Tanulói munkafüzet. FIZIKA 9. évfolyam egyetemi docens

Tanulói munkafüzet

FIZIKA 9. évfolyam

2015.

Összeállította:

Lektorálta:

Scitovszky Szilvia

Dr. Kornis János egyetemi docens

TÁMOP-3.1.3-11/2-2012-0055 „A természettudományos oktatás megújítása és laboratórium kialakítása az ózdi BAZ Megyei József Attila Gimnázium, Szakképző Iskola és Kollégiumban” Ózdi József Attila Gimnázium, Szakközépiskola és Kollégium Cím: 3600 Ózd, Bem út 14. www.ozdijag.hu www.szechenyi2020.hu

Tartalomjegyzék

1.

Az egyenletes mozgás vizsgálata ………………………………………………...

3

2.

Az egyenes vonalú egyenletesen változó mozgás gyorsulása …………………...

6

3.

A sűrűség meghatározása ………………………………………………………...

9

4.

A nehézségi gyorsulás meghatározása Atwood-készülékkel …………………….

12

5.

Rugalmas ütközések ……………………………………………………………...

15

6.

Rugalmatlan ütközések …………………………………………………………..

19

7.

Tapadási és csúszási súrlódási együttható meghatározása ……………………….

23

8.

Rugóerő, rugóállandó …………………………………………………………….

27

9.

Merev testek egyensúlya …………………………………………………………

31

10. A mechanikai energia megmaradásának törvénye, munkatétel ………………….

34

11. Felhajtóerő ……………………………………………………………………….

37

12. Hidrosztatikai nyomás …………………………………………………………...

40


1

Munka- és balesetvédelmi, tűzvédelmi szabályok



A szabályokat a labor első használatakor mindenkinek meg kell ismernie, ezek tudomásulvételét aláírásával kell igazolnia!



A szabályok megszegéséből származó balesetekért az illető személyt terheli a felelősség!



A laborban csak szaktanári engedéllyel lehet tartózkodni és dolgozni!



A laborba táskát, kabátot bevinni tilos!



A laborban enni, inni szigorúan tilos!



Hosszú hajúak hajukat összefogva dolgozhatnak csak a laborban!



A laborban a védőköpeny használata minden esetben kötelező! Ha a feladat indokolja, a további védőfelszerelések (védőszemüveg, gumikesztyű) használata is kötelező!



Az eszközöket, berendezéseket csak rendeltetésszerűen, tanári engedéllyel, és csak az adott mérési paraméterekre beállítva lehet használni!



A kísérlet megkezdése előtt a tanulónak ellenőriznie kell a kiadott feladatlap alapján, hogy a tálcáján minden eszköz, anyag, vegyszer megtalálható. A kiadott eszköz sérülése vagy hiánya esetén jelezni kell a szaktanárnak vagy a laboránsnak!



A kísérlet megkezdése előtt figyelmesen el kell olvasni a kísérlet leírását! A kiadott vegyszereket és eszközöket a leírt módon szabad felhasználni!



Vegyszerekhez kézzel hozzányúlni szigorúan tilos!



Az előkészített eszközökhöz és a munkaasztalon lévő csapokhoz csak a tanár engedélyével szabad hozzányúlni!



A kémcsőbe tett anyagokat óvatosan, a kémcső állandó mozgatása közben kell melegíteni! A kémcső nyílását nem szabad magatok és társaitok felé fordítani!



Vegyszer szagának vizsgálatakor kezetekkel legyezzétek magatok felé a gázt!


2 

Ha bőrünkre sav vagy maró hatású folyadék ömlik, előbb száraz ruhával azonnal töröljük le, majd bő vízzel mossuk le!



Elektromos vezetékhez, kapcsolóhoz vizes kézzel nyúlni tilos!



Az áramkörök feszültségmentes állapotban kerüljenek összeállításra! Csak a tanár ellenőrzése és engedélye után szabad rákötni a feszültségforrásra!



Elektromos berendezéseket csak hibátlan, sérülésmentes állapotban szabad használni!



Elektromos tüzet csak annak oltására alkalmas tűzoltó berendezéssel szabad oltani!



Nyílt láng, elektromos áram, lézer alkalmazása esetén fokozott figyelmet kell fordítani a haj, a kéz és a szem védelmére.



Égő gyufát, gyújtópálcát a szemetesbe dobni tilos!



A gázégőket begyújtani csak a szaktanár engedélyével lehet!



A gázégőt előírásnak megfelelően használjuk!



Aki nem tervezett tüzet észlel, köteles szólni a tanárnak!



Ha bármilyen baleset történik, azonnal jelentsétek tanárotoknak!



A tanóra végén rendet kell rakni a munkaasztalon a szaktanár, illetve a laboráns irányításával!


3

1. Az egyenletes mozgás vizsgálata A mérés elve: Egyenes vonalú egyenletes mozgást végez egy pontszerű test, ha pályája egyenes vonal, és a megtett út egyenesen arányos a közben eltelt idővel. Hányadosuk adja a test sebességének a nagyságát: v = s / t Eszközök: Mikola-cső szögmérővel, állvány, stopper, 1. mérés 

Állítsd a Mikola-csövet 30° -os hajlásszögű helyzetbe, és mérd meg a buborék által megtett különböző utakhoz szükséges időt! Az időmérést minden esetben háromszor végezd el, majd rögzítsd az adatokat a táblázatban!



