Как пользоваться маятником

3 методика:Основы маятникаИспользование маятника для изучения основ физикиИспользование маятника для измерения

Простейший маятник – это шарик, подвешенный на нити или стержне и совершающий механические колебания. Маятники являются частью различных устройств и приборов, например, метрономов, напольных часов, сейсмометров, и могут быть использованы для иллюстрации сложных физических задач.

Шаги

Метод 1 из 3: Основы маятника

1. 1 Перед началом использования маятника необходимо понять, что это такое и как это работает. Маятник – это груз, подвешенный на нити или стержне (которые крепятся к некоторой неподвижной точке) и совершающий механические колебания (колебания совершает как груз, так и нить/стержень).[1]
   • Большим и указательным пальцем возьмите цепочку с кулоном так, чтобы кулон находился в самой нижней точке. У вас в руках простейший маятник!
   • Маятник можно увидеть в старых напольных часах.
2. 2 Для приведения маятника в движение отведите груз назад (или в сторону) и отпустите его. При этом отводите груз так, чтобы нить оставалась натянутой, и, отпуская груз, не толкайте его. Груз будет совершать колебательные движения, возвращаясь в точку, в которой вы отпустили его.
   • В идеальных условиях маятник будет качаться вечно.[2]
   • В действительности идеальных условий не существует, и сила трения и сопротивление воздуха будут замедлять маятник.
3. 3 Сделайте маятник из линейки, нити и батарейки, если вы учите материал на практических занятиях или хотите продемонстрировать работу маятника вашим детям.
   • Привяжите один конец нити к середине линейки.
   • Привяжите другой конец нити к батарейке (или другому грузику).
   • Возьмите два одинаковых стула и положите на их спинки линейку так, чтобы батарейка свободно висела между стульями и могла раскачиваться, не задевая их.
   • Возьмите батарейку, сохраняя нить натянутой, и отпустите ее, чтобы она начала совершать колебания (раскачиваться вперед-назад).
4. 4 Уясните терминологию при работе с маятником. Специальные научные термины описывают поведение маятников.
   • Амплитуда: максимальное значение смещения маятника (от положения равновесия).
   • Материальная точка: другое название груза (применяется в физике), прикрепленного к нити/стержню.
   • Положение равновесие: положение, при котором маятник не совершает колебаний (груз висит неподвижно).
   • Частота: число колебаний маятника в единицу времени.
   • Период: наименьший промежуток времени, за который маятник совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние, в котором он находился в первоначальный момент).

Метод 2 из 3: Использование маятника для изучения основ физики

1. 1 Эксперименты с маятником – это отличный способ преподавания научного метода. Научный метод был основой научных исследований с древнейших времен, а с маятниками легко работать и они демонстрируют мгновенные результаты. При проведении любого из описанных экспериментов сначала сформулируйте гипотезу, подумайте о проверяемой переменной, а затем сравните результаты.
   • Всегда проделывайте эксперимент 5-6 раз, чтобы убедиться, что полученные результаты согласуются друг с другом.
   • Не проводите одновременно несколько экспериментов, чтобы не запутаться.
2. 2 Замените груз маятника, чтобы продемонстрировать влияние силы тяжести.
   • Отведите груз маятника на 10 сантиметров и отпустите его.
   • При помощи секундомера измерьте период колебаний маятника. Проделайте это измерение 5-10 раз.
   • Замените груз маятника более тяжелым грузом и повторите эксперимент.
   • В результате период и частота колебаний маятника будут одними и теми же! Это происходит потому, что сила тяжести действует на тела любой массы одинаково. Например, монета и кирпич падают на землю с одинаковой скоростью.
3. 3 Отведите груз чуть дальше (выше), чтобы продемонстрировать изменение амплитуды колебаний. Отводя груз маятника выше (дальше), вы увеличите амплитуду колебаний, но как это скажется на периоде и частоте колебаний? Повторите описанный выше эксперимент, но отведите груз маятника на 20 сантиметров (груз не меняйте).
   • Если вы все сделали правильно, период и частота колебаний маятника не изменятся.
   • Изменение амплитуды колебаний не приводит к изменению периода и частоты колебаний (этот факт широко применяется в науке и прикладных дисциплинах).
4. 4 Измените длину нити. Повторите описанный выше эксперимент, но вместо смены груза или изменения амплитуды колебаний используйте более короткую или более длинную нить.
   • В этот раз частота и период колебаний изменятся. На самом деле длина нити – это единственная величина, от которой зависят период и частота колебаний маятника.
5. 5 Продемонстрируйте инерцию, передачу энергии и ускорение. Маятник поможет учащимся старших классов или людям, увлекающимся физикой, узнать соотношение между ускорением, силой трения и тригонометрическими функциями.[3] Поищите «уравнения движения маятника» или придумайте ваши собственные эксперименты, чтобы вывести такие уравнения. Вот некоторые вопросы для рассмотрения:
   • Какова скорость движения груза в нижней точки траектории? Как найти скорость груза в любой точке траектории?
   • Какова кинетическая энергия груза в любой точке траектории? Для этого воспользуйтесь формулой: кинетическая энергия = 0,5 х Масса груза х Скорость2
   • Как вычислить период колебаний маятника по известной длине нити?

