Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика в лекционных демонстрациях. Механика. Учебное пособие
.pdf
30. Демонстрация закона сохранения момента импульса
с помощью «скамьи Жуковского»
«Скамья Жуковского» представляет собой горизонтальную платформу на опорном подшипнике. На платформе закреплена табуретка
так, что человек, сидящий на этой табуретке, с ногами, поставленными
на платформу, может свободно вращаться около вертикальной оси.
Сила тяжести не создает момента относительно этой оси, поэтому момент импульса при вращении человека на «скамье Жуковского»
храняется.
Демонстрация позволяет наглядно показать, что происходит при
изменении момента инерции вращающегося человека или при изменении момента импульса отдельных частей вращающейся системы. Для
демонстрации можно пригласить физически сильного студента из лекционного потока. Посадив его на табуретку «скамьи», ему дают в руки
две достаточно тяжелые гантели. Студент разводит руки
в стороны, после чего лектор раскручивает «скамью» так, чтобы она
делала примерно один оборот в секунду. По команде лектора студент
сводит руки с гантелями на груди, при этом угловая скорость его вращения заметно возрастает. Если студент снова разведет руки, то его
вращение замедлится.
Полезно попросить сидящего на «
в руках повернуться вокруг вертикальной оси на 180°. Сразу это не
получится. Нужно догадаться сделать это последовательными поворотами на некоторый угол, двигая вытянутыми руками в противоположном направлении и после этого сводя руки на груди, когда возвращаешь их в начальное положение.
Еще более эффектной является демонстрация
лесом, имеющим две ручки, держась за которые человек, сидящий на
«скамье», может изменять направление оси вращения колеса.
Итак, что же происходит во время демонстрации? Человек сидит на
«скамье Жуковского» и держит на вытянутых руках велосипедное колесо так, что ось его вращения горизонтальна. Помощник руками достаточно сильно раскручивает колесо. После этого демонстратор старается повернуть ось колеса в вертикальное положение. При этом он
начинает поворачиваться на «скамье Жуковского» в какую-то сторону.
При попытке поворота оси колеса на 180° демонстратор начинает поворачиваться в другую сторону.
скамье Жуковского» с гантелями
с велосипедным ко-
с гантелями
со-
51
Элементарное объяснение наблюдаемого эффекта заключается
в следующем. В исходном состоянии (ось раскрученного колеса горизонтальна) момент импульса системы «человек – колесо» направлен
горизонтально. Вертикальная составляющая момента импульса равна
нулю. При всех дальнейших поворотах оси колеса она должна сохраняться, т. е. оставаться равной нулю. Поэтому когда ось колеса становится вертикальной, а значит, появляется вертикальная составляющая
момента импульса колеса, для компенсации этой составляющей человек на скамье должен начать вращение в соответствующем направлении. Если момент импульса колеса меняет свое направление на противоположное, то человек тоже должен вращаться в противоположном
направлении.
31. Колыбель Ньютона
В этом опыте демонстрируется упругий удар шариков, подвешенных на нитях (несколько костяных шариков). При упругом ударе
они обмениваются скоростями: налетающий шарик останавливается,
52
а покоившийся отлетает. Это приводит к интересному эффекту – шарики как бы «умеют считать»: если одновременно отклонены один,
два, три и более шариков из нескольких, подвешенных в ряд, то отскакивает ровно столько же шариков с другой стороны ряда, а налетевшие
шарики останавливаются. Такой эффект следует из законов сохранения импульса
ваться потери энергии, и постепенно в совместное движение приходят
все подвешенные шарики. Демонстрация требует аккуратной предварительной настройки: костяные шарики в покое должны висеть вдоль
одной горизонтальной линии, слегка касаясь друг друга.
и энергии. При дальнейших отскоках начинают сказы-
32. Фонтан Герона
Столб воды из чаши поступает в нижний сосуд и создает избыточное давление в нем. Сжатый воздух из нижнего сосуда передает полученное давление в верхний сосуд, тем самым оказывая давление на
воду. Далее вода поднимается в чашу и вырывается фонтаном вверх.
Это не просто наглядное представление некоторых физических законов, это при желании декоративное и полезное украшение интерьера. Фонтан хорош как в доме, так и на улице, потому что работает без
электричества.
53
Как пользоваться установкой
1.
В нижнюю колбу заливаем воду до отметки на поверхности
колбы.
В верхнюю колбу заливаем воду до отметки на поверхности
2.
колбы.
В чашу заливаем воду объемом 500 мл.
3.
4. Ждем, пока столб воды из чаши поступит в нижний сосуд и со-
здаст избыточное давление в нем.
5. Сжатый воздух из нижнего сосуда передает полученное давле-
ние в верхний сосуд, тем самым оказывая давление на воду.
6. Далее наблюдаем, как вода поднимается в чашу и вырывается
фонтаном вверх.
33. Демонстрация векторного характера скорости
Чтобы показать, как направлена линейная скорость при вращательном движении, приводят в быстрое вращение наждачный круг ручного
или электрического точила и прижимают к нему какой-либо стержень
из закаленной стали, например напильник. Тонкий пучок искр, вырывающийся из-под стержня, направлен по касательной к окружности.
54
Направление движения сгорающих в воздухе частиц стали есть
направление их мгновенной скорости.
