Тема 3. Тема 3

матеріал 11

Лабораторна робота № 4: Вивчення закону збереження механічної енергії (на прикладі пружинного маятника)

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 36. Лабораторна робота № 4: Вивчення закону збереження механічної енергії (на прикладі пружинного маятника)

Очікувані результати навчання

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
добирає самостійно або у співпраці з іншими методи відповідно до мети і гіпотези дослідження [12 ПРО 1.3.1]
створює і аналізує самостійно або у співпраці з іншими моделі об’єктів і явищ, які необхідно дослідити [12 ПРО 1.4.1]
опрацьовує та аналізує самостійно або у співпраці з іншими результати дослідження [12 ПРО 1.5.1]
виявляє ціннісне ставлення до набутих дослідницьких навичок для пізнання природи [12 ПРО 1.6.3]
добирає самостійно або у співпраці з іншими форми подання інформації і її перетворення [12 ПРО 2.2.1]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]
пропонує варіанти організації роботи групи: розподілення обов’язків, налагодження комунікації для розв’язання навчальної/життєвої проблеми [12 ПРО 4.4.1]

Мета уроку: навчитися експериментально перевіряти закон збереження механічної енергії шляхом обчислення енергії при русі тіла.

Очікувані результати для вчителя:

учень розуміє суть закону збереження механічної енергії;
розрізняє типи механічної енергії;
аналізує зміни енергії протягом коливання;
порівнює енергії в різних точках руху;
формулює висновки на основі дослідження.

Очікувані результати для учнівства:

учень розуміє поняття механічної, кінетичної та потенціальної енергії;
вимірює видовження пружини, визначає константу жорсткості k;
обчислює потенціальну енергію пружини та тіла;
робить висновки щодо збереження енергії;
аналізує можливі втрати енергії.

Ключові слова:

потенціальна енергія,
кінетична енергія
пружна деформація
гравітація
закон збереження

Обладнання:

пружина
вантаж відомої маси m
лінійка або мірна стрічка
штатив

Забезпечте наявність всього необхідного обладнання

План уроку:

Теоретична частина
Хід роботи
Обробка результатів
Висновок
Контрольні запитання

Чітко визначте тему, мету, очікувані результати для учнів, а також план уроку. Це допоможе структурувати урок та зосередити увагу на головному.

1. Теоретична частина

Дружня порада вчителю

Тривалість до 5 хв.

Зв’яжіть теоретичні знання з практичним застосуванням у лабораторній роботі

Формула для обчислення кінетичної енергії тіла, що рухається:

(1) $\begin{equation*} E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} \end{equation*}$

де Eₖ – кінетична енергія тіла, Дж, m – маса тіла, кг, v – швидкість тіла, м/с.

Формула для обчислення потенціальної енергії тіла в полі тяжіння Землі:

(2) $\begin{equation*} E_p = m \cdot g \cdot h \end{equation*}$

де E_р – потенціальна енергія тіла, Дж, m – маса тіла, кг, g – прискорення вільного падіння, м/с², h – висота тіла над певною точкою відліку, м.

Формула для обчислення потенціальної енергії пружно деформованого тіла:

(3) $\begin{equation*} E_p = \frac{k \cdot x^2}{2} \end{equation*}$

де E_р – потенціальна енергія тіла, Дж, k – жорсткість пружини, Н/м, x – видовження або стиснення пружини, м.

Закон збереження повної механічної енергії:

(4) $\begin{equation*} E_{\text{mex}} = E + E_p = \text{const} \end{equation*}$

2. Хід роботи

Дружня порада вчителю

Тривалість до 25 хв.

Перед початком роботи переконайтеся, що всі учні розуміють кожен крок.

Продемонструйте правильні техніки вимірювання.

Акцентуйте увагу на важливості правильного округлення результатів.

Забезпечте індивідуальну допомогу учням, які цього потребують.

Навчіть учнів акуратно та охайно оформлювати результати вимірювань.

Підготовка до експерименту

Визначити масу вантажу m у кілограмах (кг). Наприклад зважити важок на електронних терезах.

Закріпити пружину вертикально в штативі, щоб вона могла вільно розтягуватись під дією сили тяжіння.
Виміряти початкову довжину пружини l₀ у метрах (м) без навантаження. Це «власна довжина» пружини.