Végezz számításokat, és töltsd ki a táblázat többi részét is! Add meg a buborék sebességét!

s

30 cm

40 cm

50 cm

t 𝑡á𝑡𝑙 v 𝑣á𝑡𝑙 𝑡á𝑡𝑙 = 

𝑡1+𝑡2+𝑡3 3

𝑣1+𝑣2+𝑣3

𝑣á𝑡𝑙 =

3

Készítsd el az út-idő grafikont a buborék mozgásáról a kapott sebesség alapján!


4

s (cm)

t (s) 

Milyen típusú az út-idő grafikon az egyenletes mozgás esetén? Illeszkedik-e erre a grafikonra a mérés során kapott három (𝑡á𝑡𝑙 ,s) pont? Miért?

2. mérés 

Végezd el a mérést 10° -os és 20° -os helyzetben is a 40 cm-es útra vonatkozóan! Rögzítsd az eredményeket a táblázatban! 10° t 𝑡á𝑡𝑙 v


20°

5 

Hasonlítsd össze a három különböző helyzetre kapott eredményt a 40 cm-es útra vonatkozóan! Mit tapasztalsz?

Feladatok 1. Végezd el az átváltásokat! 72 km/h= 10 m/s=

m/s km/h

5 km/h=

m/h

1200m/min=

m/s

2. Mennyi utat tesz meg a hang 5 másodperc alatt, ha sebessége 340 m/s?

3. Igaz vagy hamis? a) Ha a sebességvektor állandó, a test mozgása egyenletes b) Ha a test mozgása egyenletes, a sebességvektora állandó


6

2. Az egyenes vonalú egyenletesen változó mozgás gyorsulása A mérés elve Ha egy lejtőn kezdősebesség nélkül induló, egyenletesen gyorsuló test mozgásának idejét és a megtett utat mérjük, abból a négyzetes úttörvény alapján meghatározható a gyorsulása. Fejezzük ki a négyzetes úttörvényből a gyorsulást! 𝑎

𝑠 = 𝑡2 2

→

𝑎=

2𝑠 𝑡2

Ezt a képletet fogjuk a gyorsulás meghatározásakor használni.

Eszközök lejtő, kiskocsi vagy golyó, stopper, mérőszalag

1. mérés Állítsd a lejtőt 5° hajlásszögűre, és három különböző út esetén mérd meg az időt! Az időmérést háromszor ismételd! Töltsd ki a táblázatot! út (m) idő (s) idő átlaga gyorsulás (m/𝑠 2 ) gyorsulások átlaga


7

Végezd el a mérést 10° -os lejtővel is! út (m) idő (s) idő átlaga gyorsulás (m/𝑠 2 ) gyorsulások átlaga

Hasonlítsd össze a két mérés eredményét! Mit tapasztalsz?

Adott hajlásszög mellett mi okozhatna kisebb gyorsulást?


8

Feladatok 1. Mit jelent az, ha a gyorsulás negatív?

2. Számítsd ki, hogy a második mérésben szereplő lejtőn mekkora sebességre gyorsulna fel a test, ha a lejtő hossza 2 m lenne!

3. Mekkora a gyorsulása annak az autónak, amelyik 72 km/h sebességről 10 s alatt megáll?

𝑚

4. Mekkora sebességre gyorsul fel 5 s alatt 12 m/s-ról az a test, amelynek gyorsulása 4 𝑠2 ? Mennyi utat tesz meg a gyorsítás alatt?


9

3. A sűrűség meghatározása A mérés elve A testek, anyagok tömegének és térfogatának hányadosát sűrűségnek nevezzük. Ha egy test nem homogén, akkor átlagsűrűséget kapunk.

ρ=

𝑚

és

𝑉

𝐺

m=𝑔

ahol G a test súlya, g a gravitációs gyorsulás. A test sűrűsége tehát meghatározható, ha megmérjük a súlyát és a térfogatát. Eszközök különböző testek,só, rizs, olaj, víz, rugós erőmérő, mérőhenger 1. mérés Mérj ki 1N súlyú mennyiséget a sóból, rizsből, olajból és vízből, majd mérőhengerrel mérd meg a térfogatukat! Töltsd ki a táblázatot! só

rizs

olaj

súly

1N

tömeg

kg

tömeg

g

víz

térfogat (𝑐𝑚3 ) 𝑔

sűrűség (𝑐𝑚3 ) 𝑘𝑔

sűrűség (𝑚3 ) 2. mérés Az előző mérésben használt anyagokból mérj ki 1dl mennyiséget, majd mérd meg a súlyukat! Töltsd ki a táblázatot!


