Аннотация. Данная работа, на результатах опытов, показывает, что с помощью маятников фиксируются разные ускорения падения тел разной массы. Вскрыты проблемы преподавания маятников
Annotation. This work, based on the results of experiments, shows that with the help of pendulums, different accelerations of falling bodies of different masses are recorded. The problems of teaching pendulums are revealed
Ключевые слова: масса; маятник; ускорение свободного падения; преподавание; проблема
Keywords: mass; pendulum; acceleration of free fall; teaching; problem
УДК 53. УДК 37.
Введение.
Тема маятников очень сложная, так как она вступает в противоречия с общепринятыми установившимися научными воззрениями, и при этом порождает проблемы в преподавании маятников.
Одновременно эта тема, необычайно перспективная, доступная для проведения исследований школьникам и студентам, что порождает интерес к творчеству. И при правильном подходе к теме, и расширенном изучении маятников, она знакомит и открывает новые возможности в использовании маятников.
В настоящее время в образовательный процесс всё больше и больше вводиться виртуальных лабораторий, которые особенно вредны при изучении колебания маятников, так как лишают возможности учащихся и преподавателей непосредственно совместно принимать участие в исследовании данного процесса.
Виртуальные лаборатории снимают ответственность с преподавателя за учебный процесс и полученный результат.
Процесс исследования, даёт непосредственные живые результаты, которые бывают разными, и эти результаты дают повод задуматься, почему так получилось.
В виртуальной лаборатории, результат запрограммирован на формулу, и что бы ты ни делал, получишь одинаковый результат, в соответствии с формулой, и общепринятым утверждением. Поэтому виртуальные лаборатории в учебный процесс надо вводить крайне осторожно. Они являются шаблонами, которые могут тиражировать ошибки в теории и лишают учащихся творческого поиска и новых открытий.
Преподаватель, настроенный на шаблонное обучение, всегда стремиться подогнать результат под соответствующую формулу, боясь получить другой результат, и не «упасть» в глазах учащихся. С другой стороны, преподавателей можно понять, они наняты на работу и выполняют учебную программу, от которой не имеют права, и не могут отступать. Поэтому выражаю благодарность всем преподавателям, которые
проводят живые опыты чисто, точно, тщательно готовясь, и при этом, не искажая полученные результаты.
Вместе с тем в интернете появились снятые видеоролики хорошего качества, где можно за опытом наблюдать, как бы напрямую участвовать, и контролировать все результаты, пользуясь кнопкой стоп. Таких работ, к сожалению, ещё очень мало, но они важны для сверки результатов.
При написании работы опирался на следующие источники: [1];[2];[3];[4];[5];[6];[7];[8]; [9];[10];[11];[12];[13];[14];[15];[16];[17].
Актуальность данной работы обусловлена тем, что вскрывает проблемы преподавания маятников, предостерегает преподавателей от фальсификации опытов, в том числе и с использованием виртуальных лабораторий, лишения учащихся проведения истинных исследовательских работ, показывает одну из причин незнаний, что маятники отражают зависимость ускорения падения тел от массы и амплитуды.
Цели и задачи данной работы заключаются в том, чтобы исправить ошибку в преподавании маятников, построенную на классических формулах, где все тела разной массы в одном поле тяготения падают с одинаковым ускорением свободного падения, показать на маятниках, что лёгкие тела падают быстрее тяжёлых, предостеречь от шаблонного применения виртуальных лабораторий.
Научная новизна данной работы заключается в том, что данная работа изменяет ошибочное утверждение, что все тела разной массы падают в одинаковом поле тяготения с одинаковой высоты с одним и тем же ускорением, что маятники являются лучшими приборами фиксирующими, что тела разной массы падают с одной высоты в однородном поле тяготения с разными ускорениями.
Изменение периода колебаний от амплитуды было установлено Х.Гюйгенсом, но, к сожалению, во многих учебных заведениях, как мантру продолжают повторять, что период колебаний от амплитуды не зависит? То, что период колебаний от амплитуды зависит, отражено во многих работах: [1]; [2]; [3]; [4].
