Упругий и неупругий удары

Заголовок карточки
Упругий и неупругий удары
Аннотация : Демонстрация упругого и неупругого соударений при помощи прибора Мариотта
Физика
  • Механика
  • Динамика
  • Законы сохранения импульса и энергии
Образовательный уровень
  • базовый курс
Оборудование
Для проведения опыта используется самодельный прибор. Описание прибора приведено в тексте ниже.
Описание опыта :

Бильярдный шар отскакивает от препятствия, потому что он упругий. Пластилиновый шар при ударе об пол прекращает движение и изменяет форму – появляется вмятина: пластилин неупругий

В нашем опыте бильярдные шары при лобовом столкновении отскакивают друг от друга, а пластилиновые останавливаются. Бильярдные шары одинаковы по массе, поэтому при центральном ударе просто обмениваются скоростями.

Пластилиновые шары различаются по массе: один больше другого в два раза, и чтобы они остановились при столкновении, скорости приходится подбирать так, чтобы импульсы обоих шаров боказались равными по величине (шар с большей массой должен иметь меньшую скорость). Что происходит с кинетической энергией пластилиновых шаров? Она превращается в тепловую: шары нагреваются.
Постановка опыта :

Прибор из соударяющихся шаров, подвешенных на нитях, изобрел французский физик (бенедиктинский монах и настоятель монастыря) Эдм Мариóтт (1620–1684). Мы использовали самодельный прибор, дополненный шкалой высот, необходимой для расчета скоростей шаров до и после соударения. На этом приборе можно демонстрировать не только явления передачи импульса, но и упругий и неупругий удары, третий закон динамики (см. Исаак Ньютон "Математические начала натуральной философии", 1687г.).
Подвешивание шара на двух нитях (бифилярное крепление) обеспечивает центральный удар и движение шаров строго в одной плоскости, такой способ крепления описан в литературе по демонстрационному эксперименту (Гирке Р., Шпрокхоф Г. Эксперимент по курсу элементарной физики, ч.1 — М., 1959. Хорошавин С.А. Демонстрационный эксперимент по физике в школах с углубленным изучением предмета. Механика. Молекулярная физика. Книга для учителя. — М., 1994).
Шары вставляются в фигурный каркас из толстой проволоки, подвешенный бифилярно на двух прочных лавсановых нитях, расходящихся на расстояние 50 см (рис. 1, Крепление шара). Сверху нити крепятся на алюминиевых уголках длиной 55 см. Способ крепления следующий: в ребре уголка просверлено 2 отверстия диаметром около 1 мм, сквозь них продеваются концы нити, которые закрепляются обыкновенными стопорами для шнуров, используемыми при пошиве курток (рис. 2, Крепление нити в уголке). Такой способ крепления позволяет без труда регулировать длину нитей подвески. Два таких уголка вставляются сверху в специально вырезанные пазы горизонтальной прямоугольной рамки, скрепляющей передний и задний треугольники каркаса прибора. Сзади наклонно (чтобы шкала прибора находилась все время движения вблизи шаров) установлен фанерный щит с разметкой высот (рис. 3, Общий вид прибора).
Основное назначение прибора – качественно и количественно продемонстрировать закономерности упругого и неупругого соударения шаров с целью введения понятия импульса (количества движения) тела не путем математической дефиниции, а феноменологически, то есть с опорой на физический смысл понятия. При проведении опытов с этим прибором необходимо знание учащимися соотношения высоты и скорости падения. Дети должны уметь рассчитывать скорость падения по начальной высоте и понимать, что увеличение высоты вчетверо или вдевятеро даст, соответственно, увеличение скорости всего вдвое и втрое.
Эксперимент: подвешиваем два одинаковых бильярдных шара и, отведя их на одинаковую высоту, одновременно отпускаем. Шары соударяются в нижней точке и разлетаются почти на исходную высоту. Такое движение продолжается довольно долго, пока шары не остановятся.
Подвешиваем два пластилиновых шара, поднимаем (одинаковые шары до одинаковой высоты, различные – на такую высоту, чтобы отношение скоростей и масс было обратным) и одновременно отпускаем их. Из-за изохронности колебаний шаров они одновременно достигают нижней точки, независимо от начальной высоты подъема. После удара шары сразу же останавливаются (если скорость была подобрана верно, и мы одновременно их отпустили).

 

Техника безопасности : Прибор совершенно безопасен.
NE2857C1B340E4C5A8D8627D86595D56F