1. Практическая работа №3. Изучение колебаний математического
маятника, используя фотозатвор (Vernier Photogate), устройство сбора
данных (LabQuest) и программу Logger Pro 3.8.3
Работа выполняется в группах по четыре-пять человек.
Цель работы: развивать экспериментальные умения и навыки; исследовать зависимость
периода колебаний математического маятника от амплитуды, длины нити и от массы
груза, используя фотозатвор (Vernier Photogate), устройство сбора данных (LabQuest) и
программу Logger Pro 3.8.3.
Теоретическая основа работы
Математическим маятником называют тело небольших размеров, подвешенное на тонкой
нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела.
Механическими колебаниями называются поочерёдные периодические движения тела в
двух противоположных направлениях.
Колебательное движение характеризуется амплитудой, периодом и частотой колебаний.
Амплитудой колебаний называется максимальное расстояние, на которое удаляется
колеблющееся тело от своего положения равновесия. Амплитуда колебаний обозначается
буквой А, измеряется в метрах (в СИ), сокращённо м.
Периодом колебаний называется время, за которое тело совершает одно полное
колебание. Период колебаний обозначается буквой Т, измеряется в секундах, (в СИ),
сокращённо с.
При подсчёте числа колебаний на практике следует чётко понимать, что представляет
собой одно (полное) колебание. Если, например, маятник начинает двигаться из крайнего
правого положения, то одним колебанием является такое его движение, когда он, пройдя
положение равновесия, а затем крайнее левое положение, возвращается через положение
равновесия снова в исходную точку (крайнее правое положение).
На рисунке 1 представлена схема эксперимента:
1

2. Рис. 1.
Есть, по крайней мере, три величины, которые вы могли изменить у маятника, от которых
может зависеть период его колебаний.
(Время одного полного колебания):
• амплитуда маятника
• длина маятника (отсчитывается от центра маятника до точки на стержне)
• масса маятника
В этом эксперименте вы будете использовать фотозатвор (Photogate) для измерения
периода полного колебания маятника с точностью измерения до микросекунды.
Приборы и материалы:
1) два штатива с муфтами и стержнями, 2) 3 груза разной массы (грузы массой 50 г, 100 г,
200 г (гирьки)), 3) нити длиной 150 см и 100 см, 5) линейка и (или) измерительная лента,
6) фотозатвор (Vernier Photogate), 7) устройство сбора данных (LabQuest); 6) компьютер и
нужные провода; 5) программа Logger Pro 3.8.3.
Порядок выполнения работы
1. Изготовьте маятник.
Используйте груз массой 100 г, подвесив его на нити с двух сторон. Прикрепите нити к
горизонтальному стержню около 10 см друг от друга, как показано на рисунке 1. Эта мера
позволит маятнику колебаться только вдоль одной линии, и будет препятствовать
соударению маятника о фотозатвор (Photogate). Длиной маятника является расстояние от
точки на стержне до центра маятника.
Длина маятника должна быть не менее 1 м.
2. Прикрепите фотозатвор Photogate на второй штатив (см. рис.1).
Подключите фотозатвор Photogate к устройству сбора данных (LabQuest) DIG 1 на
интерфейсе. Убедитесь что Vernier LabQuest подключен к компьютеру через USB порт и
включен через кнопку Power.
3. Запустите на компьютере программу: Logger Pro 3.8.3.
Откройте файл “14 Pendulum Periods” в папке Physics with Vernier. На дисплее график
зависимости периода от времени (см. рис.2).
2

3. Рис. 2.
4. На время уберите маятник из центра фотозатвора Photogate. Обратите внимание на
статус программы, который показывает когда Photogate в состоянии Blocked. Попробуйте
вставить руку в центр фотозатвора Photogate, а потом убрать её. Проделайте это несколько
раз. Обратите внимание как статус в программе Logger Pro меняется с Blocked на
Unblocked. Убедитесь в этом на графике после запуска программы через Collect. Когда
будете подставлять руку и убирать её, с таким же интервалом данные должны
отображаться и в программе на графике.
5. Теперь вы можете выполнять измерения периода колебаний маятника. Отклоните груз в
сторону около 6 см от вертикали и отпустите. Нажмите кнопку Collect и измерьте период
в течение пяти полных колебаний. Нажмите кнопку Stop. Нажмите кнопку Статистика,
для вычисления среднего значения периода.
Вы будете использовать эту технику для измерения периода при различных условиях.
(25 б. за пункты 1-5)
Часть I. Амплитуда
6. Определите зависитмость периода от амплитуды. Измерьте период для пяти различных
амплитуд. Используйте диапазон амплитуд от 12 см до 4 см с шагом 2 см.
Каждый раз, измеряя амплитуду с использованием линейки так, чтобы груз
отклонялся на известное расстояние. Повторите шаг 5 для каждого значения амплитуды.
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.
Таблица 1
Амплитуда, см Период колебаний, с
4
6
8
10
12
Сделайте вывод. (6 б.)
Часть II. Длина нити
7. Исследуйте зависимость периода колебаний математического маятника от длины нити.
Используйте метод, который вы узнали выше, чтобы исследовать влияние изменения
длины маятника на период. Используйте груз массой 100 г и амплитуду 10 см для каждого
испытания. Изменяйте длину маятника с шагом в 10 см, от 1,0 м до 1,50 м.
Повторите шаг 5 для каждой длины.
Измеряйте длину маятника от стержня до середины груза.
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2.
3

4. Таблица 2
Длина, см Период колебаний, с
100
110
120
130
140
150
Сделайте вывод. (6 б.)
Часть III. Масса груза
8. Используйте три массы, чтобы определить зависимость периода колебаний от
изменения массы. Измерьте период колебаний маятника с использованием грузов разной
массы, стараясь сохранять длину маятника и амплитуду неизменными.
Повторите шаг 5 для каждой массы, используя амплитуду около 8 см.
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 3.
Таблица 3
Масса, г Период колебаний, с
50
100
200
Сделайте вывод. (6 б.)
8. Сделайте вывод о всей проделанной работе. В выводе отметьте, удалось ли
выполнить задания или нет. Если получился какой-то результат, то его нужно
представить (например, если получили график, то необходимо описать его; если
получили таблицу, то нужно проанализировать её и т. д.). Вывод может содержать
ваше впечатление от проделанной работы, оценку её трудности для вас, возникшие
при выполнении работы проблемы. (7 б.)
Оценивание:
45 –50 баллов – оценка "5" (очень хорошо); 37 – 44 балла – оценка "4" (хорошо); 25 – 36
балла – оценка "3" (удовлетворительно); 10 – 24 балла – оценка "2" (недостаточно); 0 – 9
баллов – оценка "1" (слабо).
Желаю успеха!
4