Проект Мой экспонат. Колесо Максвелла

Описание идеи экспоната

Чертеж экспоната

Эссе-обоснование выбора

Данный прибор является маятником (или колесом) Максвелла, который обычно используется в учебном процессе на лекционных презентациях для наглядной демонстрации:

1. Плоского и поступательно-вращательного движения тела;

2. А главное, закона сохранения механической энергии.

Маятник представляет собой колесо на оси, подвешенное на нитях (рисунок 4). Прибор очень прост в обращении, закручивающиеся нити вокруг оси колеса, позволяют вращаться колесу и возвращаться в исходное положение.

Наглядно демонстрируется плоское движение оси колеса и колеса, т. е. движение происходит в одной плоскости в одной системе отсчета. В другой же, система будет совершать другое движение, траектория точек, принадлежащих колесу, будет эпициклоидной, а движение поступательно-вращательным.

Прибор отлично демонстрирует закон сохранения полной механической энергии (превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно). При запуске системы вращающееся колесо позволяет получить кинетическую энергию, и перейти в крайних положениях в потенциальную.

Предложенный нами прибор обладает дополнительными возможностями, позволяющими исследовать аэродинамические процессы. К колесу маятника (рисунок 3) крепятся «лопаточки», которые замедляют движение. Меняя угол поворота «лопаточек», можно менять силу сопротивления воздуха.

Прибор практически целиком собирается из деталей детского отечественного конструктора AVToys. Благодаря уникальным деталям скрепления 120 градусов, треугольным формам сборочных элементов и особенностям механизма сцепления, конструкция из деталей AVToys в собранном виде гибка и прочна. С помощью деталей можно заменить отдельные узлы прибора, выполняемые, как правило, из металла.

Описание всех этапов и методов предполагаемой работы, используемых материалов

Приборы и материалы

1. Для проведения опыта требуется достаточно прочный и ровный подвес, к которому крепится прибор. Таким подвесом может быть, например, штанга для подтягивания, которая крепится в проёме двери. Рекомендуется высота примерно 180 см от пола и ширина не менее 30 см. Он не должен раскачиваться и самопроизвольно менять своё положение. Горизонтальность должна быть проверена уровнем. Подвес должен быть расположен таким образом, чтобы экспериментаторам можно было свободно перемещаться вокруг него. Не последнюю роль также играет эстетичность его внешнего вида.

2. Прибор крепится к подвесу с помощью нити, достаточно прочной и яркой. Нить должна быть достаточно длинной (не менее 1,5 м), и крепиться так, чтобы расстояние между креплением на подвесе было немного меньше, чем на стержне колеса.

3. Линейка с миллиметровыми делениями должны быть достаточно яркими, чтобы быть видными на фотографии. Длина линейки должна быть не менее метра, но желательно, чтобы её длина достигала 150 см. Можно использовать 2 линейки.

4. Секундомер, показывающий сотые доли секунды. Лучше всего, если он обладает подсветкой или светящимися цифрами. Если нет, то он должен быть дополнительно освещён.

5. Весь прибор создаётся из деталей конструктора AVToys, при этом в процессе выполнения работы к колесу могут быть прикреплены дополнительные, заранее приготовленные «лопаточки».

Порядок выполнения работы

1. Колесо со стержнем собирается из конструктора AVToys заранее.

2. Прибор аккуратно подвешивается к подвесу так, чтобы его положение было симметричным и горизонтальным.

3. Без толчка отпускаем прибор, одновременно запуская секундомер и кинокамеру. Кинокамера должна быть расположена таким образом, чтобы был виден секундомер и линейка рядом с прибором. Направление от камеры на прибор должно быть приблизительно горизонтальным.

4. После съёмки делается обработка (оцифровка) результата. Результаты заносятся в таблицу Excel.

5. Результаты выводятся в виде графика. Строим зависимости:

а) координаты от времени

б) скорости от времени

в) ускорения от скорости

6. Присоединяем к колесу заранее заготовленные «лопаточки» и повторяем измерения.

7. Делаем выводы относительно характера силы трения в колесе Максвелла

6