10

só

rizs

olaj

víz

1dl=100𝑐𝑚3

térfogat súly (N) tömeg (kg) tömeg (g) 𝑔

sűrűség (𝑐𝑚3 ) Minden anyag esetében számold ki a két mérés során kapott sűrűségek átlagát, és ez alapján rendezd sorba az anyagokat növekvő sűrűségek szerint! só:

rizs:

olaj:

víz:

3. mérés Mérd meg az adott test súlyát, majd mérőhengerben lévő vízbe lógatva a térfogatát! Számítsd ki a sűrűségét!

Az anyagok sűrűségét tartalmazó táblázatok segítségével állapítsd meg, hogy milyen anyagból készülhetett a test!


11 Feladatok 1. Mekkora a tömege 8𝑑𝑚3 ólomnak?

2. Mekkora a térfogata 45g jégnek?


12

4. A nehézségi gyorsulás meghatározása Atwood-készülékkel A mérés elve Az Atwood-készülék lényegében egy állócsigán átvetett fonál végein függő két különböző tömegű test, melyek függőleges egyenes mentén mozognak egyenletesen változó mozgással. Nyújthatatlan fonalat feltételezve a két test gyorsulása abszolút értékben megegyező nagyságú és állandó. Ha az állócsiga tömegétől eltekintünk, akkor a fonálban támadó erők egyenlők, és a nehézségi gyorsulás értéke az egyenletek átrendezésével meghatározható. Eszközök Atwood-készülék, különböző tömegű testek, stopper

Mérés 

Az Atwood-készüléket helyezd az asztalra és állítsd be oly módon, hogy a kisebb tömegű test legyen az asztalon, a nagyobb tömegű test bizonyos lemért magasságban (pl. 100 cm-re)!


13 

Engedd el az alsó testet, amelyik addig gyorsul, míg a másik le nem ér az asztalra!



Mérd meg mennyi idő alatt ér a nagyobb tömegű test az asztalra!



A négyzetes úttörvény alapján határozd meg a testek gyorsulását!

s (m) 𝑡(𝑠) 𝑡á𝑡𝑙 2𝑠

𝑚

𝑎 = 𝑡 2 (𝑠2 )



A következő ábrába rajzold be a testre ható erőket, írd fel a mozgásegyenleteket, és számítsd ki g értékét az előző mérésből kapott gyorsulás felhasználásával!


14



𝑚

Hasonlítsd össze a kapott eredményt a 𝑔 = 9,81 𝑠2 értékével! Mi okozhat eltérő eredményt?

Feladatok 1. Egy kötélre függesztett 2 kg tömegű testet 30 N erővel húzunk fölfelé. Mekkora gyorsulással mozog? Készíts ábrát!

2. Egy asztalon 8 kg tömegű test fekszik. Az asztal sarkán lévő csigán átvetett kötéllel hozzáerősítünk egy 2 kg tömegű másik testet, ami lóg az asztal mellett. Az asztalon nincs súrlódás. Mekkora gyorsulással mozognak a testek? Készíts ábrát, amelyen berajzolod a testekre ható erőket!


15

5. Rugalmas ütközések

A mérés elve Ha két test ütközésekor elhanyagolhatók a külső hatások, és csak az egymásra kifejtett hatást kell figyelembe vennünk, akkor a két test zárt rendszert alkot. Zárt rendszerben érvényesül a lendületmegmaradás törvénye, vagyis a rendszert alkotó testek lendületének vektori összege állandó. Ha a két test ütközése rugalmas, akkor az összes mozgási energiájuk is állandó. A lendület a tömeg és a sebesség szorzata, jele I,mértékegysége kgm/s. I= mv. A lendület vek1

tormennyiség, iránya megegyezik a sebesség irányával. A mozgási energia: 𝐸 = 2 𝑚𝑣 2 Eszközök − 1 db légpárnás pálya − 2 db kiskocsi rugalmas és tépőzáras ütközőkkel − különféle tömegű nehezékek − 2 db fotokapu − digitális időmérő − rugós erőmérő

1. Mérés A sínre helyezett két kiskocsival rugalmas ütközéseket vizsgálunk különböző tömegarányok beállításával, melyet a kiskocsikra tett nehezékekkel érünk el. Rugalmas ütközésekhez rugós ütközőt használunk. Az időmérő szerkezettel és a fotokapuk megfelelő elhelyezésével a kiskocsik sebességeit mérhetjük az ütközés előtt és után. 

Először rugós erőmérővel megmérjük a kiskocsik és a nehezékek tömegét, ezekre az adatokra számításaink során szükség lesz.


16 Tömegadatok grammban: kiskocsi



1. nehezék

2. nehezék

3. nehezék

4.nehezék

Vízszintes pályán két azonos tömegű kiskocsit helyezünk el, közülük az egyikre rugalmas ütközőt teszünk. Kézzel meglökve elindítjuk a kocsikat egymással szemben (közelítőleg) azonos sebességgel. A kocsik összeütköznek. Mérjük meg a sebességüket!

Mért értékek: első kocsi ütközés előtt

második kocsi ütközés előtt

rendszer lendülete ütközés előtt

első kocsi ütközés után

második kocsi ütközés után

rendszer lendülete ütközés után

sebesség (cm/s) lendület (gcm/s)

Tapasztalat:



Ismételjük meg a mérést két azonos tömegű kocsival úgy, hogy az egyik kocsi kezdősebessége nulla, azaz álló kocsi ütközik mozgóval!

