Milyen példája van a fizikában használt rögtönzött tudományos apparátusnak?
Anyagok:
- Egy rugó
- Egy mise
- Egy uralkodó
- Stopperóra
- Egy csésze vizet
Utasítások:
1. Rögzítse a rugót a masszához.
2. Tartsa a masszát a kezében, és nyújtsa ki a rugót.
3. Engedje el a masszát, és hagyja oszcillálni.
4. A stopperórával mérje meg azt az időt, amely alatt a tömeg egy teljes oszcillációt okoz.
5. Ismételje meg a 2-4. lépéseket a rugó különböző hosszúságára.
6. Használja az adatokat a rugóállandó kiszámításához.
7. Töltse fel a csészét félig vízzel. Helyezze a csészét a rugóra rögzített massza alá, és figyelje meg, hogyan változik az időszak.
Megfigyelések:
A rugó megfeszítésekor a tömeg a rugó erejével ellentétes irányban gyorsul. A tömeg elengedésekor az egyensúlyi helyzet körül ide-oda oszcillál. Az oszcilláció periódusa az az idő, amely alatt a tömeg egy teljes rezgést vált ki.
Az oszcilláció periódusa a rugó hosszának növekedésével növekszik. Ennek az az oka, hogy a rugó kevésbé merev, ha hosszabb, így tovább tart, amíg a tömeg felgyorsul és lassul.
Ha a csésze vizet a tömeg alá helyezzük, az oszcilláció időtartama csökken. Ennek az az oka, hogy a víz ellenállást biztosít a tömeg mozgásával szemben, ami miatt lelassul.
Számítások:
A rugóállandó a következő képlettel számítható ki:
$$k =m(2\pi f)^2$$
Ahol:
- k a rugóállandó N/m-ben
- m a tömeg kg-ban
- f a frekvencia Hz-ben
Az oszcilláció frekvenciája a következő képlettel számítható ki:
$$f =1/T$$
Ahol:
- f a frekvencia Hz-ben
- T az oszcilláció periódusa s-ben
Ebben a példában a tömeg 0,1 kg, a lengés periódusa 1,0 s, a rugó hossza 0,5 m. Ezeket az értékeket a fenti képletekhez csatlakoztatva a következőt kapjuk:
$$k =0,1(2\pi 1,0)^2 =0,63 N/m$$
Következtetés:
Ez az egyszerű kísérlet bemutatja, hogyan lehet rögtönzött készüléket használni a rugóállandó mérésére és a különböző tényezők rezgési periódusra gyakorolt hatásának megfigyelésére. Ezzel a kísérlettel megtaníthatjuk a hallgatóknak az egyszerű harmonikus mozgás fogalmát és a Hooke-törvényt.