В очень редких случаях говорят, что период колебаний не зависит при малых колебаниях от амплитуды. Он зависит, но не доступен для измерения, тем более для визуального наблюдения. Зависимость периода колебания математического маятника от массы и амплитуды не отражена в формуле, поэтому преподаватели этот факт исключают и занимаются подгонкой результата под формулу.
Если посмотреть в интернете опыты с математическим маятником с разными весами, их практически нет, и сколько бы Вы не искали в разных браузерах, больше 5 таких опытов не найдёте (не надо сюда считать опыты виртуальных лабораторий), все остальные опыты, снятые на видео, будут недоступны для просмотра?
А почему сложилась такая ситуация, потому что опыты не вписываются в общепринятые стандарты, а результаты выходят за пределы формул, и преподаватели такие опыты обходят, заменяя теорией или давая рекомендации, как провести опыты. Поэтому в интернете разработаны и размещены массы методических пособий для проведения лабораторных работ и нет их живого проведения.
Каждый такой найденный проведённый опыт, пусть даже с ошибками, очень ценен, а преподаватели, проводившие их, заслуживают благодарности.
Проведены опыты с математическим маятником с разными весами на разных по длине подвесах. Подвес для веса 32 кг капроновая верёвка диаметром 6 мм, для веса 4 кг капроновая верёвка диаметром 4 мм, для веса 0,5 кг и 13 гр. капроновая нить.
Подвес гири 32 кг выполнялся произвольно с дальнейшей выдержкой в подвесе в течение 10 минут до начала опыта.
Математический маятник. Опыт №1 ------- (1)
Длина подвеса 460 мм, угол отклонения 30 град. Вес 4 кг.
Количество колебаний 30 – 42 сек
Количество колебаний 30 – 43 сек
Количество колебаний 30 – 43 сек
Т = 1,411 c
Время до «полной» остановки, когда амплитуда колебаний очень мала: 16 мин.
Начало измерения: 14ч – 27м, конец измерения: 14ч – 43м, при амплитуде менее одного мм.
Математический маятник. Опыт №2 ------- (2)
Длина подвеса 460 мм. Вес 0,5 кг. Угол отклонения 30 град.
Количество колебаний 30 – 41 сек
Количество колебаний 30 – 40 сек
Количество колебаний 30 – 41 сек
Т = 1,356с
Время до «полной» остановки, когда амплитуда колебаний очень мала:11мин.
Начало измерения: 16ч – 54м, конец измерения: 17ч – 05м, при амплитуде менее одного мм, около 0,5 мм
Математический маятник. Опыт №3 ------- (3)
Длина подвеса 1550 мм. Вес 32 кг. Угол отклонения 30 град.
Количество колебаний 15 – 39 сек
Количество колебаний 15 – 39 сек
Количество колебаний 15 – 40 сек
Т = 2,622с
Математический маятник. Опыт №4 ------- (4)
Длина подвеса 1550 мм. Вес 13 гр. Угол отклонения 30 град.
Количество колебаний 15 – 21 сек
Количество колебаний 15 – 20 сек
Количество колебаний 15 – 21 сек
Количество колебаний 15 – 20 сек
Количество колебаний 15 – 20 сек
Т = 1,36 с
Проверим результаты по классической формуле:
Т = 2π (L / g)^1/2; g = 9,8065 м/с^2; π = 3,1416
Опыт №1 ------- (1)
Т = 1,411 c
Т(р) = 2*3,1416 ( 0,460 м / 9,8065 м/с^2)^1/2 = 6,2832*0,2165817704345316 c = 1,361 c
Т(р) = 1,361 c
Опыт №2 ------- (2)
Т = 1,356с
Т(р) = 1,361 c
Опыт №3 ------- (3)
Т = 2,622с
Т(р) = 2*3,1416 ( 1,550 м / 9,8065 м/с^2)^1/2 = 6,2832*0,3975656305979474 c = 2,498 c
Т(р) = 2,498 c
Опыт №4 ------- (4)
Т = 1,36 с
Т(р) = 2,498 c
Опыты показывают, что в зависимости от массы, наиболее лёгкие тела имею меньше
период колебаний и значительно короче период затухания, чем период колебаний и период затухания у тяжёлых тел на одинаковом по длине подвесе. Более лёгкие тела падают быстрее тяжёлых тел. Этот факт и отражают маятники, поэтому они являются индикатором, прибором, показывающим, что лёгкие тела падают быстрее тяжёлых тел.
