Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.В данной задаче Вам необходимо исследовать скатывание тела (пластиковой бутылки) по наклонной плоскости. На столе, покрытом листом бумаги, сделайте разметку шкалы расстояний (ось
Воду в бутылку следует добавлять одинаковыми порциями, которые можно отмерять с помощью мерного стакана. При измерениях в каждой части задачи укажите угол наклона стола в радианах.
1.1 Исследуйте закон скатывания пустой бутылки
Нарисуй ось координат и отметь на ней сделанные метки; представь, как будет меняться положение бутылки по этим отметкам со временем.
Записывай времена прохождения каждой метки и строи зависимость
- Пронумеруй измерения и выпиши пары
в таблицу. - Построй график экспериментальных точек
против на бумаге или в тетради. - Обрати внимание на первую точку — она может соответствовать этапу разгона и выбиваться из общей тенденции.
- Подготовься к обработке методом МНК зависимости
, исключив очевидную точку разгона.
1.2 Постройте график полученной зависимости.
1.3 Укажите, на каком интервале движения пустой бутылки можно считать равномерным.
Чтобы доказать равноускоренность, надо показать, что средняя скорость растёт линейно со временем (при отсутствии влияния смещения начала отсчёта).
Используй преобразование закона движения в форму
- Запиши зависимость (2) в форме средней скорости
как функцию . - Построй по этим данным прямую методом МНК и найди коэффициенты аппроксимации (смещение и наклон).
- Интерпретируй наклон как
и смещение как . - Выразите ускорение
из полученной линейной зависимости.
1.4 Определите среднюю скорость скатывания на этом интервале с наибольшей точностью. Оцените погрешность измерения скорости.
1.5 Качественно объясните, почему скатывание бутылки происходит примерно с постоянной скоростью.
Подумай, какие силы действуют на пустую бутылку при скатывании и какие из них зависят от скорости.
Качественно сопоставь проекции сил тяги (компонента тяжести вдоль плоскости), трения качения и сопротивления воздуха; объясни, какой из них может уравновесить тягу и дать постоянную скорость.
- Перечисли силы вдоль плоскости: компонент тяжести, силы трения (качение) и сопротивления воздуха.
- Оцени зависимость каждой силы от скорости (постоянная, пропорциональна
, пропорциональна ). - Сделай вывод, что наличие скорости- зависимой противодействующей силы (аэродинамика) может уравновешивать проекцию тяжести и дать установившуюся скорость.
- Выразите качественно условие установившегося движения как равенство проекции тяжести и суммарной силы сопротивления.
1.1 Исследуйте закон движения полной бутылки
Нарисуй ось координат и отметь на ней сделанные метки; представь, как будет меняться положение бутылки по этим отметкам со временем.
Записывай времена прохождения каждой метки и строи зависимость
- Пронумеруй измерения и выпиши пары
в таблицу. - Построй график экспериментальных точек
против на бумаге или в тетради. - Обрати внимание на первую точку — она может соответствовать этапу разгона и выбиваться из общей тенденции.
- Подготовься к обработке методом МНК зависимости
, исключив очевидную точку разгона.
1.2 Постройте график полученной зависимости.
1.3 Покажите, что скатывание заполненной бутылки можно считать равноускоренным.
Чтобы доказать равноускоренность, надо показать, что средняя скорость растёт линейно со временем (при отсутствии влияния смещения начала отсчёта).
Используй преобразование закона движения в форму
- Запиши зависимость (2) в форме средней скорости
как функцию . - Построй по этим данным прямую методом МНК и найди коэффициенты аппроксимации (смещение и наклон).
- Интерпретируй наклон как
и смещение как . - Выразите ускорение
из полученной линейной зависимости.
1.4 Рассчитайте среднее ускорение, с которым скатывается бутылка. Оцените погрешность измерения ускорения.
Предложите такую методику расчета, чтобы исключить влияние погрешностей времени запуска секундомера, начальной координаты и начальной скорости бутылки.
3.1 Исследуйте зависимость времени скатывания бутылки (на фиксированное расстояние, укажите его!) от объема воды, налитой в бутылку.
Выбери фиксированное расстояние, на котором будешь измерять время (например, тот же метр или 0,5 м), и помни, что объём воды будешь менять порциями.
Для каждого объёма запиши время прохождения выбранного расстояния; построй зависимость времени от объёма и используй одинаковые старт/финишные условия.
- Определи и запиши фиксированное расстояние
, на котором будешь измерять время. - Налей в бутылку ряд объемов (шагами), для каждого запусти опыт несколько раз и запиши средние времена прохождения
. - Построй таблицу
для дальнейшего построения графика. - Выразите полученную зависимость времени от объёма в виде таблицы для графической обработки.
3.2 Постройте график полученной зависимости.
3.3 Дайте качественное объяснение полученной зависимости, т.е. укажите какие (и как!) основные факторы влияют на время скатывания.
Подумай, какие факторы меняются при добавлении воды: масса, распределение массы, момент инерции, внутреннее движение жидкости, сопротивление воздуха и катящаяся устойчивость.
Качественно соотнеси влияние увеличения массы (ускорение растёт) и увеличения момента инерции/внутреннего трения жидкости (замедляет качение); объясни, почему минимум/максимум может быть при половинном заполнении.
- Перечисли основные факторы: масса бутылки, распределение массы (момент инерции), внутренние потери энергии в жидкости (вихри, трение), аэродинамика.
- Опиши, как каждое из них влияет на время: масса уменьшает влияние сопротивлений, а внутреннее перемешивание жидкости и рост момента инерции замедляют катание.
- Сделай качественный вывод о том, почему при малом и при большом заполнении время может быть меньше, а при среднем — больше (или наоборот) в зависимости от доминирующих эффектов.
- Выразите основной качественный вывод: итоговое время определяется конкуренцией между увеличением инерции и увеличением тяги на склоне.
Примечания
- 1. Допустимо применять МНК и к зависимости x( )t, также пропустив первую точку. ↩
