Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика в лекционных демонстрациях. Механика. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Н. Ю. БЕРЕЗИН, Н. Ю. ПЕТРОВ
ФИЗИКА
В ЛЕКЦИОННЫХ
ДЕМОНСТРАЦИЯХ
МЕХАНИКА
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2021
УДК 531(075.8)
Б 484
Рецензенты:
заведующий лабораторией кафедры общей физики Российского
государственного геологоразведочного университета
им. С. Орджоникидзе, канд. техн. наук В. А. Рафиенко;
доцент кафедры физики СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,
канд. физ.-мат. наук А. М. Альтмарк
Березин Н. Ю.
Б 484 Физика в лекционных демонстрациях. Механика : учебное
пособие / Н. Ю. Березин, Н. Ю. Петров. – Новосибирск: Изд-во
НГТУ, 2021. – 64 с.
ISBN 978-5-7782-4574-7
Учебное пособие содержит описание лекционных демонстраций
с методическими указаниями к их подготовке и осуществлению. Описано демонстрационное оборудование, в том числе современное,
которое содержит большое количество оригинальных решений.
Учебное пособие позволяет преподавателям и студентам ознакомиться с физическими демонстрациями и демонстрационным оборудованием по основным разделам механики.
Книга предназначена для преподавателей
младших курсов технических вузов, в учебной программе которых
предусмотрен курс физики.
физики и студентов
Работа подготовлена на кафедре общей физики
УДК 531(075.8)
ISBN 978-5-7782-4574-7 Березин Н. Ю., Петров Н. Ю., 2021
Новосибирский государственный
технический университет, 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................................. 5
МЕХАНИКА ............................................................................................................ 8
1. Независимость движения по вертикали и по горизонтали
при свободном падении .............................................................................. 8
2. Инерция гири ................................................................................................ 9
3. Выдергивание скатерти ............................................................................. 12
4. Движение центра масс ............................................................................... 13
5. Движение тела по мертвой петле ............................................................. 14
6. Центробежная сила .................................................................................... 16
7. Маятник Фуко ............................................................................................ 16
8. Сила Кориолиса.......................................................................................... 19
9. Сохранение импульса при расталкивании шаров пружиной ................ 22
10. Упругий удар шаров .................................................................................. 24
11. Неупругий удар шаров ............................................................................... 25
12. Реактивная
13. Векторная модель момента силы и момента импульса ......................... 27
14. Маятник Обербека ..................................................................................... 28
15. Скатывание цилиндров с наклонной плоскости ...................................... 31
16. Маятник Максвелла ................................................................................... 32
17. Свободные оси вращения .......................................................................... 33
18. Вращение рамки с грузами ........................................................................ 34
19. Установка для демонстрации закона сохранения энергии .................... 35
20. Движение центра тяжести двойного конуса ............................................ 36
21. «Послушная» и «непослушная» катушка ................................................. 40
22. Волчок Томсона (китайский волчок) ........................................................ 41
23. Гироскоп ..................................................................................................... 42
24. Гироскопический
25. Гироскопический эффект. Велосипедное колесо .................................... 45
26. Гироскоп на шарнирном подвесе .............................................................. 46
тележка .................................................................................... 26
эффект. Волчок ............................................................ 43
3
27. Гироскоп, подвешенный на нитях ............................................................ 47
28. Волновой маятник ...................................................................................... 48
29. Бумажные кольца ....................................................................................... 50
30. Демонстрация закона сохранения момента импульса с помощью
«скамьи Жуковского» ............................................................................... 51
31. Колыбель Ньютона ..................................................................................... 52
32. Фонтан Герона ............................................................................................ 53
33. Демонстрация векторного характера скорости ....................................... 54
34. Свободное падение тел в вакууме ............................................................ 55
35. Зависимость центробежной силы от массы тела и радиуса
вращения .................................................................................................... 56
36. Давление в потоке воды, протекающей по
сечения ....................................................................................................... 57
37. Шарик в струе газа ..................................................................................... 58
38. Кольцевые вихри в воздухе ....................................................................... 59
39. Вращение ведерка с водой ......................................................................... 59
40. Катящийся обруч ........................................................................................ 60
41. «Кошка» Конопаткина ............................................................................... 60
42. Свободное падение тел .............................................................................. 61
43. Свободные оси вращения .......................................................................... 62
Библиографический список .................................................................................. 63
трубе переменного
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Вряд ли необходимо говорить о роли и значении
лекционных демонстраций при чтении курса общей
физики в вузах. Всем ясно, что лекционный эксперимент не является занимательной иллюстрацией или необязательным дополнением к словесному изложению;
лекционный эксперимент – неотделимая и составная
часть экспериментального курса физики.
