Областная олимпиада по физике. г. Могилев. 10 класс. 2018 г. Экспериментальный тур

           

Областная олимпиада по физике. г. Могилев. 10 класс. 2018 г.

Экспериментальный тур

Задача 10-1 Определение собственного объёма сыпучих тел.

Оборудование: Шприц одноразовый $60$ мл, манометр с верхним пределом измерения 300мм. рт. ст., колба с отводом, пробка резиновая с термометром, штуцер, трубки пластиковые соединительные, термометр для определения температуры воздуха в кабинете, барометр (один на кабинет), зажимы винтовые ($2$ шт), кружка с сухим сыпучим веществом (песок, горох, пшено и пр., насыпной объём $300 – 400$ мл).

В данной задаче Вам предстоит определить начальный внутренний объём экспериментальной установки и объём сыпучего вещества с помощью изучения процесса изотермического сжатия.

Соберите экспериментальную установку: плотно закройте колбу пробкой, вставьте штуцера в отвод колбы, в одну из соединительных трубок вставьте манометр, установите поршень шприца на отметке $60$ мл и вставьте его в другую трубку штуцера. Медленно изменяйте объём воздуха в шприце и наблюдайте за показаниями манометра. Выясните: есть ли утечка воздуха из Вашей установки. Если есть, то устраните её и приступайте к основной части задачи.

1.1 Определите атмосферное давление $p_0$ и температуру воздуха в колбе.

1.2 Пусть в начальный момент поршень шприца находится на отметке $6$0 мл, стрелка манометра на нуле. Получите при изотермическом сжатии зависимость

$\frac{\Delta p}{p}(|\Delta V|)$,

где $\Delta p$?P – показания манометра, $p = p_0 + \Delta p$ – давление воздуха в установке, $|\Delta V|$ – модуль изменения объёма установки. Используйте обозначение: $V_0$ - начальный внутренний объём установки (объём колбы + объём воздуха в шприце ($60$ мл) + объем штуцера и соединительных трубок).

1.3 Исследуйте зависимость $\frac{\Delta p}{p}(|\Delta V|)$ экспериментально. Постройте график полученной зависимости. По окончании эксперимента определите температуру воздуха в колбе. Можно ли процесс сжатия воздуха считать изотермическим? Сравните полученную зависимость с теоретической.

1.4 Используя результаты эксперимента, определите начальный объем установки $V_0$. Оцените абсолютную и относительную погрешность найденного значения.

1.5 Выньте пробку из колбы. Насыпьте в колбу сыпучее вещество из кружки. Исследуйте зависимость $\frac{\Delta p}{p}(|\Delta V|)$ в данном случае.

1.6 Используя результаты экспериментов, определите объём сыпучего вещества $V_{св}$, помещённого в колбу. Оцените абсолютную и относительную погрешность найденного значения.

Задача 10-2 Энергия катящегося тела.

Оборудование: наклонная плоскость, штатив (или кусок пластилина), трубка металлическая, цилиндр металлический, линейка, секундомер с памятью этапов.

Если вы не умеете пользоваться секундомером с памятью этапов – обращайтесь к организаторам олимпиады!

Кинетическая энергия тела, движущегося поступательно определяется по известной формуле

$E_0 = \frac{mv^2}{2}$.

Если тело катится по поверхности без проскальзывания, то в его кинетическую энергию вносит вклад и вращательное движение. Для осесимметричного тела кинетическая энергия может быть представлена в виде

$E = C\frac{mv^2}{2}$. (1)

где $m$ - масса тела, $v$ - скорость движения центра масс, $C$ - безразмерный коэффициент, зависящий от распределения масс внутри тела.

Целью данной работы является экспериментальное определение коэффициентов $C$ для двух тел: трубки и сплошного цилиндра.

Ускорение свободного падения считайте равным $g = 9,8 \frac{м}{c^2}$.

Часть 1. Теоретическая.

1.1 Цилиндрическое тело с известным коэффициентом $C$ скатывается без проскальзывания по наклонной плоскости, составляющей угол $\alpha$ с горизонтом. Пренебрегая сопротивлением воздуха и трением качения, рассчитайте ускорение центра масс тела $a$.

1.2 Получите формулу, позволяющую по известным ускорению $a$ и углу наклона $\alpha$ рассчитать коэффициент $C$ в формуле (1).

Часть 2. Качение трубки и цилиндра.

Закрепите наклонную плоскость под небольшим углом к горизонту (чтобы время скатывания было измеряемым).

2.1 Измерьте угол наклона плоскости к горизонту.

Исследуйте качение трубки по наклонной плоскости.

2.2 Измерьте зависимость координаты трубки от времени $x(t)$ (используйте память секундомера). Постройте график полученной зависимости.

2.3 Покажите, что движение трубки можно считать равноускоренным. Рассчитайте ускорение трубки.

2.4 Рассчитайте значение коэффициента $C$ для трубки. Оцените погрешность найденного значения.

Выполните пункты заданий 2.2 – 2.4 для сплошного цилиндра.

Часть 3. Зависимость ускорения от угла наклона.

В этой части оценка погрешностей не требуется! Измерения проводите только для трубки.

Для расчета ускорения при равноускоренном движении достаточно знать значения координат $x_1, x_2$ в два фиксированных момента времени $t_1, t_2$, соответственно.

3.1 Получите формулу, позволяющую по двум измеренным временам прохождения двух отметок рассчитать ускорение тела.

3.2 Измерьте зависимость ускорения трубки при ее качении по наклонной плоскости от угла наклона плоскости. Укажите, какие величины вы измеряли, по каким формулам рассчитывали ускорение и угол наклона.

3.3 Постройте график зависимости ускорения трубки от угла наклона плоскости.

3.4 Используя полученные в этой части результаты, еще раз рассчитайте значение коэффициента $C$ для трубки.