Найдём и проверим подобные опыты в интернете. За два месяца поиска, подобных опытов нашлось всего пять.
Один из них проведён на высоком уровне с полной демонстрацией опыта, показом фиксированных результатов на секундомере и записью их в таблицу [5].
В таком опыте можно принять участие самому и зафиксировать результаты на секундомере. Опыт проведён прекрасно, результаты сняты и соответствуют формуле.
Но давайте с помощью кнопки стоп сами снимем результаты с секундомера или проследим за опытом со своим секундомером.
Опишем проведённый опыт: Взяли три маятника одинакового объёма, но из разных материалов: медь, сталь и алюминий.
Вес медного маятника: 29,6 г.
Вес стального маятника: 28,8 г.
Вес алюминиевого маятника: 10,1 г.
А теперь внимательно смотрим на секундомер после замера 20 колебаний, воспользуемся кнопкой стоп.
Время 20 колебаний медного маятника: 27,7 сек
Время 20 колебаний стального маятника: 27,3 сек.
Время 20 колебаний алюминиевого маятника: 26,8 сек.
Период колебаний медного маятника: T = 1,385 сек.
Период колебаний стального маятника: T = 1,365 сек.
Период колебаний алюминиевого маятника: T = 1,34 сек.
Если сравнить амплитуды колебаний, то видно, что амплитуда колебаний у алюминиевого маятника затухает быстрее.
И посмотрите, как заполняется таблица, где время колебаний у всех маятников 26 сек., а период колебаний 1,3 сек. Вот так подгоняются опыты под формулы.
Периоды колебаний от массы маятника зависят. Более лёгкие тела падают быстрее, более тяжёлых тел
Внимательно посмотрим этот опыт [6].
На таких преподавателях держится вся наука, опыт проведён бескомпромиссно, честно, несознательно перепутав грузы, так как согласно науке от них не чего не зависит. А опыт показал, что от массы груза зависит период колебаний.
И опять есть подтверждение, что более лёгкие тела падают быстрее более тяжёлых тел.
А ещё науку двигают вперёд такие ученики, которые сами занимаются исследованиями и делают независимые выводы, что зависимость периода колебаний пружинного маятника от жёсткости пружины и массы груза не линейная [7].
Рассмотрим ещё одну работу учащихся [8].
Исследовательская работа проводилась в игровой форме для учащихся 10 классов в апреле 2016 г.
Цель эксперимента была определить зависимость частоты колебаний пластиковой бутылки, наполненной водой, от объема воды в ней.
Приняли участие несколько команд, результаты получились противоположные.
Длина нити 1,8 м, высота бутылки 0,27 м
Объём жидкости 0,75 л. ------ период колебания 2,8 с
Объём жидкости 0,5 л. ------- период колебания 2,7 с
Объём жидкости 0,25 л. ------- период колебания 2,6 с
Результат удивил, так как центр тяжести с изменением объёма смещался всё ниже и ниже, увеличивая расчётную длину подвеса. Период колебаний должен был увеличиваться.
Но он с изменением массы уменьшался.
Решил проверить, не привязываясь к длине и размерам бутылки, а чтобы центр тяжести не зависел от объёма жидкости, взял бутылку, полностью заполненную водой, а во втором опыте взял бутылку пустую. То есть взял два крайних положения, получился опыт без изменения центра тяжести и расчётной длины подвеса. Получается у пустой бутылки период колебаний значительно меньше, чем у полной бутылки.
