5.10. Newton II. törvényének sztatikus erőfogalomra alapozott bevezetése
a) Sztatikus erőfogalom kísérleti megalapozása 
A kísérlet célja
Az erőfogalom sztatikus bevezetése és ennek segítségével Newton II. törvényének kísérleti igazolása.
Szükséges anyagok, eszközök
- tükörskála, Bunsen-állványba befogva
- rugó (viszonylag laza)
- alkoholos filctoll
- egyforma tömegű nehezékek (50 g-os súlysorozat)
Leírás
A Bunsen-állvány diójára akasszuk a rugót és a mögé rögzített papíron jelöljük be a rugó aljának helyét. Akasszunk ezután egyforma tömegű nehezékeket egymás után a rugóra, majd minden ráakasztás után jelöljük meg a papíron a rugó aljának helyét. Azt tapasztaljuk, hogy a szakaszok, vagyis a rugó egyes megnyúlásai egyforma hosszúságúak. Az erő alakváltoztató hatásának demonstrálása mellett ezzel a módszerrel erőmérő eszközt készítettünk, vagyis megadtuk az erő mérésének módját. Ez egyenértékű a definíció megadásával, helyettesíti azt.
Az egység lerögzítése után a rugós erőmérő segítségével tehát meg tudjuk adni egy testre ható (gyorsító)erő nagyságát.
b) Newton II. törvénye
A kísérlet célja
Az erőfogalom sztatikus bevezetése és ennek segítségével Newton II. törvényének kísérleti igazolása
Szükséges anyagok, eszközök
- sín leejtőnek, egyik végén kampóval
- laborlift (vagy könyvek a sín egyik végének megemeléséhez)
- kiskocsi (súlyokkal)
- rugós erőmérő (1 N méréshatárú)
- erőmérő alá kis fa ék
- stopper (vagy saját telefon)
- mérőszalag
Leírás
A laborliftet csavarjuk maximális magasságra, majd támasszuk fel a sín kampós oldalát a liftre, hogy lejtőt alkosson. A rugós erőmérő fix oldalát akasszuk be a feltámasztott oldalon lévő kampóba. Helyezzünk a sínre könnyen gördülő kiskocsit a súlyokkal és csatlakoztassuk a rugós erőmérőhöz. Majd tegyük a fa éket az erőmérő alá a képen látható módon úgy, hogy az erőmérő a sínnel párhuzamos legyen. Olvassuk le az erő értékét! A súrlódás miatt az erő leolvasása bizonytalan; a kocsi lökdösésével más-más egyensúlyi helyzet beállítása lehetséges. A kocsi mozgatásával nézzük meg, hogy melyik az a pont, amikor már csak a rugós erőmérő tartja a kocsit!
Ezután határozzuk meg a kiskocsi gyorsulását! Ehhez az adott lejtőn, ismert hosszúságú szakaszon engedjük legurulni a kiskocsit és mérjük meg az ehhez szükséges időt! (Figyeljünk oda, hogy a kiskocsi a sínben fusson!) A négyzetes úttörvény segítségével kiszámítható a gyorsulás.
Vigyázat!
Nagyon fontos a kép bal oldalán látható „kifutó megépítése”, amely biztosítja, hogy a kocsit ne kelljen megfogni, de ne is sérüljön túlzottan a kísérlet során.
Feladatok
- Végezzük el a fent leírt mérést 4 különböző hajlásszög esetén! (A laborlift legmagasabb és legalacsonyabb állása között még két kb. egyenlő lépésben.)
- Ábrázoljuk a kiskocsi gyorsulását a gyorsító erő függvényében!
- Határozzuk meg a grafikonról a kiskocsi tömegét, majd vessük össze a mérleggel való mérés eredményével!
- Vegyük számba a mérést befolyásoló hibákat!
Módszertani kiegészítések
- Az erő közvetlen mérésére alapozott kísérlet klasszikus példája a szélső ábrán látható. A kísérlet során a mozgócsigára különböző testeket akasztva, mérjük a kiskocsi gyorsulását és a fonálra kapcsolt erőmérővel a kocsira ható erőt. Vegyük észre, hogy a kiskocsit a fonalerő gyorsítja, s a dinamométer éppen ezt az erőt méri. Az erő nagyságára tehát nem a csigára akasztott testek tömegéből következtetünk.
A mért értékpárokat erő – gyorsulás grafikonon ábrázolva megállapíthatjuk, hogy a mérési pontok olyan egyenesre illeszkednek, amely jó közelítéssel az origón megy át, azaz \(F \sim a\). Mivel az erőmérő csak nehezen olvasható le, hiszen a mozgás egyenletesen gyorsuló szakasza rövid, és technikailag ennek a kísérletnek az összeállítása nehézkes, ezért javasoljuk a 5.10/b pontban leírt összeállítást. - A mérési problémákat gyakran az alsó ábrán látható egyszerűsített mérési összeállítással szokták kiküszöbölni, de elvi hibája miatt nem javasoljuk.
Tweet