Підвісити вантаж до пружини. Виміряйте нову довжину l (стан рівноваги тіла).

Розрахунок коефіцієнта жорсткості пружини

Знайти видовження пружини:
(5) $\begin{equation*} x = l - l_0 \end{equation*}$

Розрахувати коефіцієнт жорсткості пружини:
(6) $\begin{equation*} k = \frac{m \cdot g}{x} \end{equation*}$

де g = 9,8 м/с² прискорення вільного падіння.

Розрахунок потенціальної енергії пружини

Змістити тіло вниз на довільне додаткове видовження і відпустити – тіло почне коливатися.

Виміряти максимальне видовження пружини x_maxвід положення рівноваги (l) вниз до найнижчої точки при коливанні:

Найнижча точка (тіло максимально розтягнуло пружину):
(7) $\begin{equation*} E_{p\text{max}} = \frac{k \cdot x_{\text{max}}^2}{2} \end{equation*}$

Розрахунок потенціальної енергії тіла в полі тяжіння Землі (відносно рівня підлоги)

Найвища точка (тіло максимально підняте над землею):
(8) $\begin{equation*} E_p = m \cdot g \cdot h \end{equation*}$

h – це різниця між двома висотами вантажу над землею:

(9) $\begin{equation*} h - H_{\text{верх}} - H_l \end{equation*}$

H_верх– висота вантажу у верхній крайній точці коливання (максимальний підйом),

H_l– висота вантажу у положенні рівноваги (коли він нерухомо висить на пружині).

3. Обробка результатів

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

Порівняти значення E_р тіла та E_pmax пружної деформації

4. Висновок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 6 хв.

Навчіть учнів робити змістовні та обґрунтовані висновки.

Чому можна використовувати як потенціальну енергію пружини E_pmax, так і енергію підйому E_р, і що це доводить?

Чи повністю підтвердилась дія закону збереження механічної енергії у твоєму експерименті? Якщо ні – чому?

Які втрати енергії можуть бути у даній системі?

5. Контрольні запитання

Дружня порада вчителю

Тривалість до 6 хв.

Запитання спрямовані на перевірку розуміння учнями ключових понять та їх застосування

Що таке механічна енергія?
Які види енергії входять до складу механічної?
У яких випадках закон збереження механічної енергії не виконується?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Таблиця даних для дистанційного виконання

Дружня порада вчителю

Надано готові дані для опрацювання, що є корисним для дистанційного навчання або для учнів, які не змогли виконати. практичну частину. Поясніть учням, як використовувати ці дані.

№	m, кг	l, м	l₀, м	x_max, м	H_верх, м	H_l, м
1	0,200	0,100	0,180	0,100	0,700	0,580
2	0,150	0,120	0,190	0,090	0,690	0,600
3	0,250	0,090	0,170	0,110	0,750	0,640
4	0,180	0,100	0,170	0,080	0,720	0,640
5	0,300	0,110	0,200	0,120	0,800	0,680
6	0,220	0,130	0,210	0,095	0,760	0,665
7	0,180	0,090	0,160	0,085	0,710	0,625
8	0,200	0,110	0,190	0,100	0,750	0,650
9	0,170	0,100	0,170	0,080	0,705	0,625
10	0,140	0,090	0,160	0,070	0,690	0,620

У вільний від відпочинку час

Дружня порада вчителю

Надання посилання на відео для додаткового навчання та закріплення матеріалу.

Обговоріть зміст відео на наступному уроці.

Продивитись відео з теми за посиланням
https://youtu.be/Yqc6KQitQcs?feature=shared

Відео

Обговоріть зміст відео на наступному уроці

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 36. Лабораторна робота № 4: Вивчення закону збереження механічної енергії (на прикладі пружинного маятника)

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

учень розуміє поняття механічної, кінетичної та потенціальної енергії;
вимірює видовження пружини, визначає константу жорсткості k;
обчислює потенціальну енергію пружини та тіла;
робить висновки щодо збереження енергії;
аналізує можливі втрати енергії.

Ключові слова:

потенціальна енергія,
кінетична енергія
пружна деформація
гравітація
закон збереження

Обладнання:

пружина
вантаж відомої маси m
лінійка або мірна стрічка
штатив

План уроку:

Теоретична частина
Хід роботи
Обробка результатів
Висновок
Контрольні запитання

1. Теоретична частина

Формула для обчислення кінетичної енергії тіла, що рухається:

(10) $\begin{equation*} E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} \end{equation*}$

де Eₖ – кінетична енергія тіла, Дж, m – маса тіла, кг, v – швидкість тіла, м/с.

