В.Ф.Шилов, ИОСО РАО,
школа № 151,г. Москва

Опыты с демонстрационными динамометрами

7-й и 9-й классы. Базовый курс

Технологическая изношенность учебного оборудования и невозможность обновления заставляют учителя физики придумывать все новые способы его использования. В качестве примера покажем, что можно делать с динамометрами. В стандартный комплект поставки (рис. 1) входят два демонстрационных динамометра в круглых металлических корпусах, модель двутавровой балки длиной 80 см с делениями и двумя передвижными крючками, два съемных круглых столика диаметром 70 мм, два съемных блока и две трехгранные опорные призмы.

1. Равновесие сил на неподвижном блоке. На штативе закрепляют блок, через который перекидывают шнур. К одному концу шнура подвешивают гирю массой 1 кг, а другой конец прицепляют к крючку динамометра (рис. 2). Наблюдают, что неподвижный блок не дает выигрыша в силе, т.к. сила тяжести гири и показания динамометра одинаковы.

2. Равновесие сил на подвижном блоке. Закрепляют в муфте штатива динамометр, к лапке штатива и крючку динамометра прицепляют концы шнура, на шнур устанавливают подвижный блок, к его крючку прицепляют гирю массой 1 кг (рис. 3). Наблюдают, что подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза, т.е. при силе тяжести гири 10 Н показания динамометра равны 5 Н.

3. Зависимость давления при постоянной силе от площади поверхности. На стержень динамометра сначала надевают трехгранную призму, а затем – круглый столик (рис. 4). В обоих опытах исследуемым телом является кусок поролона толщиной 30–40 мм. При одинаковой силе (см. показания динамометра) деформация губки, т.е. производимое на нее давление, разная. При силе 10 Н призма полностью погружается в поролон, а столик остается на его поверхности.

4. Условие равновесия рычага. Если в геометрическом центре двутавровой балки просверлить отверстие, вставить и закрепить в нем гнездо, то получают рычаг с оцифровкой (рис. 5). Установив рычаг на штативе, подвешивают к нему грузы. Рычаг с грузами приводят в равновесие путем перемещения подвижных крюч- ков.

5. Передача давления жидкостями и газами. Закрепляют динамометры с надетыми на их стержни столиками так, как показано на рис. 6. Между столиками помещают детский воздушный шарик, соединенный со стеклянным цилиндром от прибора Паскаля. Вначале в шарик накачивают воздух и фиксируют показания динамометров. Они одинаковы. Затем в шарик наливают воду и снова фиксируют показания динамометров. Они также одинаковы. Итак, опыты показывают, что газы и жидкости одинаково передают давление в противоположные стороны.

6. Сложение сил. Закрепляют демонстрационные динамометры (два с круглой шкалой, один трубчатый на 10 Н), как показано на рис. 7. К крючкам динамометров привязывают нити, свободные концы которых прицепляют к колечку. Нити располагают под углом друг к другу, а шкалы динамометров поворачивают так, чтобы стрелки установились на нуле.

К колечку подвешивают наборный груз или гирю массой 1 кг. Записывают показа-

ния динамометров с круглой шкалой. Векторы этих сил изображают на доске с учетом масштаба и по правилу параллелограмма находят их равнодействующую.

Далее трубчатый динамометр зацепляют за колечко и тянут динамометр вертикально вверх до тех пор, пока стрелки динамометров с круглой шкалой не установятся на нуле. Записывают показания трубчатого динамометра, т.е. модуль равнодействующей силы, и сравнивают его показания с модулем равнодействующей силы, тем самым подтверждая правильность математических расчетов.

Обращают внимание учащихся на то, что модель равнодействующей силы меньше суммы модулей сил, но больше их разности, при условии, если угол между слагаемыми силами отличается от 0 и 180°.

Изменяют угол между силами, оставляя уравновешивающую силу неизменной, и наблюдают, что модули составляющих сил изменились. Опыты убеждают в том, что при одной и той же уравновешивающей силе, модули составляющих сил возрастают с увеличением угла между ними.

7. Разложение сил на кронштейне. С помощью муфт, лапок штатива и демонстрационных динамометров собирают кронштейн (рис. 8). На нить, перекинутую через блок динамометра, подвешивают грузы, которые увлекают за собой конец балки (крючок трубчатого динамометра). Балка (трубчатый динамометр) и укосина (динамометр с круглой шкалой) деформируются. Иначе говря, приборы показывают силы упругости: трубчатый – при растяжении пружины, динамометр с круглой шкалой – при сжатии.

При подвешивании на нить следующего груза показания динамометров увеличиваются до тех пор, пока система не придет в равновесие. Записывают показания динамометров, силу тяжести, угол при вершине кронштейна и на доске в выбранном масштабе с помощью чертежных инструментов изображают составляющие силы. Далее по правилу параллелограмма находят равнодействующую и сравнивают ее с показаниями динамометра с круглой шкалой. В результате анализа опытов приходят к выводу: не вращающееся тело находится в равновесии, если сумма проекции приложенных сил на любую ось равна нулю.

С помощью данной экспериментальной установки можно показать разложение сил на кронштейне с прямым, острым и тупым углами и опытным путем прийти к заключению о наиболее удачной конструкции кронштейна.