Mért értékek:


17 első kocsi ütközés előtt sebesség ( cm/s )

második kocsi ütközés előtt 0

lendület ( gcm/s )





0

Tapasztalat:

2. mérés 

A tanári kísérlethez hasonlóan járunk el, de most a tömegek különbözőek. Válasszunk olyan nehezéket, mellyel az ütköző kocsik tömegaránya hozzávetőleg 1:2! 1. kocsi tömege: …………………… 2. kocsi tömege: ……………………….. Mért értékek: első kocsi ütközés előtt


sebesség (cm/s ) lendület (gcm/s )

Tapasztalat:






18 

Ismételjük meg a mérést most olyan nehezékkel, hogy az ütköző kocsik tömegaránya hozzávetőleg 1:3 legyen! 1. kocsi tömege: ………………………..2. kocsi tömege: ……………………….. első kocsi ütközés előtt






sebesség ( cm/s ) lendület ( gcm/s )

Tapasztalat:

Feladat Vizsgáld meg, hogy az ütközések során valóban állandó-e a rendszer mozgási energiája!


19

6. Rugalmatlan ütközések A mérés elve Ha két test ütközésekor elhanyagolhatók a külső hatások, és csak az egymásra kifejtett hatást kell figyelembe vennünk, akkor a két test zárt rendszert alkot. Zárt rendszerben érvényesül a lendületmegmaradás törvénye, vagyis a rendszert alkotó testek lendületének vektori összege állandó. Ha a két test ütközése rugalmatlan, a rendszer mozgási energiája csökken. Teljesen rugalmatlan ütközésnél a testek közös sebességgel, együtt haladnak tovább. A lendület a tömeg és a sebesség szorzata, jele I,mértékegysége kgm/s. A

lendület

vektormennyiség,

iránya

megegyezik

a

sebesség

I= mv. irányával.

1

A mozgási energia: 𝐸 = 2 𝑚𝑣 2 Eszközök − 1 db légpárnás pálya − 2 db kiskocsi rugalmas és tépőzáras ütközőkkel − különféle tömegű nehezékek − 2 db fotokapu − digitális időmérő − rugós erőmérő 1. mérés 

Először rugós erőmérővel megmérjük a kiskocsik és a nehezékek tömegét, ezekre az adatokra számításaink során szükség lesz.

Tömegadatok grammban: kiskocsi

1. nehezék

2. nehezék


3. nehezék

4.nehezék

20 

Azonos tömegű kocsikkal végezzük a kísérletet, de a kocsik egyikére tépőzáras ütközőt rögzítünk. Kézzel meglökve elindítjuk a kocsikat egymással szemben (közelítőleg) azonos sebességgel. Mérjük meg a kocsik ütközés előtti és utáni sebességét!








Tapasztalat:



Ismételjük meg a mérést két azonos tömegű kocsival úgy, hogy az egyik kocsi kezdősebessége nulla, azaz álló kocsi ütközik mozgóval!









21

Tapasztalat:

2. mérés 

A két rugalmatlanul ütköző kocsi tömege most legyen különböző! Válasszunk olyan nehezéket, mellyel az ütköző kocsik tömegaránya hozzávetőleg 1:2! 1. kocsi tömege: …………………… 2. kocsi tömege: ……………………….. Mért értékek: első kocsi ütközés előtt







Tapasztalat:



Ismételjük meg a mérést most olyan nehezékkel, hogy az ütköző kocsik tömegaránya hozzávetőleg 1:3 legyen! 1. kocsi tömege: …………………… 2. kocsi tömege: ………………………..


22 Mért értékek: első kocsi ütközés előtt






sebesség ( cm/s ) lendület ( gcm/s ) Tapasztalat:

Feladat Számítással ellenőrizd, hogy a testek rugalmatlan ütközésekor valóban csökkent-e a mozgási energia!


23

7. Tapadási és csúszási súrlódási együttható meghatározása A mérés elve: A tapadási súrlódási erő mindig akkora, mint amekkora az az erő, amelyik a testet mozgásba akarja hozni ,így a test nyugalmi állapotát biztosítja. A tapadási súrlódási erőnek van egy maximuma, ami egyenesen arányos a nyomóerővel, hányadosuk adja a tapadási súrlódási együtthatót: Ftmax/Fny=𝜇° . Ha a test a felületen elmozdul, akkor a csúszási súrlódási erő hat rá, ami fékezi a mozgását. A csúszási súrlódási erő egyenesen arányos a nyomóerővel, hányadosuk adja a csúszási súrlódási együtthatót: Fs/Fny=𝜇. Eszközök rugós erőmérő, fahasáb különböző minőségű felületekkel, nehezékek 1. mérés 

Helyezz egy fahasábot a vízszintes asztalra, majd óvatosan kezdd el húzni vízszintesen az erőmérővel mindaddig, amíg meg nem mozdul! Akkor olvasd le az erőmérő állását, amikor a test éppen megmozdul! Az erőmérő ilyenkor a tapadási súrlódási erő maximumát mutatja, hiszen a rugóerő és a tapadási súrlódási erő az elmozdulás pillanatáig kiegyenlíti egymást. Végezd el a mérést úgy is, hogy egy, illetve két nehezéket teszel a hasábra. Mérd meg a hasáb és a nehezékek súlyát is, hiszen a test súlya megegyezik a rá ható nyomóerővel. Számold ki a tapadási súrlódási együtthatót minden esetben, majd vedd ezek átlagát!


