есть k(жесткость пружины) и она постоянна, не зависит от Fупр и от Δx

Разработки уроков (конспекты уроков)

Среднее общее образование

Линия УМК Г. Я. Мякишева. Физика (10-11) (У)

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Цель урока: проверить справедливость закона Гука для пружины динамометра и измерить коэффициент жесткости этой пружины, рассчитать погрешность измерения величины.

Задачи урока:

1. образовательные: умение обрабатывать и объяснять результаты измерений и делать выводы Закрепление экспериментальных умений и навыков
2. воспитательные: вовлечение учащихся в активную практическую деятельность, совершенствование навыки общения.
3. развивающие: владение основными приемами, используемыми в физике – измерение, эксперимент

Тип урока: урок обучения умениям и навыкам

Оборудование: штатив с муфтой и зажимом, винтовая пружина, набор грузиков известной массы (по 100 г, погрешность Δm = 0,002 кг), линейка с миллиметровыми делениями.

Ход работы

I. Организационный момент.

II. Актуализация знаний.

• Что такое деформация?
• Сформулировать закон Гука
• Что такое жесткость и в каких единицах она измеряется.
• Дайте понятие об абсолютной и относительной погрешности.
• Причины, приводящие к появлению погрешностей.
• Погрешности, возникающие при измерениях.
• Как чертят графики результатов эксперимента.

Возможные ответы учащихся:

• Деформация – изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Деформации разделяют на обратимые (упругие) и необратимые (пластические, ползучести). Упругие деформации исчезают после окончания действия приложенных сил, а необратимые - остаются. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положения равновесия; в основе пластических - необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.

• Закон Гука : «Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна его удлинению и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела при деформации».
  
  F упр = –kx

• Жесткостью называют коэффициент пропорциональности между силой упругости и изменением длины пружины под действием приложенной к ней силы. Обозначают k . Единица измерения Н/м. Согласно третьему закону Ньютона, приложенная к пружине сила по модулю равна возникшей в ней силе упругости. Таким образом жесткость пружины можно выразить как:

  k = F упр /x

• Абсолютной погрешностью приближенного значения называется модуль разности точного и приближенного значений.

  ∆х = |х – х ср |

• Относительной погрешностью приближенного значения называется отношение абсолютной погрешности к модулю приближенного значения.

  ε = ∆х /х

• Измерения никогда не могут быть выполнены абсолютно точно. Результат любого измерения приближенный и характеризуется погрешностью – отклонением измеренного значения физической величины от ее истинного значения. К причинам, приводящим к появлению погрешностей, относятся:
  – ограниченная точность изготовления средств измерения.
  – изменение внешних условий (изменение температуры, колебание напряжения)
  – действия экспериментатора (запаздывание с включением секундомера, различное положение глаза...).
  – приближенный характер законов, используемых для нахождения измеряемых Величин

• Погрешности , возникающие при измерениях, делятся на систематические и случайные . Систематические погрешности – это погрешности, соответствующие отклонению измеренного значения от истинного значения физической величины всегда в одну сторону (повышения или занижения). При повторных измерениях погрешность остается прежней. Причины возникновения систематических погрешностей:
  – несоответствие средств измерения эталону;
  – неправильная установка измерительных приборов (наклон, неуравновешенность);
  – несовпадение начальных показателей приборов с нулем и игнорирование поправок, которые в связи с этим возникают;
  – несоответствие измеряемого объекта с предположением о его свойствах.

Случайные погрешности – это погрешности, которые непредсказуемым образом меняют свое численное значение. Такие погрешности вызываются большим числом неконтролируемых причин, влияющих на процесс измерения (неровности на поверхности объекта, дуновение ветра, скачки напряжения и т.д.). Влияние случайных погрешностей может быть уменьшено при многократном повторении опыта.

Погрешности средств измерений. Эти погрешности называют еще инструментальными или приборными. Они обусловлены конструкцией измерительного прибора, точностью его изготовления и градуировки.

При построении графика по результатам опыта экспериментальные точки могут не оказаться на прямой, которая соответствует формуле F упр = kx

Это связано с погрешностями измерения. В этом случае график надо проводить так, чтобы примерно одинаковое число точек оказалось по разные стороны от прямой. После построения графика возьмите точку на прямой (в средней части графика), определите по нему соответствующие этой точке значения силы упругости и удлинения и вычислите жесткость k . Она и будет искомым средним значением жесткости пружины k ср.

III. Порядок выполнения работы

1. Закрепите на штативе конец спиральной пружины (другой конец пружины снабжен стрелкой-указателем и крючком см. рис.).

2. Рядом с пружиной или за ней установите и закрепите линейку с миллиметровыми делениями.

3. Отметьте и запишите то деление линейки, против которого приходится стрелка-указатель пружины.

4. Подвесьте к пружине груз известной массы и измерьте вызванное им удлинение пружины.

5. К первому грузу добавьте второй, третий и т. д. грузы, записывая каждый раз удлинение |х | пружины.

