власова Наталья Николаевна

Экспериментальное задание «Удивительный мир физики» (7–11 классы)

Материал опубликован 20 June 2016 в группе

Исследовательская работа обучающихся

469

2504

Областной телекоммуникационный образовательный проект «Удивительный мир физики» 2015/2016 учебного года

Экспериментальное задание

Тема: Зависимость частоты колебаний пластиковой бутылки, наполненной водой, от объема воды в ней.

Цель работы: экспериментально определить зависимость частоты колебаний пластиковой бутылки от объема воды в ней.

Приборы и материалы: Пластиковая бутылка, ёмкость для воды (банка, 2 ведра), вода, весы, шприц на 10 мл, мерные стаканы с водой.

Обоснование: тело, выведенное из положения равновесия, будет совершать колебания около положения равновесия, если равнодействующая сил направлена к положению равновесия.

Теоретический вывод выглядит так:

Бутылка с водой плавает на поверхности, когда равнодействующая силы тяжести и Архимеда равна нулю. Покажем силы от одной точки. Направим ось вверх, отметим за нуль положение точки приложения сил. Незначительно сместим бутылку вверх, отпустим. Бутылка совершает малые колебания.

Анализ формулы

1. Если плотность воды (1000 кг/см3), ускорение свободного падения (9,8 м/с2), площадь сечения постоянны, то частота колебаний зависит только от массы: частота обратно пропорциональна корню квадратному из массы (объёма).

2. Если плотность сечения будет различна, то и от неё будет прослеживаться зависимость.

Условия проведения эксперимента

Выбрали бутылку ёмкостью 0,5л, форма которой достаточно близка к цилиндрической.

В качестве «водоёма» использовали пластиковый кувшин объемом 2,5 л и средним диаметром 16 см. Он оказался неудобным, так как бутылка, совершив несколько колебаний, наклонялась и стукалась о края. Было неясно, что является причиной прекращения колебаний: сила сопротивления воды или действия краев ёмкости.

Заменили «водоём» на пластиковое ведро объёмом 5 л диаметром 25 см. Количество наблюдаемых колебаний увеличилось, но бутылка по-прежнему при наклонах стукалась о края и прекращала совершать колебания. При достаточно большой массе налитой в бутылку воды она плавала почти вертикально, но при выведении из положения равновесия при колебаниях стукалась о дно.

Заменили «водоём» на глубокое пластиковое ведро емкостью 8 л и диаметром 36 см. Добились того, что максимально наполненная водой бутылка плавала так, что крышечка была вровень с поверхностью воды в ведре.

Следовало бы использовать большое ведро изначально, но мы решили оставить все результаты экспериментов, что бы выяснить: как влияют условия проведения эксперимента на результат и как возрастает степень погрешности из-за неудачно подобранного оборудования.

План эксперимента

1. Подготовили материал и оборудование для проведения опыта.

2. Определили массу пустой бутылки. При помещении в воду она плавала на боку.

3. Налили 50 мл воды. Центр масс понизился, бутылка совершила несколько колебательных движений, задевая за края.

4. Добавляли в бутылку воду шприцем, помещали бутылку в воду. Приводили бутылку в колебание

5. Измеряли количество колебаний и время колебаний.

6. Вычислили частоту.

7. Построили график зависимости частоты от массы.

8. Сравнили полученные результаты.

9. Сделали вывод.

Таблица данных по эксперименту

№				N	t с	v 1/c	v 1/c	Комментарий
1	25,47	130	155,47	3	1,42	2,1126	2,11	Задевает за края
2		145	170,47	4	1,30	3,0769	3,07
3		165	190,47	5	2,01	2,4875	2,48
4		175	200,47	4	1,87	2,1390	2,13
5		180	205,47	5	2,84	1,7605	1,76
6		198	223,47	4	2,66	1,5037	1,50
7		210	235,47	3	1,89	1,5873	1,58
8		225	250,47	3	1,87	1,6042	1,60
9		275	300,47	4	2,21	1,8099	1,80	Почти вертикальные колебания +фото
10		305	330,47	6	2,22	2,7027	2,70
11		340	365,47	5	3,67	1,3623	1,36	+ видео
12		370	395,47	7	4,25	1,6470	1,64
13		410	435,47	3	1,65	1,8(18)	1,81	Стукается об дно
14		420	445,47	9	6,70	1,3432	1,34
15		430	455,47	7	6,59	1,0622	1,06
16		450	475,47	10	10,37	0,9643	0,96	Более вертикальные колебания
17		470	495,47	-	-	-	-	Задевает дно
18		460	485,47	4	4,25	0,9411	0,94
19		460	485,47	8	8,67	0,9227	0,92
20		465	490,47	9	8,34	1,0791	1,07
21		480	505,47	12	17,14	0,6960	0,69	Новая емкость, колебания останавливаются вертикально
22		490	515,47	8	12,57	0,6364	0,63	Горлышко перемещается из стороны в сторону, но бутылка останавливается вертикально
23		500	525,47	7	12,75	0,5490	0,54	Крышка приподнимается над поверхностью воды

Анализ графика (Вывод)

Первая часть графика (до массы 305 г):

Бутылка совершала частые резкие колебания, останавливалась, задевая за края емкости, из-за того что центр масс сильно поднят над уровнем воды в емкости.

Вторая часть графика (до массы 410 г):

Бутылка стала совершать более вертикальные колебания, но останавливалась, наклоняясь в сторону краев емкости.

17 строчка таблицы:

Бутылка утонула, так как изначально мы использовали емкость маленьким объемом, и по мере наполнения бутылки она стала упираться в дно емкости, что не давало ей совершать колебательные движения

Третья часть графика:

Бутылка совершает равномерные колебательные движения, заканчивая их, останавливается вертикально.

21 строчка таблицы:

Мы использовали новую емкость большего размера, и колебательные движения составили лучший результат, бутылка остановилась вертикально.

22 строчка таблицы:

Горлышко бутылки перемещается из стороны в сторону, но, тем не менее, останавливается вертикально.

23 строчка таблицы:

Бутылка замерла, находясь в воде, не опираясь на дно, крышка приподнималась над поверхностью воды в емкости.

В результате практической работы получили, что с увеличением массы воды в бутылке, период увеличивается, а частота уменьшается. Должна была получиться гладкая кривая, а на практике получили сложный график с тенденцией, делающий его похожим на теоретическую кривую. Погрешность эксперимента достаточна велика, т.к. бутылка не совсем цилиндрическая.

Фотоотчёт об эксперименте