24

hasáb

hasáb 1 nehezékkel


𝐹𝑡𝑎𝑝,𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝑟 𝐹𝑛𝑦 = 𝐺 𝜇° =

𝐹𝑡𝑎𝑝,𝑚𝑎𝑥 𝐹𝑛𝑦

𝜇° értékek átlaga



A fahasábot most úgy húzd az erőmérővel óvatosan az asztalon, hogy egyenes vonalú egyenletes mozgást végezzen! Ekkor az erőmérő éppen a csúszási súrlódási erőt mutatja, hiszen a rugóerő most ellentétes irányú és egyenlő nagyságú a súrlódási erővel Newton II. törvényének értelmében. Számold ki a csúszási súrlódási együtthatót!

hasáb 𝐹𝑠 = 𝐹𝑟 𝐹𝑛𝑦 = 𝐺 𝜇=

𝐹𝑠 𝐹𝑛𝑦

𝜇 értékek átlaga

Tapasztalatok:




25 Hasonlítsd össze a csúszási és a tapadási együttható értékét!

2. mérés Végezd el az előző méréseket úgy, hogy a fahasábot más minőségű felületével teszed az asztalra! 

A tapadási együttható mérésének eredményei hasáb



𝐹𝑡𝑎𝑝,𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝑟 𝐹𝑛𝑦 = 𝐺 𝜇° =

𝐹𝑡𝑎𝑝,𝑚𝑎𝑥 𝐹𝑛𝑦

𝜇° értékek átlaga



A csúszási együttható mérésének eredményei hasáb 𝐹𝑠 = 𝐹𝑟 𝐹𝑛𝑦 = 𝐺 𝜇=

𝐹𝑠 𝐹𝑛𝑦

𝜇 értékek átlaga




26

Tapasztalatok: 1. Ugyanazt tapasztalod-e a csúszási és a tapadási együttható összehasonlításakor, mint az első mérés esetén?

2. Hasonlítsd össze a különböző felületek esetén mért csúszási együtthatókat, illetve a különböző felületek esetén mért tapadási együtthatókat!

Feladat Egy 5 kg tömegű testet vízszintes asztalra helyezünk, ahol 𝜇 = 0,2 é𝑠 𝜇° = 0,25. a) Mekkora erővel tudjuk a testet elmozdítani? b) Mekkora gyorsulással csúszik 15N vízszintes húzóerő hatására?


27

8. Rugóerő, rugóállandó A mérés elve A megnyújtott vagy összenyomott rugó erőt fejt ki a hozzá rögzített testekre. Ezt a rugó által kifejtett erőt rugóerőnek nevezzük. A rugóerő egyenesen arányos a rugó megnyúlásával, hányadosuk a rugóra jellemző rugóállandó, ami a rugó erősségétől függ. 𝐹𝑟 =𝐷 ∆𝑙 Eszközök állvány, két különböző erősségű rugó, mérőszalag, ismert tömegű testek 1. mérés Függeszd fel az állványra az egyik rugót, és mérd meg a hosszát! 𝑙° =

𝑐𝑚

Akassz rá egy testet, és amikor nyugalomba került, mérd meg a rugó hosszát és számítsd ki a megnyúlást! ∆𝑙 = 𝑙 − 𝑙° Egyensúly esetén a rugóerő egyenlő a testre ható gravitációs erővel, vagyis 𝐹𝑟 = 𝑚𝑔. Végezd el a mérést négy különböző tömeg esetén, és töltsd ki a táblázatot!

1. ∆𝑙 (𝑐𝑚 ) 𝐹𝑟 (𝑁 ) 𝑁

𝐷 (𝑐𝑚 ) 𝐷á𝑡𝑙𝑎𝑔


2.

3.

4.

28 2. mérés Végezd el a másik rugóval az előzőhöz hasonlóan a mérést! 1.

2.

3.

4.

∆𝑙 (𝑐𝑚 ) 𝐹𝑟 (𝑁 )

Ábrázold koordináta-rendszerben a rugóerőt a megnyúlás függvényében! 𝐹𝑟 (𝑁 )

∆𝑙 (𝑐𝑚 )


29 Rajzold be a pontokra leginkább illeszkedő, origóból kiinduló félegyenest (egyenes arányosság)! Az egyenes meredeksége megadja a rugóállandót. Határozd meg! 𝐷=

𝑁 𝑐𝑚

Feladatok 1. Vizsgáld meg a két rugót (próbáld megnyújtani, összenyomni), és hasonlítsd össze a kapott rugóállandókat! Mit tapasztalsz?


