зад 1 Твердость материалов
Шестидесятилетию декана физического факультета БГУ, заведующему кафедрой физики твердого тела, профессору В.М. Анищику посвящается.
Для исследования твердости материала используют следующую методику. На пластинку из исследуемого материала укладывают лист копировальной бумаги (красящим слоем вверх) и лист белой бумаги. Затем на него с определенной высоты бросают металлический шарик. На листе бумаги остается круглый отпечаток, диаметр которого свидетельствует о твердости исследуемого материала.
Вам предстоит исследовать твердость трех различных материалов – металла, дерева и картона.
Приборы и оборудование: металлическая пластина, деревянная доска, учебник физики для 10 класса, шарик металлический, бумага белая, бумага копировальная, мерная лента, штангенциркуль.
Задание 1.
1.1 Исследуйте зависимость диаметра отпечатка от высоты падения шарика для трех исследуемых материалов. Постройте графики полученных зависимостей.
1.2 Дайте теоретическое объяснение полученных зависимостей.
1.3 Предложите численную характеристику твердости материала. Она должна быть безразмерной, иметь теоретическое и экспериментальное объяснение.
1.4 Определите твердости (введенные вами в предыдущем пункте) для всех исследуемых материалов.
Задание 2.
При ударе шарика об упругую поверхность он отпрыгивает от нее. Используя описанную методику определения твердости, исследуйте процесс отскока.
2.1 Проверьте экспериментально: можно ли считать, что при ударе строго определенная доля кинетической энергии шарика переходит в тепловую? Определите примерное значение этой доли энергии металлической и деревянной пластин.
2.2 Постройте график зависимости числа наблюдаемых отскоков от высоты падения шарика для всех исследуемых материалов. Дайте качественное объяснение полученных зависимостей.
▶ПодсказкаСкрыть
Диаметр отпечатка связан с энергией удара: следите, как он растёт с высотой падения, и введите безразмерную характеристику твёрдости через долю энергии, расходуемую на деформацию. При отскоке остающаяся энергия определяет число подскоков.
зад 2 Магнитные взаимодействия
Вам необходимо исследовать взаимодействия постоянных магнитов и постоянного магнита с железной пластинкой.
Приборы и оборудование: два кольцевых магнита, железная пластинка, пробка, булавка, деревянный стержень, пластиковая бутылка (используется как подставка), пластилин, набор пластиковых пластинок, секундомер, измерительная линейка.
Задание 1.
1.1 Определите отношение массы малого кольцевого магнита к массе деревянного стержня.
Изготовьте маятник, состоящий из деревянного стержня и малого кольцевого магнита, в качестве оси вращения маятника используйте булавку, в качестве подставки — пластиковую бутылку.
Задание 2.
2.1 Исследуйте зависимость периода колебаний маятника от положения магнита на стержне (расстояния от оси вращения до центра магнита).
2.2 Объясните полученную зависимость, сравните ее с теоретической.
2.3 Определите ускорение свободного падения.
Задание 3.
Малый магнит расположите в нижней точке маятника. Расположите под маятником второй (больший) магнит, так, чтобы его плоскость была горизонтальна, магниты должны притягиваться друг к другу. Расстояние между магнитами изменяйте, подкладывая под нижний магнит пластиковые пластинки. В качестве единицы силы используйте силу тяжести, действующую на малый магнит.
3.1 Исследуйте зависимость периода колебаний маятника от расстояния между магнитами.
3.2 Постройте график зависимости силы взаимодействия между магнитами от расстояния между ними.
3.3 Допустим, что сила взаимодействия между магнитами \(F_{mm}\) зависит от расстояния \(z\) между ними по закону
\[F_{mm} = C z^{\alpha}\]
При каком показателе \(\alpha\) эта зависимость наиболее точно описывает экспериментальные данные?
Задание 4.
Малый магнит расположите в нижней точке маятника. Расположите под маятником металлическую пластинку, так, чтобы ее плоскость была горизонтальна.
4.1 Исследуйте зависимость периода колебаний маятника от расстояния между магнитом и пластинкой.
4.2 Постройте график зависимости силы взаимодействия между магнитом и пластинкой от расстояния между ними.
4.3 Допустим, что сила взаимодействия между магнитом и пластинкой \(F_{mp}\) зависит от расстояния \(z\) между ними по закону
\[F_{mp} = C z^{\beta}\]
При каком показателе \(\beta\) эта зависимость наиболее точно описывает экспериментальные данные?
▶ПодсказкаСкрыть
Физический маятник с магнитом: период зависит от положения магнита на стержне, а притяжение к другому магниту или пластине добавляет к силе тяжести силу взаимодействия, которую можно определить по изменению периода.
Источник: Республиканская физическая олимпиада Беларуси, 2004/05, заключительный этап, 10 класс, экспериментальный тур — условия · решения. Задачи перенабраны на botay.pro, решения — по официальным.