Формула для обчислення потенціальної енергії тіла в полі тяжіння Землі:

(11) $\begin{equation*} E_p = m \cdot g \cdot h \end{equation*}$

Формула для обчислення потенціальної енергії пружно деформованого тіла:

(12) $\begin{equation*} E_p = \frac{k \cdot x^2}{2} \end{equation*}$

де E_р – потенціальна енергія тіла, Дж, k – жорсткість пружини, Н/м, x – видовження або стиснення пружини, м.

Закон збереження повної механічної енергії:

(13) $\begin{equation*} E_{\text{mex}} = E + E_p = \text{const} \end{equation*}$

2. Хід роботи

Підготовка до експерименту

Визначити масу вантажу m у кілограмах (кг). Наприклад зважити важок на електронних терезах.

Закріпити пружину вертикально в штативі, щоб вона могла вільно розтягуватись під дією сили тяжіння.
Виміряти початкову довжину пружини l₀ у метрах (м) без навантаження. Це «власна довжина» пружини.

Підвісити вантаж до пружини. Виміряйте нову довжину l (стан рівноваги тіла).

Розрахунок коефіцієнта жорсткості пружини

Знайти видовження пружини:
(14) $\begin{equation*} x = l - l_0 \end{equation*}$

Розрахувати коефіцієнт жорсткості пружини:
(15) $\begin{equation*} k = \frac{m \cdot g}{x} \end{equation*}$

де g = 9,8 м/с² прискорення вільного падіння.

Розрахунок потенціальної енергії пружини

Змістити тіло вниз на довільне додаткове видовження і відпустити – тіло почне коливатися.

Виміряти максимальне видовження пружини x_maxвід положення рівноваги (l) вниз до найнижчої точки при коливанні:

Найнижча точка (тіло максимально розтягнуло пружину):
(16) $\begin{equation*} E_{p\text{max}} = \frac{k \cdot x_{\text{max}}^2}{2} \end{equation*}$

Розрахунок потенціальної енергії тіла в полі тяжіння Землі (відносно рівня підлоги)

Найвища точка (тіло максимально підняте над землею):
(17) $\begin{equation*} E_p = m \cdot g \cdot h \end{equation*}$

h – це різниця між двома висотами вантажу над землею:

(18) $\begin{equation*} h - H_{\text{верх}} - H_l \end{equation*}$

H_верх– висота вантажу у верхній крайній точці коливання (максимальний підйом),

H_l– висота вантажу у положенні рівноваги (коли він нерухомо висить на пружині).

3. Обробка результатів

Порівняти значення E_р тіла та E_pmax пружної деформації

4. Висновок

Чому можна використовувати як потенціальну енергію пружини E_pmax, так і енергію підйому E_р, і що це доводить?

Чи повністю підтвердилась дія закону збереження механічної енергії у твоєму експерименті? Якщо ні – чому?

Які втрати енергії можуть бути у даній системі?

5. Контрольні запитання

Що таке механічна енергія?
Які види енергії входять до складу механічної?
У яких випадках закон збереження механічної енергії не виконується?

Таблиця даних для дистанційного виконання

№	m, кг	l, м	l₀, м	x_max, м	H_верх, м	H_l, м
1	0,200	0,100	0,180	0,100	0,700	0,580
2	0,150	0,120	0,190	0,090	0,690	0,600
3	0,250	0,090	0,170	0,110	0,750	0,640
4	0,180	0,100	0,170	0,080	0,720	0,640
5	0,300	0,110	0,200	0,120	0,800	0,680
6	0,220	0,130	0,210	0,095	0,760	0,665
7	0,180	0,090	0,160	0,085	0,710	0,625
8	0,200	0,110	0,190	0,100	0,750	0,650
9	0,170	0,100	0,170	0,080	0,705	0,625
10	0,140	0,090	0,160	0,070	0,690	0,620

У вільний від відпочинку час

Продивитись відео з теми за посиланням
https://youtu.be/Yqc6KQitQcs?feature=shared

Відео

Обговоріть зміст відео на наступному уроці

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе