Маятник состоит из груза, подвешенного на стержне или веревке, который качается вперед и назад. Маятники широко используются в устройствах для хронометража, таких как метрономы, маятниковые часы, сейсмометры и качающиеся курильницы, и их можно использовать для иллюстрации сложных физических задач.
Шаг
Метод 1 из 3: понимание основного маятника
Шаг 1. Знайте, что маятник - это груз, свободно висящий на конце веревки
Прежде чем начать пользоваться маятником, необходимо узнать, что такое маятник и как он работает. К счастью, маятник - это не что иное, как висящий груз, который может качаться вперед и назад. Веревка привязана в фиксированной точке, так что перемещаются только груз и веревка.
- Удерживая конец кулона или игрушки йо-йо между пальцами, перемещайте «гирю» внизу. Вы сделали свой первый маятник!
- Типичный пример маятника - это большой качающийся груз на маятниковых часах.
Шаг 2. Чтобы использовать маятник, оттяните гирю и затем отпустите
Убедитесь, что веревка натянута, и снимайте груз, не толкая его. Вес будет раскачиваться вперед и назад, возвращаясь почти на ту же высоту, что и при падении.
- Маятник будет качаться вечно, если его ничто не замедлит или не изменит направление.
- Фактически, внешние силы, такие как трение и сопротивление воздуха, замедляют маятник.
Шаг 3. Сделайте простой маятник со шнурком, батареей и рулеткой, чтобы лучше понять его
Если вы учитесь на практических занятиях или хотите научить детей работе маятника, вы можете быстро построить маятник и поэкспериментировать с ним:
- Привяжите один конец веревки к центру деревянной рулетки или шеста.
- Другой конец привяжите к батарее или другой небольшой нагрузке.
- Уравновесьте отмеренную древесину на спинках двух одинаковых стульев так, чтобы батарея свободно висела между ними и могла качаться, не задев ничего.
- Поднимите аккумулятор, удерживая веревку натянутой, и отпустите ее, чтобы она качалась вперед и назад.
Шаг 4. Определите научный словарь маятника
Как и в большинстве случаев научной деятельности, понимание и использование маятника возможно только в том случае, если вы знаете слова, которые его описывают.
- Амплитуда: Наивысшая точка, которой достигает маятник.
- Боб: Другое название нагрузки на кончике маятника.
- Равновесие: середина маятника; где находится груз, если он не движется.
- Частота: Количество раз, когда маятник качнется вперед и назад за заданный промежуток времени.
- Период: Время, необходимое движущемуся маятнику, чтобы вернуться в то же место.
Метод 2 из 3: Использование маятника для обучения основам физики
Шаг 1. Обратите внимание, что эксперименты с маятником - отличный способ научить научному методу
Научный метод был основой научных исследований со времен Древней Греции, а маятник - это простой в изготовлении объект, который быстро дает результаты. При проведении любого из следующих экспериментов найдите время, чтобы сформулировать гипотезу, обсудить, какую переменную вы проверяете, и сравнить результаты.
- Всегда экспериментируйте до 5-6 раз, чтобы гарантировать стабильность результатов.
- Не забывайте проводить только один эксперимент за раз - иначе вы не узнаете, что меняет качание маятника.
Шаг 2. Измените вес на конце веревки, чтобы научить гравитации
Один из самых простых способов узнать о влиянии силы тяжести - использовать маятник, и вы можете быть удивлены результатами. Чтобы увидеть эффект гравитации:
- Потяните маятник на 10 см и отпустите.
- Используйте секундомер, чтобы отсчитать период маятника. Повторить 5-10 раз.
- Добавьте к маятнику более тяжелый боб и повторите эксперимент.
- Период и частота будут точно такими же! Это потому, что сила тяжести одинаково влияет на все нагрузки. Например, монета и кирпич упадут с одинаковой скоростью.
Шаг 3. Измените место падения нагрузки, чтобы изучить амплитуду
По мере того как вы натягиваете струну выше, вы увеличиваете амплитуду или высоту маятника. Однако меняет ли это то, как быстро маятник возвращается в вашу руку? Повторите описанный выше эксперимент, но на этот раз отодвиньте маятник на 20 сантиметров и не меняйте нагрузку.
- Если вы все сделали правильно, период маятника не изменится.