30

𝑁

2. Mennyivel nyújtja meg az 1000𝑚 rugóállandójú rugót a ráakasztott 2 kg tömegű test?


31

9. Merev testek egyensúlya A mérés elve A forgatónyomaték a forgásállapot-változtató hatások mennyiségi jellemzője. Egy erőnek egy adott pontra vonatkozó forgatónyomatékán értjük az erő nagyságának és az erőkarjának szorzatát. Az erőkar az erő hatásvonalának a vonatkoztatási ponttól mért távolsága. A forgatónyomaték előjeles mennyiség a forgásiránytól függően. M = F k, ahol M a forgatónyomaték, F az erő, és k az erőkar. Rögzített tengely körül forgó merev test akkor van egyensúlyban, ha a testre ható erők tetszőleges pontra vonatkozó forgatónyomatékainak előjeles összege zérus, vagyis ∑ 𝑀𝑖 = 0 𝑁𝑚. Ennek alapján, erő és erőkarok mérésével meghatározható egy ismeretlen tömeg. Eszközök közepén tengelyezett emelő állvánnyal, rugós erőmérő, ismeretlen tömegű test, mérőszalag

1. mérés A kétoldalú emelő egyik oldalára, tetszőleges helyre akaszd fel az ismeretlen tömegű testet, és mérd meg az erőkarját! 𝑘𝑡𝑒𝑠𝑡 =


𝑐𝑚

32 Hozd létre az emelő vízszintes helyzetében az egyensúlyt úgy, hogy a másik oldalán egy függőleges helyzetű rugós erőmérővel megfelelő nagyságú és irányú erőt fejtesz ki!

Olvasd le az erőt az erőmérőről, mérd meg az erőkart, és számítsd ki a forgatónyomatékot! Az erőmérő 5 különböző helyzetében végezd el a mérést, és töltsd ki a táblázatot!

1.

2.

3.

4.

5.

erőkar (cm) erő (N) forgatónyomaték (Ncm) 𝑀á𝑡𝑙𝑎𝑔

Az ismeretlen tömegű test G=mg erőt fejt ki az emelőre, így az egyensúly feltétele alapján 𝑚𝑔 ∙ 𝑘 = 𝑀á𝑡𝑙𝑎𝑔 ↓ 𝑚=

𝑀á𝑡𝑙𝑎𝑔 = 𝑔𝑘

𝑘𝑔

Miért nem kellett figyelembe venni az emelő rúdjára ható gravitációs erő forgatónyomatékát?


33 2. mérés Készíts az emelőből egyoldalú emelőt úgy, hogy a rúd végére teszed a forgástengelyt! Az előző mérésből már ismert tömegű testet függeszd fel az emelőre, az erőmérővel pedig hozd létre a vízszintes egyensúlyi helyzetét! Olvasd le az erő értékét, és mérd meg az erőkarokat! 𝐹𝑟 =

𝑁

𝑘𝑟 =

𝑐𝑚

𝑘𝑡𝑒𝑠𝑡 =

𝑐𝑚

Számítsd ki a forgatónyomatékokat! 𝑀𝑟 = 𝑀𝑡𝑒𝑠𝑡 =

𝑁𝑐𝑚 𝑁𝑐𝑚

Miért nem egyenlő a két forgatónyomaték?

Számold ki az egyensúly feltétele alapján az emelő rúdjának tömegét!


34

10. A mechanikai energia megmaradásának törvénye, munkatétel A mérés elve 1

1

Mechanikai energiák és kiszámításuk: Emozgási=2 𝑚𝑣 2 ; Ehelyzeti= mgh; Erugalmas=2 𝐷𝑥 2 , ahol m a test tömege, v a test sebessége, g a nehézségi gyorsulás , h a test magassága a nullszinthez viszonyítva, D a rugóállandó és x a rugó megnyúlása. A mechanikai energia megmaradásának törvénye: Zárt rendszerben (ahol csak konzervatív erők hatnak, elhanyagolható a súrlódás és a légellenállás) a mechanikai energiák összege állandó. Azaz: Emozgási+ Ehelyzeti+ Erugalmas= állandó Eszközök állvány, rugó, ismert tömegű test, mérőszalag, fahasáb, rugós erőmérő 1. mérés 

Függeszd fel a rugót az állványra, amelynek rúdjára mérőszalag van erősítve, és jelöld meg a rugó alsó végének helyzetét! Akaszd rá a testet, és ha nyugalomba került, mérd meg a megnyúlást! ∆𝑙 =

m

Számítsd ki az egyensúly alapján a rugóállandót! 𝑚𝑔 = 𝐷∆𝑙 ↓ 𝐷= 

𝑚𝑔 = ∆𝑙

𝑁 𝑚

Ezek után emeld fel a rugóra akasztott testet addig, amíg a rugó nyújtatlan állapotba kerül! Ekkor a rugóból és a testből álló rendszernek a rugalmas energiája zérus. A testet hirtelen engedd el! Miközben a test lefelé mozog, a rugó egyre jobban megnyúlik.


