Проект на тему Маятник Ньютона

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 6

имени Л.И. Ошанина

Проектная работа по физике

Маятник Ньютона

Ученик 9 А класса

Шаров Максим

2017

Содержание

1.      Введение

2.      Теоретическая часть

2.1.Маятники. Виды маятников.

2.2. История открытия маятника Ньютона

2.3.Принцип работы маятника Ньютона.

2.4.Применение маятника Ньютона.

3.      Практическая часть

3.1.Изготовление маятника

3.2.Анализ результатов эксперимента

4.      Заключение

5.      Список литературы

6.      Приложения

Введение.

Физика – наука экспериментальная. Сейчас существует много способов заинтересовать учащегося изучать эту сложную и важную для жизни каждого человека науку: обучающие интернет сайты, научно- популярная литератураи даже интерактивные музеи. Такой Музей занимательных наук Эйнштейна в Ярославлеяпосетил с родителями в прошлом году. В нем представлены интересные экспонаты, демонстрирующие различные физические явления. Я обратил внимание на различные маятники и решил попробовать сделать один из них своими руками.

Цельработы: конструирование прибора –модели  маятника Ньютона.

Задачи:

1.      Проанализировать литературу по рассматриваемому вопросу.

2.      Продумать конструкцию маятника с наименьшими затратами и хорошим эстетическим видом.

3.      Изготовить и привести в действиеприбор- маятник Ньютона.

Гипотеза: Сконструированный маятник Ньютона продемонстрирует законы взаимосвязи механической энергии и импульса.

Актуальность выбранной темы обусловлена значением изучения законов сохранения энергии, они доказывают взаимосвязь явлений природы. Такие понятия, как «импульс», «работа», «энергия» в последующем необходимы для изучения многих физических  разделов. При изучении данной темы развиваются такие умения, как наблюдать, ставить эксперимент, конструировать, анализировать.

2. Теоретическая часть.

2.1.Маятники. Виды маятников.

Ма́ятник — система, подвешенная в поле тяжести и совершающая механические колебания. Колебания совершаются под действием силы тяжести, силы упругости и силы трения. Во многих случаях трением можно пренебречь, а от сил упругости (либо сил тяжести) абстрагироваться, заменив их связями.

Во время колебаний маятника происходят постоянные превращения энергии из одного вида в другой. Кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную энергию (гравитационную, упругую) и обратно. Кроме того, постепенно происходит преобразование кинетической энергии в тепловую, за счёт сил трения.

Одним из простейших маятников является шарик, подвешенный на нити. Идеализацией этого случая является математический маятник — механическая система, состоящая из материальной точки, подвешенной на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в поле тяжести.

Если размерами массивного тела пренебречь нельзя, но всё ещё можно не учитывать упругих колебаний тела, то можно прийти к понятию физического маятника. 

Физический маятник — твёрдое тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейся центром масс этого тела, или неподвижной горизонтальной оси, не проходящей через центр масс этого тела.

Система из нескольких шариков, подвешенных на нитях в одной плоскости, колеблющихся в этой плоскости и соударяющихся друг с другом, называется маятником Ньютона. Здесь уже приходится учитывать упругие процессы и законы сохранения импульса.

Маятник Фуко — это груз, подвешенный на нити, способный изменять плоскость своих колебаний.

Ещё одним простейшим маятником является пружинный маятник. Пружинный маятник — это груз, подвешенный на пружине и способный колебаться вдоль вертикальной оси.

Крутильный маятник — механическая система, представляющая собой тело, подвешенное в поле тяжести на тонкой нити и обладающее лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

Маятник Капицы — пример динамически стабилизированного перевернутого маятника.

Маятники используются в различных приборах, например, в часах и сейсмографах.

Маятники облегчают изучение колебаний, так как наглядно демонстрируют их свойства.

2.2. История открытия маятника Ньютона.

Великий учёный Исаак Ньютон изобрел наглядную демонстрацию преобразования энергии - маятник или как ее еще называют - колыбель. Это устройство представляет собой конструкцию из пяти одинаковых металлических шаров, каждый из которых крепится с помощью двух тросов к каркасу, а тот в свою очередь к прочному основанию П-образной формы.

Исследование и использование маятниковых устройств для демонстрации закона воздействия между несколькими телами, было сначала описано учёным Мариоттом в 17-м столетии. Кроме Ньютона, принцип маятника использовали и другие физики. Среди них Христиан Гюйгенс, который изучал столкновение, а также физик АббеМэрайотт, он изучал закон воздействия тел друг на друга.   

Есть много разногласий, как же все-таки появилась современная колыбель Ньютона. К примеру, Мариуса Морина считают учёным, который первым сконструировал и дал название популярной сегодня конструкции. Он сделал для своей компании деревянную версию маятника. Сувениры-шары  были успешно проданы и положили начало ринку таких игрушек. Парой лет потому режиссёр и скульптор Ричард Лонкрейн усовершенствовал шары, сделал их хромовыми, благодаря чему дизайн бил признан очень успешным.  