Методика и техника лекционных демонстраций по физике.
Сборник трудов 1 межвузовской конференции по лекционным демонстрациям. Из-во МГУ, 1964.
Курс общей физики, читаемый на младших курсах высших технических заведений, является преимущественно экспериментальным.
Лекционные демонстрации представляют собой неотъемлемую органическую составляющую этого курса.
Кроме непосредственно лекционных демонстрационных опытов на
лекциях могут быть использованы плакаты, слайды, видеозаписи, компьютеры, проекторы. Однако во всех случаях, когда рассматриваемое
явление возможно продемонстрировать непосредственно
ном опыте, ему следует отдать предпочтение.
Лекционные демонстрации активизируют познавательную деятельность студентов, вызывают интерес, воздействуя как на умственную деятельность, так и на воображение. Для того чтобы применение
лекционных демонстраций было наиболее эффективным, они должны
удовлетворять следующим требованиям.
1. Принцип работы установки должен быть ясен и прост, чтобы
несколько минут он мог быть четко изложен студентам и воспринят ими.
2. Приборы установки и рассматриваемое явление должны быть
хорошо видны всей аудитории. При демонстрации мелких объектов
в лекцион-
за
5
применяется проекция их увеличенного изображения на экран. Можно
также наблюдать увеличенное изображение мелких объектов с помощью видеокамеры.
3. Приборы на демонстрационном столе должны быть расположе-
ны по возможности равномерно. На первом плане нужно размещать те
приборы, за показаниями которых должна следить аудитория. Вспомогательные приборы должны располагаться на втором плане
либо внут-
ри стола, чтобы не отвлекать студентов от наблюдения главного.
1. Устанавливать приборы на столе следует таким образом, чтобы
демонстратор мог производить необходимые манипуляции, стоя позади стола, а не перед столом, чтобы не заслонять приборы.
2. Прежде чем показать опыт, надо четко объяснить, что и где сту-
денты
должны наблюдать, на что следует обратить особое внимание.
При необходимости нужно сделать поясняющие рисунки и записи на
доске.
3. Опыты предпочтительно показывать в процессе чтения материа-
ла, а не в качестве иллюстрации по окончании какой-либо темы.
Отличительной особенностью современных методик преподавания
курса общей физики является сочетание традиционных, классических
приемов и
методов обучения с новыми технологиями, основанными на
достижениях современной компьютерной техники. Поэтому на лекциях наряду с классическими демонстрационными экспериментами
в настоящее время активно используются современные лекционные
демонстрации – как модельные, так и количественные. При показе демонстраций последнего типа применяется получение и обработка экспериментальных данных в режиме онлайн, т.
е. непосредственно на
лекции. В связи с этим можно говорить о формировании нового класса
лекционных демонстраций – автоматизированных количественных демонстрационных экспериментов. Эта тенденция неизбежно должна
найти свое отражение в литературе, посвященной технике и методике
показа лекционного эксперимента. Новые пособия, посвященные этому вопросу, должны содержать описания не только традиционных
лекционных экспериментов
, но и современных автоматизированных
приборов и установок, разработанных в последние годы. Эти пособия
должны быть как можно более полно иллюстрированы.