35 

Amikor a test megáll, a rugó megnyúlása maximális. Mérd meg ezt a maximális megnyúlást! ∆𝑙𝑚𝑎𝑥 = 𝑥 =

𝑚

Mit tapasztalsz, milyen kapcsolat van az egyensúlyi helyzethez tartozó megnyúlás, és a maximális megnyúlás között?

Legyen a helyzeti energia nullszintje ott, ahol a test megállt. Számítsd ki a rendszer összes mechanikai energiáját a két szélső helyzetben!

Fent:

𝐸 = 𝐸ℎ + 𝐸𝑚 + 𝐸𝑟 = 𝑚𝑔𝑥 + 0 + 0 =

Lent:

𝐸 = 0 + 0 + 2 𝐷𝑥 2 =

𝐽

1

𝐽

Hasonlítsd össze a két helyzetre kapott energia értékét! Mit tapasztalsz?

2. mérés 

Húzd az asztalon egyenletes mozgással a fahasábot vízszintes helyzetű erőmérővel! Az egyensúly miatt∶



𝐹𝑠ú𝑟𝑙 = 𝐹𝑟 =

𝑁

Lökd meg a hasábot, és mérd meg a megállásig megtett útját! 𝑠=



𝑚

A munkatétel alapján számítsd ki a kezdősebességét! 1 𝑚𝑣 2 = 𝐹𝑠ú𝑟𝑙 ∙ 𝑠 2

↓ TÁMOP-3.1.3-11/2-2012-0055 „A természettudományos oktatás megújítása és laboratórium kialakítása az ózdi BAZ Megyei József Attila Gimnázium, Szakképző Iskola és Kollégiumban” Ózdi József Attila Gimnázium, Szakközépiskola és Kollégium Cím: 3600 Ózd, Bem út 14. www.ozdijag.hu www.szechenyi2020.hu

36

2𝐹𝑠ú𝑟𝑙 𝑠 𝑣=√ = 𝑚

𝑚 𝑠

Feladat 1. Számítsd ki, hogy az első mérés során mekkora sebességgel megy át a test az egyensúlyi helyzetén!

2. Mennyi munkavégzéssel lehet egy 2 kg tömegű testet 10 m/s sebességről felgyorsítani 15 m/s-ra?


37

11. Felhajtóerő A mérés elve Arkhimédész törvénye szerint a folyadékba merülő testre felhajtóerő hat, ami egyenlő nagyságú a test által kiszorított folyadék súlyával. Ha a test súlya a levegőn GL , és folyadékban 𝐺𝐹 , akkor a testre ható felhajtóerő: 𝐹𝑓𝑒𝑙 = 𝐺𝐿 − 𝐺𝐹 és 𝐹𝑓𝑒𝑙 = 𝑉𝑡 𝜌𝐹 𝑔 Ebből a test térfogata: 𝑉𝑡 =

𝐺𝐿 −𝐺𝐹 𝜌𝐹 𝑔 𝐺

Mivel a test sűrűsége: 𝜌𝑡 = 𝑉 𝐿𝑔 , ebből a test térfogatára kapott kifejezést behelyettesítve: 𝑡

𝐺 ∙𝜌

𝜌𝑡 = 𝐺 𝐿−𝐺𝐹 𝐿

𝐹

𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑣𝑒

𝜌𝐹 =

𝐺𝐿 −𝐺𝐹 𝐺𝐿

∙ 𝜌𝑡

Eszközök arkhimédészi hengerpár, főzőpohár, víz, erőmérő, ismeretlen sűrűségű test, ismeretlen sűrűségű folyadék 1. mérés

Egy üres és egy abba pontosan beleillő tömör hengerből álló ún. "arkhimédészi hengerpárt" akasszunk rugós erőmérőre, és jelöljük meg az erőmérő állását, majd merítsük vízbe az alul elhelyezkedő tömör hengert! Az erőmérő kisebb erőt jelez.


38 Töltsük fel ezután vízzel a felső üres hengert, ügyelve arra, hogy közben továbbra is csak az alsó tömör henger merüljön a vízbe! Mire a henger csordultig telik, az erőmérő ismét az eredeti értéket mutatja. Következésképpen a tömör hengerre valóban a kiszorított víz súlyával egyenlő felhajtóerő hat. 2. mérés Mérd meg a szilárd test súlyát az erőmérővel! 𝐺𝐿 =

𝑁

Az erőmérőre függesztett testet merítsd vízbe úgy, hogy teljesen ellepje a víz! 𝐺𝑉 =

𝑁

Számítsd ki a test sűrűségét!

𝜌𝑡 =

𝐺𝐿 ∙ 𝜌𝑣í𝑧 = 𝐺𝐿 − 𝐺𝑣í𝑧

𝑘𝑔 𝑚3

𝑘𝑔

A víz sűrűsége: 1000𝑚3 3. mérés Az előbbi módszerrel meghatározott sűrűségű szilárd testet ismeretlen sűrűségű folyadékba merítjük, és megmérjük a test súlyát ebben a folyadékban. 𝐺𝐹 =

𝑁

Számítsd ki a folyadék sűrűségét! 𝜌𝐹 =

𝐺𝐿 − 𝐺𝐹 ∙ 𝜌𝑡 = 𝐺𝐿


𝑘𝑔 𝑚3

39

Feladat 1.