Продавать изобретение Исаака Ньютона в 1967 году предложил СаймонПреббл, актер из Англии. Именно он и дал название прибору - "колыбель Ньютона". С тех пор маятник стал популярным сувениром и прекрасной деталью в интерьере. 

Самое большое устройство колыбели в мире было разработано Разрушителями мифов и состояло из пяти одной тонны бетона и стали наполненные перебаром бакены, приостановленные от стальной связки. Бакенам также вставили листовую сталь, промежуточную их две половины, чтобы действовать как «контактный центр» для передачи энергии; это устройство колыбели не функционировало хорошо. Версия меньшего масштаба, построенная ими, состоит из пяти 6-дюймовых хромовых шарикоподшипников стали, каждого взвешивания 33 фунта, и почти так же эффективна как настольная модель.Но это устройство колыбели за счет массивности имело погрешности в действии

Устройство колыбели с самыми большими шарами столкновения диаметра на общественном дисплее, демонстрировалось больше года в Милуоки, Висконсин в американской Науке розничного магазина и Излишке. Каждый шар был надувным шаром осуществления 26 дюймов в диаметре (приложенный в клетке стальных колец) и был поддержан от потолка, используя чрезвычайно сильные магниты. Это было демонтировано в начале августа 2010 из-за проблем обслуживания.

Версия меньшего масштаба состояла из пяти 6-дюймовых хромовых шариков-подшипников стали, каждый из которых весил 33 фунта. Эта модель била практически такая же эффективна как настольная версия.

В Соединённых Штатах Америки в Мичигане установили самую большую модель колыбели Ньютона. Она состоит из 16 шаров для боулинга, которые весят 6.8 кг каждый. Они крепятся на прочных тросах длиной 6.1 метра и возвышены на 1 метр над землей (приложение 1)

2.3.Принцип работы маятника Ньютона

Если к шарикам не прикасаться, то они все время находятся в неподвижном состоянии. Чтобы увидеть движение маятника, нужно привести в действие крайний шар, тогда шар на другом краю будет совершать колебания с такой же скоростью и амплитудой, как и предыдущий. Движения происходят по конкретной траектории и с постоянной частотой.  Это демонстрирует закон сохранения импульса, а также превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Поскольку первое тело производит ударную волну, она передается через промежуточные сферы, которые остаются неподвижными, и воспроизводиться в последнем шаре. Если бы не было затрат энергии и препятствий таких как трение, маятник мог бы стать вечным двигателем. Но в природе это невозможно и колебания шаров со временем утихают, поскольку движению препятствуют диссипативные силы.  Энергетические потери – причина по которой шары в конечном счете останавливаются. Более высокий вес стали уменьшает относительный эффект сопротивления воздуха. Размер стальных шаров ограничен, потому что столкновения могут превысить упругий предел стали, исказив его и порождения тепловых потерь.Продолжительность работы маятника напрямую зависит от веса и размера шариков: чем больше их диаметр и чем они тяжелее, тем дольше будет длиться данный процесс, и наоборот.

Маятник Ньютона устроен так, что начальный шар передаёт импульс второму шарику, а затем замирает. Нашему глазу на первый взгляд незаметно, как следующий шарик приминает импульс от предыдущего, мы не можем проследить его скорость. Но, если взглянуть пристальнее, можно заметить, как: шарик немножко “вздрагивает”. Это объясняется тем, что он совершает движения с посланной ему скоростью, но поскольку расстояние очень маленькое и ему некуда разогнаться, то он может на своем коротком пути передать импульс третьему шарику и и в итоге остановиться.

Такое же действие совершает и следующий шарик, и так далее. Второе тело принимает импульс потенциальной энергии от предыдущего, но поскольку нет возможности превращения потенциальной энергии в кинетическую, то импульс передается от второго шара далее - в третий, четвертый, пятый. У последнего шарика некуда передавать свой импульс, поэтому он свободно колеблется, поднимаясь на определенную на высоту, а затем возвращается, и весь процесс передачи импульсов повторяется в обратном порядке.

Представим маятник, состоящий всего из двух сфер. В этом случае шар в движении сталкивается с соседом, который пребывает в состоянии покоя. Соприкасание упругое и центральное (так как оно наблюдается в идеальной колыбели Ньютона). Чтобы сосчитать скорости шаров после упругого столкновения, необходимо воспользоваться уравнением закона сохранения импульса для такой схемы и уравнением закона сохранения энергии, а потом развязать полученную систему уравнений. Итог известен: шар, который двигался останавливается, а тот, что пребывал в состоянии покоя, обретает скорость первого.  

Колебания похожи на распространение упругой волны в твёрдом теле, или же на посыл упругих возмущений и энергии упругой деформации без переноса вещества, как это происходит со звуком. Этот закон будет работать, если давать ускорение двум или трем телам одновременно.  