- Изменение амплитуды не меняет частоту, что пригодится в тригонометрии, науке о звуке и многих других областях.
Шаг 4. Измените длину веревки
Повторите эксперимент, описанный выше, но вместо изменения того, сколько веса вы добавляете или как высоко вы его опускаете, используйте более короткую или более длинную веревку.
На этот раз вы обязательно заметите изменения. Фактически, изменение длины струны - единственное, что изменит период и частоту маятника
Шаг 5. Узнайте больше о физике маятника, чтобы узнать об инерции, передаче энергии и ускорении
Для более старших школьников или начинающих физиков маятники - отличный способ изучить взаимосвязь между ускорением, трением и тригонометрией. Поищите «уравнения маятника» или проведите собственные эксперименты, чтобы найти их. Некоторые вопросы для рассмотрения:
- Как быстро боб движется в самой низкой точке? Как определить скорость боба в каждой точке?
- Сколько кинетической энергии имеет боб в любой точке маятника? В качестве вспомогательного средства используйте уравнение: кинетическая энергия = 0,5 x масса Боба x скорость. Скорость.2
- Как можно предсказать период маятника по длине струны?
Метод 3 из 3: использование маятника для измерения
Шаг 1. Отрегулируйте длину веревки, чтобы измерить время
Если тянуть веревку дальше назад и изменить нагрузку, период не может измениться, удлинение или укорачивание веревки может изменить период. Вот как сделать старые часы - если вы идеально измените длину маятника, вы можете установить период или полный ход, что займет две секунды. Подсчитайте количество периодов, и вы узнаете, сколько времени прошло.
- Маятниковые часы прикреплены к шестерне таким образом, чтобы каждый раз, когда маятник качался, секундная стрелка на часах двигалась.
- В маятниковых часах гиря, которая движется в одном направлении, производит «тиканье» и отклоняется назад, вызывая «стук».
Шаг 2. Используйте маятник для измерения ближайших вибраций, включая землетрясения
Сейсмограф, прибор, измеряющий интенсивность и направление землетрясений, представляет собой сложный маятник, который движется только при движении земной коры. Хотя калибровка маятника только для измерения тектоники плит чрезвычайно сложна, вы можете превратить почти любой маятник в простой сейсмограф, используя только ручку и бумагу.
- Приклейте ручку или карандаш к гирю на конце маятника.
- Подложите лист бумаги под маятник так, чтобы ручка касалась бумаги и делала отметки.
- Осторожно покачайте маятник, но не трясите веревку. Чем сильнее вы встряхнете маятник, тем больше будут отметины на листе бумаги. Это связано с более сильным «землетрясением».
- Первоначальный сейсмограф имел вращающийся лист бумаги, чтобы вы могли видеть силу землетрясения с течением времени.
- Маятник использовался для измерения землетрясений с 132 года нашей эры в Китае.
Шаг 3. Используйте специальный маятник под названием Маятник Фуко, чтобы доказать, что Земля вращается
Хотя сегодня люди знают, что Земля вращается вокруг своей оси, маятник Фуко является самым ранним свидетельством этой концепции. Чтобы воспроизвести это, вам понадобится большой маятник с минимальной длиной 4,9 метра и весом более 11,3 кг, чтобы свести к минимуму внешние переменные, такие как ветер или трение.
- Переместите маятник так, чтобы он мог долго раскачиваться.
- Со временем вы заметите, что маятник качается в другом направлении, чем вы начали качаться.
- Это происходит потому, что маятник движется по прямой линии, а земля внизу вращается.
- В северном полушарии маятник будет двигаться по часовой стрелке, а в южном полушарии маятник будет двигаться против часовой стрелки.
- Хотя это сложно, вы можете использовать маятник Фуко для вычисления широты с помощью тригонометрических уравнений.
подсказки
- Для точного проведения этого эксперимента вам могут потребоваться два человека: один использует маятник, а другой отслеживает время.
- Если вы хотите сделать маятник более точным, используйте другую веревку, чтобы удерживать гирю на нужной высоте. Обожгите конец веревки, чтобы «сбросить» вес. Это предотвратит случайное толкание груза вперед или в сторону, когда вы его отпустите.
- Некоторые люди считают, что маятник также обладает особыми способностями к предсказанию.