По результатам измерений заполните таблицу:

		F упр = mg , Н	׀ ‌х ׀ ‌, · 10 –3 м	k ср, Н/м

6. По результатам измерений постройте график зависимости силы упругости от удлинения и, пользуясь им, определите среднее значение жесткости пружины k cp .

Вычисление погрешностей прямых измерений.

Вариант 1. Расчет случайной погрешности.

1. Вычислите жесткость пружины в каждом из опытов:

k =	F	,
	│x │

2. k ср = (k 1 + k 2 + k 3 + k 4)/4 ∆k = ׀ ‌k – k ср ׀ ‌, ∆k ср = (∆k 1 + ∆k 2 + ∆k 3 + ∆k 4)/4

Результаты занести в таблицу.

3. Вычислить относительную погрешность ε = ∆k ср /k ср · 100%

4. Заполните таблицу:

	F упр, Н	׀ ‌х ׀ ‌, · 10 –3 м	k , Н/м	k ср, Н/м	Δk , Н/м	Δk ср, Н/м

5. Запишите ответ в виде: k = k ср ± ∆k ср, ε =…%, подставив в эту формулу числовые значения найденных величин.

Вариант 2. Расчет инструментальной погрешности.

1. k = mg /х Для вычисления относительной погрешности используем формулу 1 стр. 344 учебника.

ε = ∆А /А + ∆В /В + ∆С /С = ε m + ε g + ε x .

∆m = 0,01 10 –3 кг; ∆g = 0,2 кг · м/с·с; ∆x =1 мм

2. Рассчитайте наибольшую относительную погрешность, с которой найдено значение k ср (из опыта с одним грузом).

ε = ε m + ε g + ε x = ∆m /m + ∆g /g + ∆x /x

3. Найдите ∆k ср = k ср ε

4. Заполните таблицу:

5. Запишите ответ в виде: k = k ср ± ∆k ср, =…%,подставив в эту формулу числовые значения найденных величин.

Вариант 3. Расчет методом оценки погрешности косвенных измерений

1. Для вычисления погрешности следует использовать опыт, который мы получили во время проведения опыта № 4, потому что ему соответствует наименьшая относительная погрешность измерений. Вычислите пределы F min и F max , в которых находится истинное значение F , считая, что F min = F – ΔF , F max = F + ΔF .

2. Примите ΔF = 4Δm ·g , где Δm – погрешность во время изготовления грузиков (для оценки можно считать, что Δm = 0,005 кг):

x min = x – ∆x x max = x + ∆x , где Δх = 0,5 мм.

3. Пользуясь методом оценки погрешности косвенных измерений, вычислите:

k max = F max /x min k min = F min /x max

4. Вычислите среднее значение kcp и абсолютную погрешность измерения Δk по формулам:

k ср = (k max + k min)/2 Δk = (k max – k min)/2

5. Вычислите относительную погрешность измерений:

ε = ∆k ср /k ср · 100%

6. Заполните таблицу:

F min , H	F max , H	x min , м	x max , м	k min , Н/м	k max , Н/м	k ср, Н/м	Δk , Н/м

7. Запишите в тетради для лабораторных работ результат в виде k = k cp ± Δk , ε = …% подставив в эту формулу числовые значения найденных величин.

Запишите в тетради для лабораторных вывод по проделанной работе.

IV. Рефлексия

Попробуйте составить синквейн о понятии «урок – практикум». Синквейн (в переводе с франц.– пять строк): Первая строка – одно существительное (суть, название темы);

Вторая строка – описание свойств-признаков темы в двух словах (двумя прилагательными);

Третья строка – описание действия (функций) в рамках темы тремя глаголами;

Четвертая строка – фраза (словосочетание) из четырех слов, показывающая отношение к теме;

Пятая строка – синоним из одного слова (существительное), который повторяет суть темы (к первому существительному).

Лабораторная работа.

Определение коэффициента жесткости пружины.

Цель работы: используя экспериментальную зависимость силы упругости от абсолютного удлинения, вычислить коэффициент жёсткости пружины.

Оборудование: штатив, линейка, пружина, грузы массой по 100 г.

Теория. Под деформацией понимают изменение объема или формы тела под действием внешних сил. При изменении расстояния между частицами вещества (атомами, молекулами, ионами) изменяются силы взаимодействия между ними. При увеличении расстояния растут силы притяжения, а при уменьшении – силы отталкивания, которые стремятся вернуть тело в исходное состояния. Поэтому силы упругости имеют электромагнитную природу. Сила упругости всегда направлена к положению равновесия и стремится вернуть тело в исходное состояние. Сила упругости прямо пропорциональна абсолютному удлинению тела.

Закон Гука: Сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна его удлинению (сжатию) и направлена противоположно перемещению частиц тела при деформации , F упр = кΔх , где k – коэффициент

жесткости [k] = Н/м, Δ х = Δ L – модуль удлинения тела.

Коэффициент жесткости зависит от формы и размеров тела,

а также от материала. Он численно равен силе упругости

при удлинении (сжатии) тела на 1 м.

Порядок выполнения работы.

1. Закрепить динамометр в штативе.

2. Измерить линейкой первоначальную длину пружины L 0 .

3 . Подвесить груз массой 100 г.