2.4.Применение маятника

Шары Ньютона признали еще в конце 20 века, они чаще всего применялись для релаксации, в психотерапии, а также для подсчета времени.  Декоративная модель шаров Ньютона пользуется неизменной популярностью уже многие годы. Мерное колебание, монотонное постукивание шаров и их блеск способствуют расслаблению. Это отличное средство для нервной системы, наблюдаетсянесколькотиповвлияния:

- успокаивает нервы;

- снимает стресс;

- помогает привести мысли в порядок;

-отвлекает от проблем;

- расслабляет;

- концентрируетвнимание.

Многие приобретают ее для офиса, устанавливают в кабинете или на рабочем столе. Маятник спасает в ситуациях, когда в разгар трудового дня никак не получается сконцентрироваться на главном из-за больших умственных нагрузок. За движением шаров можно наблюдать бесконечно. Отзывы довольных обладателей доказали, что энергия от движения маятника преобразовывается в интенсивный поток мыслей, интересных идей и в замечательное настроение на целый день.  

Удовольствие аксессуар приносит также из-за того, что вы смотрите и знаете, что это инсталляция закона сохранения импульса и сохранения энергии, поэтому наблюдение плавного движения шаров имеет особый смысл. Маятник станет отличной деталью интерьера кабинета в стиле хай-тек, это оригинально и стильно. Маятник Ньютона - прекрасный подарок для человека, который увлекается разними диковинками, головоломками и конструкторами. 

. 

3.Экспериментальная часть.

3.1. Изготовление маятника

Проанализировав литературу, я выделил требования при конструировании, изготовлении и применении самодельного прибора:

·         четко представлять его назначение  и применение;

·         заранее рассчитать его отдельные элементы, сделать необходимые схемы, чертежи;

·         хорошо представлять принцип действия прибора;

·         уяснить, на использовании каких законов основана его работа;

·         от каких факторов зависит эффективность его демонстрации.

Для изготовления маятника Ньютона мне понадобилось: ( приложение 2)

1.      металлические шарики от подшипника (5 штук)

2.      нить хлопчатобумажная (5 штук по 40 см)

3.      клей «Момент»

4.      линейка деревянная

5.      картон

Ход работы:

1.      Выбрать подставку для маятника (приложение 3)

2.      Рассчитать диаметр одного шарика.

Для того, чтобы шарики касались друг друга, необходимо вычислить их диаметр. Для расчета можно воспользоваться способом рядов: ( приложение 4)

Количество шариков	Длина ряда, см	Диаметр шарика,см
5	6	1.2

3.      На линейке сделать метки, соответствующие размеру одного шарика (приложение 5)

4.      Прикрепить нить к шарикам с помощью клея ( приложение 6)

5.      Закрепить нить в линейке и отрегулировать длину так, чтобы шарики касались друг друга. (приложение 7)

6.      Провести эксперимент.

3.2.Анализ результатов эксперимента

В ходе конструированиямодели маятника и демонстрации эксперимента возник ряд трудностей:

1.      Прикрепление нити с помощью клея необходимо производить так, чтобы точка опоры на шарике была одна, иначе при прикреплении нити к линейке трудно выровнять все длины.

2.      Опора для нитей должна быть жесткой, даже маленькие шарики приводят к ее провисанию.

3.      Колебания резко затухают, так как сложно выставить шарики в одну линию.

Несмотря на трудности, маятник Ньютона продемонстрировал передачу импульса и энергии от одного крайнего шарика к другому.

Заключение.

Наблюдать за опытами, которые проводит учитель интересно, но проводить его самому интересно вдвойне, тем более, если сконструировал и сделал прибор своими руками.

В ходе данной работы я познакомился с новыми физическими понятиями и величинами, такими как энергия, импульс и др. Убедился, что способы, изученные на уроках физики, например способ измерения размеров малых тел ( способ рядов), может понадобиться для вычисления не только физических задач.

Маятник Ньютона, сконструированный мной, имеет некоторые технические недостатки и не смог длительное время совершать колебания, но выводы, сделанные в ходе эксперимента, могут позволить их исправить или минимизировать.

Данный маятник можно демонстрировать на уроках физики при изучении таких физических разделов, как «Механические колебания», «Законы сохранения в механике».

Приложение 1

Самая большая модель «колыбели Ньютона».

Маятник Ньютона в Музее занимательных наук Эйнштейна в Ярославле

Приложение

Краткое описание документа:

Физика - наука экспериментальная! Очень важно, чтобы каждый ученик увидел, что некоторые физические закономерности и явления можно проверить с помощью прибора, который можно смастерить своими руками. Маятник Ньютона- довольно распространенная модель, которую можно приобрести в магазине, а вот выполнить своими руками оказывается непросто. В ходе работы ученик пытается разрешить трудности и объяснить наблюдаемое явление. Проект может быть представлен на школьной научно- практической конференции р рамках реализации ФГОС в среднем звене.