Egyszerű "Cartesius-búvárt" készíthetünk egy rövidre tört szálon hagyott gyufafejből is. Dobjuk a gyufaszálat egy vízzel színültig töltött szűk nyakú üvegbe, majd hüvelykujjunkat az üveg szájára szorítva vagy parafa dugóval gyakoroljunk erőteljes nyomást a vízre! A gyufaszál elmerül, mert a fej porózus anyagában megkötött légbuborékok térfogata a nyomás hatására csökken, így a gyufa átlagsűrűsége nő.

2.

Könnyen készíthetünk Cartesius-búvárt, ha van egy kémcsövünk és egy 1,5-2 literes, puha falú ásványvizes palackunk. Töltsük vízzel színültig a palackot! Öntsünk a kémcsőbe kétharmad részénél kissé feljebb vizet, majd a kémcső száját befogva fordítsuk meg azt, és merítsük a palack vizébe! Csavarjuk rá a kupakot a palackra! A hengeres oldalra kifejtett nyomás segítségével változtathatjuk a "búvár" helyzetét. Alaposan figyeld meg, hogy a palack megnyomásakor mi történik a kémcsővel, és magyarázd meg!

3.

Mitől függ, hogy egy test lesüllyed, lebeg vagy úszik a folyadékban?


40

12. Hidrosztatikai nyomás A mérés elve A folyadék súlyából származó nyomást hidrosztatikai nyomásnak nevezzük. A hidrosztatikai nyomás minden irányban hat, a folyadék nyomja a tárolóedény falát, és a folyadékba helyezett tárgyakat is. A hidrosztatikai nyomás értéke függ a folyadék sűrűségétől (𝜌), és az adott hely fölött lévő folyadékoszlop magasságától (h). Kiszámítása: 𝑝 = ℎ𝜌𝑔. Eszközök üvegkád, víz, üvegcső gumihártyával, erőmérő, manométer, a vízben elmerülő és erőmérőre akasztható téglatest vagy henger alakú test, mérőszalag

1. mérés Vizsgáld meg a hidrosztatikai nyomás tulajdonságait, írd le tapasztalataidat, következtetéseidet! 

Gumihártyával lezárt csőbe önts egyre nagyobb mennyiségű vizet! Tapasztalat



Az egyik végén gumihártyával lezárt üvegcsövet üresen, gumihártyával lefelé nyomjunk egy tál vízbe úgy, hogy a cső nyitott vége a víz felszíne fölött maradjon!


41

Tapasztalat:

Nyomd lefelé a csövet! Mi történik?



A manométer gumihártyás tölcsérét nyomd bele a vízbe úgy, hogy a hártya függőleges helyzetű legyen! Tapasztalat: . Mozgasd vízszintes irányban a tölcsért! Tapasztalat:

2. mérés A felhajtóerő a hidrosztatikai nyomásból származó erők következménye. Ellenőrizzük ezt méréssel! 

Mérd meg a téglatest súlyát levegőben és vízben is, majd számold ki a felhajtóerőt! 𝐺𝐿 =

𝑁

𝐺𝑉 =


𝑁

42 𝐹𝑓𝑒𝑙 = 𝐺𝐿 − 𝐺𝑉 = 

𝑁

Az erőmérőt függeszd fel egy állványra, akaszd rá a téglatestet, és lógasd vízbe! Mérd meg az alsó és felső lapjának a víz felszínétől való távolságát! ℎ𝑎𝑙𝑠ó = ℎ𝑓𝑒𝑙𝑠ő =

𝑚 𝑚 𝑘𝑔

Számítsd ki az adott szinteken a hidrosztatikai nyomást! 𝜌𝑣í𝑧 = 1000 𝑚3 𝑝𝑎𝑙𝑠ó = ℎ𝑎𝑙𝑠ó 𝜌𝑣í𝑧 𝑔 =

𝑃𝑎

𝑝𝑓𝑒𝑙𝑠ő = Számítsd ki a lapok területét! 𝐴𝑎𝑙𝑠ó = 𝐴𝑓𝑒𝑙𝑠ő =

𝑚2

Számítsd ki a hidrosztatikai nyomásból származó nyomóerőket! 𝐹𝑎𝑙𝑠ó = 𝑝𝑎𝑙𝑠ó ∙ 𝐴 =

𝑁

𝐹𝑓𝑒𝑙𝑠ő = Számítsd ki a felhajtóerőt! 𝐹𝑓𝑒𝑙 = 𝐹𝑎𝑙𝑠ó − 𝐹𝑓𝑒𝑙𝑠ő =


𝑁

43 Hasonlítsd össze a mérés során kapott értékkel!

Miért nem kellett számolni az oldallapokra ható nyomóerővel?


Tanulói munkafüzet. FIZIKA 9. évfolyam egyetemi docens

Recommend Documents