34. Свободное падение тел в вакууме
У трубки Ньютона открывают кран и, держа ее в вертикальном положении, обращают внимание на птичье перышко, кусочки пробки и
свинца, лежащие на дне прибора. При быстром перевертывании трубки
55
краном вниз (это надо сделать да-три раза) слышен удар свинцового
груза, затем видно, как падает пробка и медленно опускается перышко.
Далее соединяют вакуумным шлангом вакуумный насос с трубкой
Ньютона и откачивают из нее воздух. Когда манометр покажет
5…6 мм ртутного столба, кран трубки Ньютона закрывают. Сняв резиновую трубку, снова
кусочки пробки и свинца, не испытывая сопротивления воздуха, падают в трубке с одинаковым ускорением.
переворачивают трубку два-три раза. Перышко,
35. Зависимость центробежной силы
от массы тела и радиуса вращения
1. Два цилиндра разной массы M и m, нанизанных на горизонтальный стержень, вращаются на одинаковом расстоянии r от оси. Оба тела
скреплены нитью. Цилиндры движутся в сторону груза с большей
массой.
56
2. Цилиндры находятся в равновесии, если Mr1 = mr2, где r1, r2 –
расстояния от центров масс цилиндров M и m до оси вращения.
36. Давление в потоке воды, протекающей
по трубе переменного сечения
Опыт иллюстрирует вторую основную задачу гидродинамики.
Прибор представляет собой пластинку из органического стекла, внутри
которой просверлен горизонтальный канал, имеющий в середине
сужение. К каналу на равных расстояниях друг от друга подходят три
манометрические вертикальные трубки диаметром 3 мм, причем одна
из них соединена с его узкой частью. Горизонтальный канал с обеих
сторон
укреплен на металлическом стержне и может устанавливаться в рейтере проекционного аппарата. Прибор помещают перед конденсором
проекционного аппарата и объективом с оборотной призмой и получают на экране прямое изображение. К ниппелю для подачи воды присоединяют резиновую трубочку от сосуда с
ют в штативе. К другому ниппелю присоединяют сливную трубку со
стеклянным наконечником (или с зажимом). Медленно открывают
винтовой зажим на трубке от сосуда с водой и на экране наблюдают,
как при некотором установившемся потоке уровни жидкости в мано-
оканчивается ниппелями для подачи и стока воды. Прибор
водой, который закрепля-
57
метрических трубках займут определенное положение. В узкой части
канала, где скорость течения наибольшая, давление меньше. Некоторое уменьшение давления в третьей трубке, расположенной у выходного ниппеля, по сравнению с первой объясняется влиянием внутреннего трения (вязкости) жидкости.
37. Шарик в струе газа
Если поместить пластмассовый шарик в струю воздуха из трубы
пылесоса, то шарик будет устойчиво держаться как в вертикальной,
так и в наклонной струе. Можно использовать мячик для пинг-понга,
но лучше пластмассовый ярко окрашенный шар диаметром 5…10 см.
Во время опыта целесообразно менять наклон струи, при этом шарик
эффектно следует за струей
, оставаясь приблизительно на одной высоте.
58
38. Кольцевые вихри в воздухе
Для демонстрации используется аппарат Тейта. При ударе в центр
резиновой стенки из отверстия вылетают кольцевые вихри. Чтобы сделать их видимыми, перед опытом аппарат заполняют дымом через
специальное отверстие диаметром 10 мм, используя дымомашину.
Кольцевые вихри даже на большом расстоянии от ящика могут отклонять лист бумаги, гасить свечу и сбивать тетрадь
со стола.
39. Вращение ведерка с водой
Для этой демонстрации используется легкое пластмассовое ведерко, к ручке которого привязывается прочная веревка. В ведерко примерно до половины его высоты наливается вода. После этого демон-
59
стратор берет в руку конец веревки, приподнимает ведерко над полом
и начинает раскачивать его, постепенно увеличивая амплитуду колебаний. Когда амплитуда колебаний станет достаточно большой, нужно
быстрым движением ускорить движение ведерка и начать вращать его
в вертикальной плоскости. При этом в верхней точке траектории ведерко оказывается перевернутым, однако вода не
него, что объясняется наличием у нее большого центростремительного
ускорения, превосходящего ускорение свободного падения.
будет выливаться из
40. Катящийся обруч
Металлический обруч или диск заставляют катиться по горизонтальной поверхности аудиторного стола. Затем по верхней части
обруча перпендикулярно его плоскости наносят удар деревянным молотком, как бы желая опрокинуть обруч набок. В результате этого
направление движения обруча изменяется: он поворачивается вокруг
вертикальной оси и начинает катиться под углом к первоначальному
направлению
обруча поворачивается. Опыт может служить иллюстрацией принципа
езды на велосипеде.
, так как при ударе вектор момента количества движения
41. «Кошка» Конопаткина
Демонстрируется модель, иллюстрирующая способ, используемый
кошкой для того, чтобы во время падения из любого положения развернуться и приземлиться на лапы. Внутри «кошки» имеется пружинный механизм, который может вращать ее хвост относительно туловища. Поскольку во время падения момент импульса «кошки»
сохраняется, вращение части ее тела – хвоста в одну сторону
оси туловища приводит к повороту туловища вокруг этой оси в другую
сторону, и «кошка», падая вначале спиной вниз, все же приземляется
на лапы.
Следует отметить, что живая кошка при падении действует не
столько хвостом, сколько всем корпусом, по очереди то вытягивая голову и передние лапы вдоль туловища и
и хвост, то наоборот, поворачивая при этом одну часть тела относительно другой.
расставляя задние лапы
вокруг
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]