Πείραμα μέτρησης και υπολογισμού δυνάμεων ...

1. 159 - Δυνάμεις
Γουρζής Στάθης - Φυσικός
ΥΣΕΦΕ 2013 -2014 Γενικό Λύκειο Νυδριού

2. Σε αυτό το πείραμα
θα δημιουργήσουμε και θα μετρήσουμε
δυνάμεις σε δύο σώματα,
χρησιμοποιώντας
τον εξοπλισμό του εργαστηρίου.

3. Θα χρησιμοποιήσουμε μαγνήτες και πετονιά,
για να κατασκευάσουμε την διάταξη των σωμάτων …

4. … μια μεταλλική βάση στήριξης με μεταλλικές ράβδους, ένα σύνδεσμο και ένα σφιγκτήρα,
για να στερεώσουμε τον αισθητήρα της δύναμης του Multilog ...

5. … και μια μεταλλική βάση στήριξης με μεταλλικές ράβδους, ένα σύνδεσμο και ένα σφιγκτήρα,
μαζί με ένα μοιρογνωμόνιο και ένα αλφάδι, για να μετρήσουμε γωνίες.

6. Ακόμα θα χρησιμοποιήσουμε την ζυγαριά ακριβείας του εργαστηρίου,
για να μετρήσουμε μάζες ...

7. … το Multilog με τον αισθητήρα της δύναμης ...

8. … και τον Η/Υ του εργαστηρίου.

9. Ξεκινάμε φτιάχνοντας μια διάταξη,
που αποτελείται από έναν μικρό μεταλλικό δακτύλιο ...

10. … και ένα μικρό κομμάτι πετονιάς ...

11. … με το οποίο τον συνδέουμε από την μια άκρη ...

12. … ενώ στην άλλη άκρη σχηματίζουμε ένα μικρό κόμπο ...

13. … για να αναρτήσουμε τον δακτύλιο από την μια βάση στήριξης,
την οποία και συναρμολογούμε.

14. Χρησιμοποιούμε τον σφιγκτήρα για να στερεώσουμε καλά την μεταλλική βάση …

15. … και ανοίγουμε το Multilog.

16. Συνδέουμε τον αισθητήρα της δύναμης
με το ειδικό καλώδιο σύνδεσης ...

17. … και το καλώδιο το συνδέουμε στο Multilog …

18. … στην 1η ελεύθερη θύρα του.

19. Πατάμε « Port »
και βλέπουμε
στην οθόνη « My Sensors »,
που σημαίνει ότι
ο αισθητήρας
έχει εγκατασταθεί σωστά …
… και ύστερα
πατώντας « Range»
επαληθεύουμε το εύρος τιμών,
για τον συγκεκριμένο αισθητήρα.

20. Πατάμε « Rate »,
μέχρι να δούμε στην οθόνη « 10/Sec »,
που σημαίνει ότι ο αισθητήρας
θα παίρνει 10 μετρήσεις
σε κάθε δευτερόλεπτο …
… και πατάμε « Samples »,
μέχρι να δούμε
στην οθόνη « Samples = 50 »,
που σημαίνει ότι ο αισθητήρας
θα πάρει συνολικά 50 μετρήσεις.

21. Προσαρμόζουμε τον αισθητήρα της δύναμης
στην μεταλλική ράβδο …

22. … και στερεώνουμε καλά,
σφίγγοντας την πλαστική βίδα του.

23. Κατόπιν αναρτούμε τον μεταλλικό δακτύλιο με την πετονιά,
από τον μικρό γάντζο που έχει ο αισθητήρας …

24. … και ξεκινάμε το πρόγραμμα DB –Lab ...

25. … που επικοινωνεί με το Multilog και το Computer.

26. Πάμε στο μενού « Καταγραφέας », στην επιλογή « Πίνακας Ελέγχου » …

27. … και επαληθεύουμε τις ρυθμίσεις που έχουμε κάνει χειροκίνητα.

28. Συναρμολογούμε, τώρα, την δεύτερη βάση στήριξης,
με την μεταλλική λαβίδα …

29. … ώστε να στερεώσουμε πάνω σε αυτή, το μοιρογνωμόνιο …

30. … με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι όσο το δυνατόν καλύτερα ευθυγραμμισμένο.

32. … το οποίο το στερεώνουμε με μονωτική ταινία ...

33. … την οποία κόβουμε και στερεώνουμε πάνω στη μεταλλική ράβδο ...

35. Για τον ίδιο λόγο σφηνώνουμε και το νυστέρι, στο μικρό,
αλλά σημαντικό κενό,
που διαπιστώνουμε, ανάμεσα
στον σύνδεσμο και την όρθια μεταλλική ράβδο.

