1. Изучение движения тележки под действием постоянной силы. Для измерения скорости и ускорения тележки 1, движущейся под действием некоторой силы на ней закрепляют пластину 2 с прорезями, а рядом --- оптодатчик, подключенный к ПЭВМ (рис. 1). В наших опытах длина пластины с прорезями 1,2 м, ширина прорезей 1 см, расстояние между прорезями 1 см. В другом случае использовалась пластина длиной 0,4 м, ширина прорезей 1 см, расстояние между прорезями 4 см. Оптодатчик поключают к компьютеру, на котором запускают программу, измеряющую время, пока фотодиод оптодатчика освещен и затемнен и выводящую результаты на экран.

Рис. 1. Измерение скорости и ускорения тележки.

Программа содержит цикл, и выводит на экран количество оборотов цикла пока фотодиод освещен или затемнен. Чтобы получить результат в секундах необходимо определить число оборотов цикла за 5 или 10 с. В наших опытах одной секунде соответствовало примерно 555 оборотов цикла, что и учтено в программе. При использовании другого компьютера эта значение тоже будет другим.

Получающийся график зависимости скорости тележки от времени показан на рис. 2. Пока груз не коснулся пола скорость равномерно растет, затем уменьшается вследствие действия силы трения.

Рис. 2. Экспериментальный график зависимости скорости от времени.

Упрощенный способ измерения ускорения предполагает измерение мгновенной скорости тележки, которую она приобретает после прохождения известного расстояния из состояния покоя. Для измерения мгновенной скорости на тележке 1 устанавливают пластину 2 так, чтобы при ее движении она пересекала световой пучок оптодатчика 3 (рис. 3.1). Ширина пластины 5 см. Компьютер измеряет время пересечения светового пучка, что позволяет вычислить мгновенную скорость, а затем и ускорение.

Рис. 3. Другие способы измерения скорости и ускорения тележки.

Еще один вариант опыта состоит в использовании диска 2 с прорезью, установленного на шкиве, на который намотана нить, привязанная к тележке 1 (рис. 3.2). Рядом с диском расположен оптодатчик 3, подключенный к ПЭВМ. Зная диаметр шкива и время освещения и затемнения фотодиода оптодатчика несложно определить скорость тележки в последовательные моменты времени и вычислить ускорение.

2. Изучение сохранения момента импульса. Как известно, момент импульса замкнутой системы остается постоянным. Это можно подтвердить с помощью экспериментальной установки, состоящей из диска 1 с прорезями, кольца 2 и оптодатчика 3, подключенного к компьютеру (рис. 4.1). Суть опыта состоит в следующем. Рукой разгоняют диск и на ПЭВМ запускают програму, которая измеряет скорость вращения и строит график ее зависимости от времени. Затем на диск опускают (роняют) кольцо, момент инерции которого сравним с моментом инерции диска. Угловая скорость диска резко уменьшается. Внешний вид получающегося графика показан на рис. 4.2.

Рис. 4. Проверка закона сохранения момента импульса.

В наших опытах использовался диск радиусом 10 см с 96 прорезями по краю. Кольцо имело массу 0,1648 кг и радиус 5 см. Чтобы при падении кольцо не скользило по поверхности диска и не смещалось в сторону, в кольцо был вставлен картонный диск с отверстием. При падении отверстие недевалось на гайку в центре диска. В наших опытах угловая скорость диска в одном случае уменьшилась от 17,1 рад/c до 8,2 рад/с, а в другом с 13,54 рад/с до 8,56 рад/с. Получающиеся значения угловой скорости на 5-7 % меньше теоретически ожидаемых вследствие действия силы трения.

2. Измерение ускорения свободного падения. Для опыта потребуется оптодатчик, подключенный к ПЭВМ, и прямоугольная пластина с окошком. Запускают программу ПР-1 и пластину помещают прямо над оптодатчиком и отпускают ее. Падая пластина пересекает световой пучок оптодатчика два раза. По времени затемнения фотодиода определяют скорости пластины в момент пересечения светового пучка, вычисляют ускорение.

Рис. 5. Измерение ускорения свободного падения.

В наших опытах использовалась пластина длиной a=12 см, параметр b=3 см. Получились результаты: 1) v₁=0,83 м/с, v₂=1,56 м/с, g=9,34 м/с²; 2) v₁=0,70 м/с, v₂=1,58 м/с, g=11,1 м/с². Точное значение 9,81 м/с².

3. Использование резистивного датчика координаты при изучении колебаний. Один из вариантов экспериментальной установки изображен на рис. 5: на пружине 1 висит масивное тело 2, на котором вертикально закреплены два медных стержня 3, изолированные друг от друга. При колебаниях груза 2 происходят периодические изменения глубины погружения стержней в слабый раствор поваренной соли, налитый в сосуд 4. Это приводит к изменению сопротивления между стержнями и к соответствующим колебаниям напряжения, которые поступают на вход преобразователя напряжение-частота на таймере 555. Генерируемые импульсы подаются на LPT-порт ЭВМ, которая определяет их частоту и строит график зависимости координаты (и скорости) колеблющегося тела от частоты. В наших опытах длина стержней составляла 20 см, расстояние между ними -- 1,5 - 2 см.

Рис. 5. Изучение колебаний пружинного маятника.

Возможен и другой вариант опыта: для определения координаты колеблющегося физического маятника можно использовать проволочный переменный резистор, включенный в одно из плеч мостовой схемы Уитсона или как делитель напряжения. Переменный резистор закрепляют в штативе, а сам физический маятник подвешивают к ручке (движку, подвижному контакту) переменного резистора. В качестве схемы сопряжения можно использовать преобразователь напряжения в частоту. При отклонении маятника из положения равновесия он совершает 10-20 колебаний, на экране компьютера получается соответствующий график.

добавлено 28.06.11.