ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ НА ТЕМУ «Измерение Коэффициента жёсткости пружины. Закон Гука»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №2»

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДСКОЙ ОКРУГ СИМФЕРОПОЛЬ

РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ

НА ТЕМУ

«Измерение Коэффициента жёсткости пружины. Закон Гука»

Выполнил:

Гальченко Денис

ученик 9-А класса

Руководитель проекта:

Байкова Рамиля Мукаддасовна

учитель физики

Симферополь, 2020 год

Паспорт проекта

Название проекта:«Измерение жёсткости пружины. Закон Гука»

Руководитель:учитель физики Байкова Рамиля Мукаддасовна

Автор: Гальченко Денис ученик 9-А класса

Учебная дисциплина: физика

Тип проекта:исследовательский

Цель работы: определить коэффициентжёсткость пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести.

Задачи работы:

1. Изучить научную информацию о процессе деформации твердых тел и описать в окружающем мире явления, которые могут быть объяснены с помощью закона Гука.

2. Определить способ, оборудование и процедуру для экспериментальной проверки закона Гука.

3. Измерить опытным путем коэффициент жёсткости пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести и проверить закон Гука.

4. Сформулировать выводы.

Вопрос проекта: как опытным путем определить коэффициент жёсткости пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести?

Краткое содержание: в работе даны теоретические определенияпроцесса деформации физических тел, закона Гука, рассмотрены примеры проявления данного процесса в окружающем мире. Проведено экспериментальное исследование, в котором с целью проверки закона Гука мы подвергли небольшой деформации пружину, меняя вес, подвешенных к ней грузов. На основании полученных измерений и, используя закон Гука, был рассчитан коэффициент жёсткости пружины и построен график зависимости растяжения пружины от изменения нагрузки, оказанной на неё. Таким образом, был определенкоэффициентжёсткости пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести.

Результатом проекта является видеоролик, в котором наглядно представлены сбор экспериментальной установки, поэтапная процедура проведения эксперимента, математический расчет коэффициента жёсткости пружины и графическое изображение зависимости силы упругости от удлинения.

Пояснительная записка

Автор: Гальченко Денис ученик 9-А класса

Тема:«Измерение жёсткости пружины. Закон Гука»

Цель: определить коэффициентжёсткость пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести.

Основополагающий вопрос:как опытным путем, с помощью закона Гука, определить коэффициент жёсткости пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести?

Продукт: видеоролик

Этапы работы с проектом:

Содержание

Введение

Физика изучает взаимодействие всех тел, как парадоксально маленьких, так и невероятно больших. Одним из примеров взаимодействия между телами является процесс деформации. Деформация – это изменение формы и размеров тела под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращениях и других воздействиях, вызывающих изменение положения частиц тела.

Процесс деформации был описан в 1660 году известным английским ученым Робертом Гуком. Закон Гука − основной закон теории упругости. Гук проделал множество опытов с разными предметами из самых разных материалов различной геометрической формы. Здесь были и пружины, и куски проволоки, и балки.

Закона Гука: теоретический и прикладной аспекты

ОпределениеЗакон Гука

Закон Гука гласит: сила упругости, возникающая при упругой деформации растяжения или сжатия тела, про­порциональна абсолютному значению изменения длины тела [1, 5].

В виде уравнения закон Гука записывается в следующей форме:

F = –kx,

где F — сила упругого сопротивления струны;

x — линейное растяжение или сжатие;

k — так называемый коэффициент упругости.

Знак минус в формуле указывает на то, что силы упругости противодействуют деформациям.

Проявление Закона Гука в окружающей среде

Закон Гука мы используем каждый день и можем этого не замечать. Еще в неолите, не зная этого закона, наши предки изобрели первое дальнобойное оружие – лук и стрелы, используя упругость изогнутой ветки дерева; потом катапульты и баллисты, построенные для метания больших камней, использовали упругость канатов, свитых из растительных волокон или даже из женских длинных волос [3].

Одним из важных практических применений закона Гука являются пружинные весы. Это прибор, у которого пружина и стрелка, собраны в корпусе, который имеет градуированную шкалу. Эти весы имеют крюк, за который их можно повесить, и еще один крюк, на который помещается тело для взвешивания.

Можно привести ряд примеров применения силы упругости в технике: на ухабах сила упругости амортизатора (рессора) помогает гасить колебания автомобиля; подушка безопасности при авариях гасит силу удара; ремень безопасности имеет большую силу упругости, поэтому крепко держит водителя на сидении при толчках и авариях; зимой шины накачивают не до предела, увеличивают их упругость, во-первых холод сжимает сам эти шины, во- вторых, возникает хорошее сцепление со снегом [2].

Применение одноосного растяжения мы видим и в музыкальных инструментах. Высота звука, издаваемого натянутой струной, зависит от силы ее натяжения. Струнные инструменты создаются путем натяжения струн из жесткого материала, стальной проволоки или сухожилий на подходящую жесткую раму, которой может служить гриф гитары. Незначительно изменяя натяжение струны, мы меняем высоту звука. Именно поэтому такие инструменты очень чувствительны к настройке. Я как человек, играющий на гитаре, сталкиваюсь с использованием данного закона каждый день.