Метод 3 из 3: Использование маятника для измерения

1. 1 Измените длину нити для измерения времени. Как известно, амплитуда маятника не влияет на период и частоту его колебаний, но на эти величины влияет длина нити маятника. На этом свойстве основано действие часов с маятником – при определенной длине маятника его период колебаний будет равен 2 секундам. Подсчитайте количество периодов, и вы узнаете, сколько времени прошло.[4]
   • Маятник в часах крепится к шестеренкам, поэтому при колебаниях маятника передвигается секундная стрелка часов.
   • В часах с маятником при его движении в одну сторону часы делают «тик», а при движении в обратную сторону – «так».
2. 2 Используйте маятник для измерения вибраций, в том числе сейсмических волн. Сейсмографы – это приборы, используемые для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн (они основаны на сложных маятниках, которые начинают колебания только при колебаниях земной коры). Хотя откалибровать такой маятник чрезвычайно сложно, вы можете превратить практически любой маятник в сейсмограф, используя ручку и бумагу.
   • При помощи скотча прикрепите ручку к грузу маятника.
   • Положите бумагу под маятник так, чтобы ручка касалась бумаги и могла писать на ней.
   • Встряхните маятник (но не нить). Чем сильнее вы встряхнете маятник, тем больше следов оставит ручка на листе бумаги. Это соответствует сильному «землетрясению».
   • В настоящих сейсмографах применяются бумажные ленты, чтобы регистрировать силу землетрясения с течением времени.
   • Маятники уже использовались для регистрации землетрясений в 132 г. н.э. в Китае.[5]
3. 3 Используйте специальный маятник, называемый маятником Фуко, чтобы доказать, что Земля вращается. Хотя люди уже знали о том, что наша планета вращается вокруг своей оси, маятник Фуко продемонстрировал это визуально. Если вы хотите построить маятник Фуко, вам понадобится нить длиной 5 м (как минимум) и груз весом 11 кг (тоже как минимум), чтобы свести на нет внешние воздействия (ветер или трение).[6]
   • Приведите маятник в движение, задав такую амплитуду, благодаря которой он будет колебаться долгое время.
   • С течением времени вы заметите, что плоскость колебаний маятника вращается.
   • Это происходит потому, что груз колеблется в одной плоскости, а земля вращается.
   • В северном полушарии плоскость колебаний маятника будет вращаться по часовой стрелке, а в южном полушарии – против часовой стрелки.
   • Вы можете использовать маятник Фуко, чтобы вычислить широту, используя тригонометрические функции (но это довольно сложно).[7]

Советы

• При проведении экспериментов вам, возможно, потребуется ассистент, чтобы вы работали с маятником, а он измерял время.
• Если вы хотите сделать более точный маятник, отведите груз сторону и привяжите его другой нитью, после чего разрежьте эту нить. Так вы избежите бокового толчка при пуске маятника.
• Некоторые люди используют маятники в магических ритуалах (для предсказаний).