Віртуальна лабораторна робота № 4. Дослідження коливань нитяного маятника (Засєкіна 9 клас)

• Назад до змісту довідника
• Перейти до параграфа § 8. Досліджуємо коливальний рух

Тема: Дослідження коливань нитяного маятника.

Мета: експериментально з’ясувати, як період коливань нитяного маятника залежить від його довжини $l$, маси тягарця $m$ та прискорення вільного падіння $g$.

Обладнання: комп’ютер або смартфон, симуляція PhET «Лабораторія маятників» (Pendulum Lab).

Віртуальна симуляція

🔗 Відкрити симуляцію «Лабораторія маятників» (PhET)

Ознайомлення із симуляцією:

1. Відкрий симуляцію «Лабораторія маятників» і переглянь режими «Вступ» та «Лабораторія».
2. Знайди елементи керування: довжина маятника, маса, параметри середовища/гравітації, інструменти вимірювання.
3. Відхили маятник на однаковий кут (орієнтовно 30°), запусти коливання та потренуйся визначати період.
4. Після тренування скинь параметри (кнопка «скидання/оновлення») і переходь до вимірювань.

Мінізапитання: Який інструмент зручніший для тебе — секундомір чи таймер періоду? Поясни.
Відповідь: Зручнішим є таймер періоду, оскільки він автоматично вимірює час рівно одного повного коливання з високою точністю, виключаючи похибку реакції людини при натисканні секундоміра.

Перед кожним завданням зафіксуй сталі умови (що не змінюєш) і змінну величину (що змінюєш). Для підвищення точності бажано виконувати кілька вимірювань і обирати середнє значення.

Хід роботи

Завдання 1. Як впливає довжина маятника на період?

Умова досліду: кут відхилення (~30°), маса ($m = 1{,}0\text{ кг}$) та гравітація (Земля, $g = 9{,}8\text{ м/с}^2$) сталі; тертя вимкнене. Змінюється довжина нитки.

1. Установи довжину $0{,}40\text{ м}$, відхили маятник до ~30° і виміряй період одного коливання. Запиши у таблицю 1.
2. Зміни довжину (2-й дослід), повтори вимірювання за того самого кута та запиши результат.
3. Проведи 3-й дослід з іншою довжиною та заповни таблицю повністю.

Проміжний висновок: Зі збільшенням довжини маятника його період коливань зростає пропорційно квадратному кореню з довжини ($T \sim \sqrt{l}$).

Завдання 2. Чи впливає маса тягарця на період?

Умова досліду: кут відхилення (~30°), довжина ($l = 0{,}80\text{ м}$) та гравітація (Земля) сталі; тертя вимкнене. Змінюється маса тягарця.

1. Установи довжину $0{,}80\text{ м}$.
2. Для 1-го досліду задай масу $0{,}50\text{ кг}$, запусти коливання з ~30° та виміряй період. Запиши у таблицю 2.
3. Задай іншу масу (2-й дослід), повтори вимірювання та запиши результат.
4. Задай ще одну масу (3-й дослід), повтори вимірювання й заповни таблицю.

Проміжний висновок: За сталих інших умов маса тягарця не впливає на період коливань нитяного маятника (період залишається незмінним).

Завдання 3. Як впливає гравітація на період?

Умова досліду: кут відхилення (~30°), довжина ($l = 1{,}0\text{ м}$) та маса ($m = 1{,}0\text{ кг}$) сталі; тертя вимкнене. Змінюється гравітація (небесне тіло).

1. Перейди до режиму «Лабораторія». Увімкни секундомір або таймер періоду.
2. Установи довжину $1\text{ м}$ і масу $1\text{ кг}$.
3. Дослід 1: обери Місяць ($g = 1{,}62\text{ м/с}^2$), виміряй період та запиши у таблицю 3.
4. Дослід 2: обери Землю ($g = 9{,}81\text{ м/с}^2$), повтори вимірювання та запиши результат.
5. Дослід 3: обери Юпітер ($g = 24{,}79\text{ м/с}^2$), повтори вимірювання та запиши результат.

Проміжний висновок: Зі зростанням прискорення вільного падіння $g$ (від Місяця до Юпітера) період коливань зменшується ($T \sim 1/\sqrt{g}$). На небесних тілах з більшою гравітацією коливання відбуваються помітно швидше.

Висновки

1. Залежність від довжини: період коливань прямо пропорційний квадратному кореню з довжини нитки: $T \sim \sqrt{l}$.
2. Залежність від маси: період коливань нитяного маятника не залежить від маси тягарця.
3. Залежність від гравітації: період коливань обернено пропорційний квадратному кореню з прискорення вільного падіння: $T \sim 1/\sqrt{g}$.