Если внимательно присмотреться, то можно обнаружить, что закон Гука, находит свое выражение во множестве практических действий, например, глядя на удочку, можно определить, поймали вы сома или плотву, даже, убивая муху на стене из рогатки, применяется закон Гука.

Сила упругости проявляется как в мире, созданном человеком, так и в природе: в результате действия силы упругости животные могут выдерживать большие нагрузки. Деревья выдерживают порывы ветра, налипший слой снега.

Как и любая сила, сила упругости, способна совершать работу. Причем очень полезную. Она предохраняет деформируемое тело от разрушения. Если она с этим не справляется, наступает разрушение тела. Например, разрывается трос подъёмного крана, струна на гитаре, резинка на рогатке, пружина на весах, лопается воздушный шарик. Эта работа всегда имеет знак минус, поскольку сама сила упругости тоже отрицательна [4].

Закон, открытый Гуком, до настоящего времени является базисным в сопротивлении материалов и служит математической основой теории упругости.

Опытно-экспериментальная работа по определению коэффициента жёсткости пружины

Планирование экспериментальной работы и техническое обеспечение

С целью проверки закона Гука и измерения коэффициента жёсткости пружины, нами была проведена опытно-экспериментальная работа: определено необходимое оборудование, собрана экспериментальная установка, установлен порядок действий. После проведения опыта сделаны расчёты, в которых определен коэффициент жёсткости пружины с последующим изображением графика зависимости силы упругости от удлинения.

Оборудование: динамометр (приложение 1, рис. 1), грузы (приложение 1, рис. 2), линейка, листик бумаги, штатив с муфтой и лапкой (приложение 1, рис 3).

Определение коэффициента жёсткости пружины

Ход экспериментальной работы:

1. Закрепим на штативе динамометр.

2. Рядом с пружиной расположим листик.

3. Отметьте начальное положение конца пружины.

4. Подвесим к пружине груз известной массы и отметьте удлинение пружины.

5. К первому грузу добавим второй и отметим удлинение пружины.

6. К первому и второму грузу добавим третий и отметим удлинение пружины.

7. Измерим линейкой расстояние между отметками.

8. Результаты запишите в таблицу.

9. Рассчитаем коэффициент жёсткости пружины по формулам.

10. По результатам постройте график зависимости силы упругости от удлинения.

2.3. Математические расчёты коэффициента жёсткости пружины

Нахождение Δx:

Δx=x2-x1

Где Δx –это удлинение пружины

x1- длинна пружины, без груза

x2- длинна растянутой пружины, под весом груза

Изображение удлинения пружины, представлено на рисунке 4.

Рисунок 4. Удлинение пружины

В таблице 1 представлены, расчёты удлинения пружины в 3-ёх опытах, под действием грузов разной массы.

Таблица 1

Расчёт удлинения пружины, в 3-ёх опытах

Расчёт

Fупр=kΔx

P=Fупр

k=Fупр/Δx [H/м]

k1=1/0,022≈45H/м

k2=2/0,045≈44H/м

k3=3/0,067≈45H/м

k ср= 45+44+45/3≈ 44/6 H/м

График зависимости силы упругости от удлинения изображен на рисунке 5.

Рисунок 5. График зависимости силы упругости от удлинения

Ось х – удлинение пружины (Δx)

Осьy – сила упругости (Fупр)

Вывод

В ходе проведения проекта:

- получены навыки сбора, обработки и анализа информации по проблеме деформации твердых тел;

- приобретен опыт планирования и проведения экспериментальной деятельности по изучению природы возникновения силы упругости и закону Гука;

- в соответствии с поставленной целью, в ходе экспериментальной работы определен коэффициент жёсткости пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести.

Таким образом, анализ информации и наблюдение позволили увидеть, как математический закон находит свое выражение в явлениях окружающей действительности, а проведенный эксперимент позволил опытным путем подтвердить истинность закона Гука.

Перспективу возможной дальнейшей работы по проблеме данного проекта можно определить в экспериментальном исследовании условий, при которых закон Гука справедлив, а при которых он теряет свою силу, то есть исследование степени применимости данного закона.

Результат работы представлен в форме видеоролика и может носить практическую ценность в качестве наглядного материала для проведения лабораторных и практических занятий по физике.

Список литературы

Громцева О. Физика. 7-9 классы. Справочник. ФГОС.– М.: Экзамен, 2020., 192 с.

Книга для чтения по физике: Учеб. пособие для учащихся 6-7 классов./

сост. И.Г. Кириллова. – М.: Просвещение, 1986., 207 с.

Перельман Я. И. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 2. – М.: Римис, 2015., 256 с.

Физика. 7 класс: учебник / А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2016., 192 с.

Физика 7 класс: учебник / О. Ф. Кабардин. – М.: Просвещение, 2009., 176 с.

Интернет-ресурсы

http://www.doklad-na-temu.ru/fizika/sila-uprugosti.htm

https://nzmetallspb.ru/benzoinstrument/koeffitsient-zhestkosti-pruzhiny-opredelenie-formuly-izmerenie.html

Приложение 1

Рисунок 1. Динамометр

Рисунок 2. Грузы

Рисунок 3. Штатив с муфтой и лапкой

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/411316-individualnyj-itogovyj-proekt-na-temu-izmeren