Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Жидкое мыло является неньютоновской жидкостью, для которого закон Ньютона вязкости не применим. В данной задаче вам необходимо исследовать движение пластилиновых шариков в такой жидкости. Не удивляйтесь полученным результатам, они могут быть неожиданными для вас.
Закрепите блок в лапке штатива, через блок протяните леску, к концам которой прикрепите два одинаковых пластилиновых шарика (диаметром примерно 15 мм). Один из шариков должен входить в мензурку с налитым жидким мылом. Вам необходимо исследовать движение этого шарика, как при подъеме, так и при опускании. Второй шарик, движущийся в воздухе буде называть шарик – противовес.
Для измерения расстояний пользуйтесь шкалой мензурки. Цель данной задачи – исследовать характер зависимостей, поэтому единица измерения длины роли не играет – пусть такой единицей будет «единица шкалы, соответствующая изменению объема на 1 мл (обозначайте эту единицу – «дел»).
Внимательно продумывайте последовательность экспериментов, они требуют терпения и достаточного времени. Для измерения закона движения удобно пользоваться секундомером с памятью этапов. Если вы не умеете пользоваться таким режимом – обратитесь за консультацией к организаторам.
Ни в коем случае не выливайте мыло из мензурки (даже если затем вы зальете обратно) – мыло должно после переливания отстаиваться сутки, а столько времени у вас нет!
При проведении измерений используйте шарик на леске, чтобы его можно было поднять со дна мензурки.
1.1 Измерьте времена погружения шарика от глубины погружения
Убедись, что шарик полностью погружён и леска не касается стенок; проверь последовательность стартов и что фиксируешь одинаковые отметки глубины.
Записывай несколько независимых повторов времени для каждой глубины и фиксируй отметки глубины в одних и тех же единицах; используй среднее и оценку разброса для анализа погрешностей.
- Нарисуй таблицу с колонками: глубина
, времена отдельных измерений и пустым полем для среднего . - Для каждой глубины вычисли среднее времени и дисперсию повторов.
- Проверь, не вышел ли какой-то измер на выброс — при необходимости обоснуй его исключение.
- Заполнив таблицу, выразите
и стандартное отклонение для каждой глубины.
1.1 В таблице 1 приведены результаты измерений времен
Таблица 1.
| 0 | 0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | |
| 10 | 3,03 | 2,68 | 2,75 | 2,82 | 3,63 |
| 20 | 5,53 | 5,63 | 5,36 | 5,51 | 3,51 |
| 30 | 8,21 | 9,04 | 8,31 | 8,52 | 3,50 |
| 40 | 10,45 | 12,12 | 11,09 | 11,22 | 3,47 |
| 50 | 13,2 | 15,39 | 14,24 | 14,28 | 3,24 |
| 60 | 15,95 | 19,08 | 17,17 | 17,40 | 3,24 |
| 70 | 18,87 | 21,88 | 20,58 | 20,44 | 3,18 |
| 80 | 21,83 | 25,12 | 24,10 | 23,68 | 3,07 |
| 90 | 24,45 | 28,48 | 27,96 | 26,96 | 2,99 |
| 100 | 27,6 | 31,70 | 31,85 | 30,38 | 3,11 |
| 110 | 30,61 | 33,63 | 35,95 | 33,40 |
1.2 Постройте график усредненного закона движения шарика
1.3 Рассчитайте среднюю скорость движения шарика на всем пройденном пути. Оцените погрешность найденного значения.
Средняя скорость на всём пути — это отношение пройденного пути к общему времени; подумай, какие времена и длину взять.
Воспользуйся определением средней скорости
- Определи полный пройденный путь
(максимальную глубину, за которую есть данные). - Возьми общее среднее время последней глубины
и его погрешность из п.1.1. - Вычисли
и оценку относительной погрешности как отношение погрешности времени к среднему времени. - Используя эту относительную погрешность, выразите абсолютную погрешность
для .
1.3 Средняя скорость рассчитывается как отношение всего пройденного пути ко времени:
Погрешность определения скорости определяется погрешностью измерения времени, которая может быть оценена различными способами. например, как среднеквадратичная
Тогда погрешность определения скорости равна
Окончательный результат расчета средней скорости
1.4 Предположим, что движения шарика является равномерным. Определите параметры закона равномерного движения, которые точнее всего описывают экспериментальные данные. Постройте график найденного приближенного закона движения (на том же бланке, что в п.1.2). Укажите значения координат точек, по которым вы построили эту прямую. Считая экспериментальные отклонения случайными, рассчитайте погрешность найденного значения скорости в равномерном приближении.
1.4 В данном эксперименте основную погрешность привносят измерения времени, поэтому при использовании МНК следует искать параметры зависимости
Расчеты по МНК дают следующие значения параметров:
Скорость в равномерном приближении принимает значение
Для построения этой прямой можно взять две крайние точки, для которых времена рассчитываются по формуле (5) с найденными коэффициентами:
Прямая изображена на графике.
1.5 По экспериментальным данным рассчитайте зависимость скорости шарика от времени. Постройте график полученной зависимости. Параметры графика и оценку погрешностей находить не требуется.
Чтобы получить скорость во времени, найди приращения глубины и соответствующие приращения времени между соседними усреднёнными точками.
Для численного приближения скорости используй симметричную разностную формулу
- Возьми усреднённые времена и глубины из таблицы и составь последовательность пар
. - Для каждой внутренней точки вычисли скорость по симметричной формуле, а для крайних — подходящей односторонней разностью.
- Нанеси рассчитанные
как функцию времени на график. - Проверь согласованность расчётов и выразите
для всех нужных индексов из имеющихся данных.
1.5 Расчет скоростей может быть проведен по данным Таблицы 1. Скорость в момент времени
Результаты таких расчетов приведены в последнем столбце Таблицы 1. График зависимости скорости от времени показан на рисунке.
Конечно, отклонение точек от прямой достаточно существенно (что связано с большой погрешностью расчета скорости на каждом интервале). Но четко наблюдается тенденция к уменьшению скорости по мере погружения.
1.6 Используя полученный график зависимости скорости от времени. укажите, можно ли считать отклонения экспериментальных точек от графика равномерного приближения случайными.
Сравни вид графика скорости с постоянной прямой: ищи тренд (например монотонное уменьшение) и характер разброса точек.
Анализируй, являются ли отклонения случайными, проверив наличие систематической тенденции (например, убывания) и сравнив амплитуду колебаний с оценкой погрешности измерений.
- Нанеси на график скорость в равномерном приближении (из п.1.4) и точки экспериментальных скоростей.
- Оцени среднеквадратичное отклонение экспериментальных скоростей и сравни его с ожидаемой погрешностью вычисления скоростей.
- Посмотри, присутствует ли монотонная тенденция (смещение тренда) сверх случайного разброса.
- Исходя из сравнения разброса и тренда, выразите вывод о том, можно ли считать отклонения случайными.
1.6 Возможными причинами наблюдаемой тенденции являются:
- налипание мелких пузырьков воздуха на шарик;
- приближение шарика к стенке сосуда (если она не вертикальна).
1.7 Укажите основные причины, которые могут привести к появлению систематических отклонений закона движения шарика от равномерного приближения.
Подумай, какие факторы могли изменить сопротивление движению шарика и повлиять на измерения времени.
Перечисли возможные систематические источники: налипание пузырьков, взаимодействие со стенкой, изменение уровня мыла, наклон шкалы и т.д.; свяжи их с наблюдаемыми трендами.
- Просмотри экспериментальные данные и отметь, при каких глубинах наблюдается отклонение от равномерности.
- Сопоставь эти глубины с возможными эффектами: близость стенки, накопление пузырьков, изменение плотности/свойств жидкости.
- Оцени, какие из этих эффектов могли бы давать монотонное уменьшение скорости по мере погружения.
- Сформулируй список основных причин и выразите, какой вклад каждая причина могла внести в наблюдаемые отклонения.
2.1 Измерьте зависимость скорости подъема шарика от числа скрепок
Измеряй время подъёма на том же отрезке глубины, фиксируя число скрепок; меняй массу противовеса по одному шагу.
Для каждого числа скрепок вычисляй среднюю скорость как отношение пройденной высоты к среднему времени; затем построй график зависимости
- Выбери интервал высот, на котором проводятся измерения, и зафиксируй его в протоколе.
- Для каждого
собери несколько замеров времени и вычисли среднее время и скорость . - Нанеси точки
на график и построй через них ориентировочную прямую аппроксимации. - По точкам выразите зависимость скорости от
(коэффициенты аппроксимации) и подготовь результаты для дальнейшего анализа.
2.1 Таблица 2 результатов измерений времен погружения при разном числе скрепок приведена ниже. Последний столбец – средние скорости движения, рассчитанные по понятной формуле
Таблица 2.
| 0 | 13,23 | 13,92 | 14,07 | 13,74 | 8,01 |
| 1 | 11,47 | 11,1 | 11,22 | 11,26 | 9,77 |
| 2 | 9,25 | 9,59 | 9,48 | 9,44 | 11,65 |
| 3 | 7,79 | 7,59 | 7,74 | 7,71 | 14,27 |
| 4 | 6,88 | 6,37 | 6,15 | 6,47 | 17,01 |
| 5 | 5,53 | 5,47 | 5,23 | 5,41 | 20,33 |
| 6 | 4,76 | 4,73 | 5,01 | 4,83 | 22,76 |
| 7 | 4,55 | 4,51 | 4,65 | 4,57 | 24,07 |
.
График зависимости скорости подъема шарика от числа добавленных скрепок показан на рисунке. На нем же показана прямая, проходящая через средние точки зависимости.
2.2 Выясните. могут ли отклонения экспериментальных данных от приближенной зависимости считаться систематическими (а не обусловленными погрешностями измерений).
Посмотри, отклоняются ли точки от построенной прямой последовательно (в сторону одного знака) или разбросаны случайно вокруг неё.
Если отклонения имеют систематический характер (например, все выше прямой для малых
- Вычисли остатки между экспериментальными
и значениями аппроксимации для каждого . - Оцени среднее и знак остатков, а также их разброс по всем точкам.
- Проверь, превышают ли остатки ожидаемые погрешности измерения времени и длины.
- На основании результата выразите вывод о том, являются ли отклонения систематическими.
2.2 Хорошо видно, что экспериментальный данные систематически отклоняются от проведенной прямой, поэтому эти отклонению не могут быть объяснены погрешностями измерений.
2.3 Укажите возможные причины систематических отклонений экспериментальных данных от линейной зависимости скорости шарика от массы шарика противовеса. Ответ обоснуйте на основании ваших экспериментальных данных.
Подумай, какие свойства неньютоновской жидкости и динамики шарика меняются при увеличении нагрузки на противовес.
Перечисли возможные причины нелинейности: зависимость силы сопротивления от скорости, присоединённая масса, изменение режима течения или деформация поверхности шарика; обоснуй выбор на основании формы экспериментальной кривой
- Сравни форму графика
с линейной аппроксимацией и определи, в каких диапазонах наблюдается отклонение (малая/большая нагрузка). - Свяжи наблюдаемые отклонения с физическими механизмами: несимметричная зависимость сопротивления от скорости, рост эффекта присоединённой массы при больших скоростях и т.д.
- Используя данные (напр., ускорение при малых
или насыщение при больших ), выбери наиболее правдоподобные причины. - Сформулируй и выразите список возможных причин систематических отклонений с указанием, какие наблюдения в эксперименте их поддерживают.