4. Измерить линейкой длину деформированной пружины L. Определить погрешность измерения длины: ΔƖ= 0,5дел*С 1 , где С 1 – цена деления линейки.

5. Вычислить удлинение пружины Δх = Δ L = L – L 0 .

6. На покоящийся относительно пружины груз действуют две компенсирующие друг друга силы: тяжести и упругости F т = F упр (смотри верхний рисунок )

7. Вычислить силу упругости по формуле , F упр = m g . Определить погрешность измерения силы: Δ F = 0,5дел*С 2 , где С 2 – цена деления динамометра.

8. Подвесить груз массой 200 г и повторить опыт по пунктам 4-6.

9. Подвесить груз массой 300 г и повторить опыт по пунктам 4-6.

10. Результаты занести в таблицу.

11. Вычислите коэффициент жесткости пружины для каждого измерения К= F упр / Δx и запишите в таблицу эти значения. Определите среднее значение К ср

12. Определите абсолютную погрешность измерения Δ к = ( Δ F / F упр + ΔƖ / L) * к измеренное , где Δ F – погрешность измерения силы, ΔƖ – погрешность измерения длины.

13. Выбрать систему координат и построить график зависимости силы упругости F упр от удлинения пружины Δ L .

Таблица измерения

п/п

Начальная длина, L 0, м

Конечная длина, L , м

Абсолютное удлинение Δ x 1 =Δ L = L – L 0, м

Сила упругости, F упр, Н

Коэффициент жёсткости, К, Н/м

14. Сделайте вывод. Полученный в результате опытов коэффициент жесткости пружины можно записать: к = к ср измеренное (у каждого ученика свой коэффициент) ± Δ к (для всех разная погрешность).

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Лабораторная работа «Измерение жесткости пружины» Учитель физики ГБОУ СОШ №145 Калининского района Санкт- Петербурга Карабашьян М.В.

проверить справедливость закона Гука для пружины динамометра и измерить коэффициент жесткости этой пружины. Цель работы Оборудование: набор «Механика» из комплекта L-micro- штатив с муфтой и зажимом, динамометр с заклеенной шкалой, набор грузов известной массы (по 50 г), линейка с миллиметровыми делениями.

Подготовительные вопросы Что такое сила упругости? Как вычислить силу упругости, возникающую в пружине при подвешивании к ней груза массой m кг? Что такое удлинение тела? Как измерить удлинение пружины при подвешивании к ней груза? В чем заключается закон Гука?

Правила техники безопасности Будьте осторожны при работе с растянутой пружиной. Не роняйте и не бросайте грузы.

Описание работы: Согласно закону Гука, модуль F силы упругости и модуль х удлинения пружины связаны соотношением F = kx . Измерив F и х, можно найти коэффициент жесткости k по формуле

В каждом из опытов жесткость определяется при разных значениях силы упругости и удлинения, т. е. условия опыта меняются. Поэтому для нахождения среднего значения жесткости нельзя вычислить среднее арифметическое результатов измерений. Воспользуемся графическим способом нахождения среднего значения, который может быть применен в таких случаях. По результатам нескольких опытов построим график зависимости модуля силы упругости F упр от модуля удлинения \ х\ . При построении графика по результатам опыта экспериментальные точки могут не оказаться на прямой, которая соответствует формуле F yпp =k\x\ . Это связано с погрешностями измерений. В этом случае график надо проводить так, чтобы примерно одинаковое число точек, оказалось, по разные стороны от прямой. После построения графика возьмите точку на прямой (в средней части графика) определите по нему соответствующие этой точке значения силы упругости и удлинения, и вычислите жесткость k . Она и будет искомым средним значением жесткости пружины k ср.

1. Закрепите на штативе конец спиральной пружины (другой конец пружины снабжен стрелкой-указателем и крючком). 2. Рядом с пружиной или за ней установите и закрепите линейку с миллиметровыми делениями. 3. Отметьте и запишите то деление линейки, против которого приходится стрелка-указатель пружины. 4. Подвесьте к пружине груз известной массы и измерьте вызванное им удлинение пружины. 5. К первому грузу добавьте второй, третий и т. д. грузы, записывая каждый раз удлинение \ х\ пружины. По результатам измерений заполните таблицу ХОД РАБОТЫ:

№ опыта m, кг mg, H х, м 1 0,1 2 0,2 3 0,3 4 0,4

6. Начертите оси координат х и F, выберите удобный масштаб и нанесите полученные экспериментальные точки. 7. Оцените (качественно) справедливость закона Гука для данной пружины: находятся ли экспериментальные точки вблизи одной прямой, проходящей через начало координат. 8. По результатам измерений постройте график зависимости силы упругости от удлинения и, пользуясь им, определите среднее значение жесткости пружины k ср. 9. Рассчитайте наибольшую относительную погрешность, с которой найдено значение k cp 10. Запишите сделанный вами вывод.

Контрольные вопросы: Как называется зависимость между силой упругости и удлинением пружины? Пружина динамометра под действием силы 4Н удлинилась на 5 мм. Определите вес груза, под действием которого эта пружина удлиняется на 16 мм.