36. Η ευθυγράμμιση είναι σε καλό επίπεδο …

37. αισθητήρας
της δύναμης
… και έτσι έχουμε σχεδόν ολοκληρώσει
την πειραματική μας διάταξη.
μοιρογνωμόνιο
Multilog
ζυγαριά
μεταλλικός
δακτύλιος

38. Εδώ από άλλη οπτική γωνία ...
αισθητήρας
της δύναμης
μοιρογνωμόνιο
Multilog
ζυγαριά
μεταλλικός
δακτύλιος

39. Ανοίγουμε και την ζυγαριά …

40. … και συναρμολογούμε μια άλλη βάση στήριξης,
για να στερεώσουμε τον μαγνήτη …

41. … που θα χρησιμοποιηθεί για να εφαρμόσουμε δύναμη έλξης, …

42. … πάνω στον μεταλλικό δακτύλιο.

43. Από την στιγμή που θα τραβήξει ο μαγνήτης τον δακτύλιο και θα υπάρχει ισορροπία …

44. … μπορούμε να υπολογίσουμε τις δυνάμεις,
που ασκούνται στα σώματα …

45. … από την γεωμετρία του σχήματος.

47. Μπορούμε ακόμα να μετρήσουμε
την μια από αυτές τις δυνάμεις, την Τ,
αλλά και την γωνία θ που μας χρειάζεται για
να υπολογίσουμε την μάζα του δακτυλίου, με
δεδομένο ότι η επιτάχυνση της βαρύτητας
είναι g = 9.81 m / s2 …

48. Για μεγαλύτερη ακρίβεια, στην μέτρηση της γωνίας,
θα χρησιμοποιήσουμε το laser, ...

49. … και μια άλλη βάση στήριξης …

50. … με μια μεταλλική λαβίδα, όπου και θα το στερεώσουμε καλά.

51. Ευθυγραμμίζουμε το laser με την πετονιά ...

52. … και παίρνουμε μια καλή εκτίμηση, ...

53. … ως προς την μέτρηση της γωνίας.

54. Ταυτόχρονα, δεν ξεχνάμε να ελέγχουμε και την ευθυγράμμιση του μοιρογνωμονίου.

55. Η μέτρηση της γωνίας, που σχηματίζει η πετονιά με την κάθετη στο επίπεδο του πάγκου,
όπου και βρίσκεται τοποθετημένη η πειραματική μας διάταξη,
γίνεται με το μοιρογνωμόνιο και μας δίνει θ = 40ο.
θ

56. Ζυγίζουμε και το μεταλλικό δακτύλιο και τον βρίσκουμε :
m = 5,9 g ή m = 0,0059 Kg.

57. Ξεκινάμε το Multilog ...

58. … και μετράμε την δύναμη που ασκείται από την πετονιά, Τ = 0,09 Ν.

59. Αυτή είναι η δύναμη που « αντιλαμβάνεται » ο αισθητήρας …
θ
Τ

60. … όταν το σύστημα των δύο σωμάτων, παραμένει ακίνητο.
θ
Τ

61. Εδώ να σημειώσουμε ότι, για την τεντωμένη πετονιά, μπορούμε να έχουμε
και άλλες μετρήσιμες τιμές για την δύναμη Τ. ( Από Τ = 0,07 Ν έως Τ= 0,12 Ν περίπου ) .
Το γεγονός ότι ανάμεσα σε αυτό το εύρος τιμών, υπάρχει τιμή για την δύναμη Τ, ( Τ = 0,09 Ν ),
που μας παρέχει πολύ μεγάλη ακρίβεια μετρήσεων και υπολογισμών,
δείχνει και τα περιθώρια βελτίωσης του πειράματος,
όπως είναι η χρήση πιο κατάλληλου νήματος για την ανάρτηση του μεταλλικού δακτυλίου.

62. Έτσι λοιπόν, με δεδομένη την τιμή του συνημιτόνου της γωνίας θ = 40ο , στο συνθ = 0,6669 …

63. … και με δεδομένη την τιμή της επιτάχυνσης της βαρύτητας g = 9,81 m / s2 …
… βρίσκουμε πρώτα αυτό το αποτέλεσμα …

64. … που είναι ο αριθμητής του κλάσματος …
(
)
… και με την διαίρεση,
την μάζα του μεταλλικού δακτυλίου.

65. Η τιμή της μάζας που υπολογίσαμε,
σε σύγκριση με αυτή που ζυγίσαμε,
παρουσιάζει μικρό, σχετικά,
σφάλμα της τάξης του Σ = 3.278 % …
… πράγμα που σημαίνει ότι η ευαισθησία του αισθητήρα της δύναμης,
είναι ιδιαίτερα υψηλή και αξιόπιστη.

66. Τέλος πειράματος ...