В подготовке инженерных кадров любого профиля курс общей фи-
зики является одним из основополагающих. Он формирует у будущих
6
специалистов физический метод мышления. Можно сказать, что курс
общей физики – это физические основы грамотности инженера. Несмотря на то что круг физических явлений, на которых базируется современная техника, неуклонно расширяется, число часов, выделяемых
учебными планами на курс общей физики, сокращается. Названная
причина требует максимальной эффективности методики чтения лекций по
физике при активизации всех элементов процесса познания.
Важное условие этого требования – обеспечение лекции глубоко продуманным и квалифицированно осуществленным лекционным экспериментом. Это обстоятельство на сегодняшний день общепризнано.
Между тем далеко не во всех вузах лекционный эксперимент применяется в должной степени. Это объясняется следующими причинами. Вопервых, большинство вузов
не имеет специализированных физических
аудиторий. Во-вторых, в настоящее время финансовые возможности
многих вузов по оснащению аудиторий современным демонстрационным оборудованием крайне ограничены. В-третьих, объем выпуска
демонстрационного оборудования охватывает лишь небольшой круг
физических явлений.
Лаборатория лекционных демонстраций НГТУ-НЭТИ располагает
достаточным набором установок для лекционных опытов по различным разделам
физики. Значительная часть этих установок была создана силами преподавателей кафедры прикладной и теоретической физики и кафедры общей физики. В условиях современного образования
над созданием установок работают студенты различных факультетов
и курсов НГТУ-НЭТИ, а также учащиеся образовательных учреждений
г. Новосибирска и Новосибирской области в рамках проектной деятельности,
осуществляемой на кафедре общей физики НГТУ.
Учебное пособие разработано на кафедре общей физики Новосибирского государственного технического университета (НГТУ-НЭТИ),
содержит описание лекционных демонстраций с методическими указаниями по их осуществлению и изготовлению установок. Демонстрационное оборудование начало формироваться более 50 лет тому назад,
оно постоянно дополняется и обновляется современными изделиями
и
содержит большое количество оригинальных решений.
7
МЕХАНИКА
1. Независимость движения по вертикали
и по горизонтали при свободном падении
Основанием прибора служит деревянный брусок 1. Металлический уголок 2 расположен горизонтально и может поворачиваться
относительно вертикальной оси 3. На концах уголка имеются небольшие лунки, в которых находятся стальные шарики 4. В исходном, застопоренном положении пружина 5 находится в растянутом
состоянии. При снятии со стопора уголок резко поворачивается на
некоторый угол (до упора в ограничитель 6). При этом один из шариков выкатывается из лунки и падает вертикально вниз, а второй получает некоторый импульс в горизонтальном направлении и одновременно падает вниз.
8
Шарики ударяются о пол одновременно. Это можно определить на
слух.
2. Инерция гири
Инерция – это свойство материальных тел, находящее отражение
в первом и втором законах механики. Когда внешние силы, действующие на тело, уравновешены, инерция проявляется в том, что тело сохраняет неизменным состояние движения (или покоя) по отношению
к инерциальным системам отсчета. Если же на тело действует неуравновешенная система сил, то свойство
изменение состояния движения происходит не мгновенно, а постепенно. При этом движение изменяется тем медленнее, чем больше инерция тела. Мерой инерции тела является его масса.
Для демонстрации инерции гири используется штатив 1, прикрепленный струбциной 2 к столу. К горизонтальному стержню 3, укрепленному
5 кг. В нижней части гири закреплен крючок 6. К этому крючку привязан второй шнур такого же сечения. Прочность шнура на разрыв
должна быть такой, чтобы он выдержал силу тяжести гири, но обрывался при небольшом увеличении нагрузки.
на штативе, с помощью шнура 4 подвешена гиря 5 массой
инерции сказывается в том, что
9
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]