Кому интересно рекомендую проверить. Бутылки можно заполнять рисом, солью и т.д.
От массы зависит период колебаний. У лёгких тел период колебаний меньше.
Лёгкие тела падают быстрее, поэтому период затухания у них значительно меньше.
Здесь нет, не чего, кроме задания, но задание выполнимо в домашних условиях [9].
Задание заключается в том, чтобы экспериментально определить, как будет изменяться период колебаний маятника, если маятником будет сосуд с отверстием заполненный водой.
Маятник с водой. Бутылка с отверстием, вода вытекает, период и амплитуда уменьшаются. Центр опускается, длина подвеса меняется в сторону увеличения и период колебаний должен увеличиваться, если он не зависит от массы. Но на практике происходит следующее, длина подвеса из за опускания центра тяжести увеличивается, масса уменьшается, период колебаний и амплитуда уменьшаются.
Материал подвеса остаётся один и тот же, капроновая нитка.
Опыт, доступный каждому. Литровая пустая пластиковая бутылка на высоте 1,20 отклонённая на 10 градусов буквально за 30 колебании практически останавливается, и эта же бутылка, наполненная полностью водой, и после 40 качений имеет почти такую же амплитуду.
Подобные демонстрационные опыты проводятся на физических очень массивных маятниках, где количество песка очень незначительно и колебания, как будь - то не затухают.
По интернету гуляют задачи, ведро наполненное песком, что будет, если его качать на нитяном подвесе и убрать половину песка, ответы в соответствии с формулой, не чего не измениться, в формуле же нет массы. Вот так мы учим? Хочется задать вопрос, а ещё долго так будем учить? А, как же отвечают, не проверив?
А вот ещё неоспоримое доказательство, что масса маятника влияет на период колебания [10]; [11].
Проведены опыты по зависимости колебания математического маятника от ускорения свободного падения [13]; [14]. Демонстрация с включением магнита.
Для того, чтобы понять, что период колебания математического маятника зависит от массы, достаточно применить теорию относительности в рассуждениях.
Здесь при демонстрации с маятниками разной массы проводиться фокус, чтобы скрыть, что маятник меньшего веса имеет период колебаний меньше, его отклоняют на большую амплитуду. Это легко устанавливается по предыдущим синхронным качаниям двух маятников с одинаковой амплитуды, где видно как располагаются нити и сравнить с расположением нитей у маятников с разными грузами. Во - время демонстрация маятника с разными грузами и с разными амплитудами, обман в том, что период колебаний не зависит, период колебаний зависит и от веса маятника и от амплитуды, периоды синхронизированы по линии равновесия. Поэтому визуально определить разницу периодов невозможно, нужно отдельное измерение периодов каждого маятника [15].
В учебных заведениях маятники Максвелла изучаются поверхностно, просто как демонстрационные, в опытах не даётся параметров: диаметра диска, массы диска, длины подвеса, диски не меняются. А можно было бы изучать, как меняется динамика колебаний, на дисках одинакового размера, изготовленных из разных материалов. Понятно, что колебания зависят и от длины подвеса, что можно было бы сравнить с вертикальным пружинным маятником и математическим маятником.
А пока посмотрим, что доступно в интернете [16]; [17].
Эти маятники не корректно сравнивать, один стоит жёстко на столе, а другой на весах и переход весов из одного положения в другое увеличивает время свободного падения, пребывание (задержку) в крайних положениях масса механизма весов косвенно, но принимает участие и от этого механизма так, же зависит период колебания маятника. Сравнивать маятники надо в одинаковых условиях.
Маятник Максвелла на весах можно заменить в опытах, на маятники: вертикальный пружинный маятник или на математический маятник.
Заключение.
Маятник является лучшим прибором, свидетельствующим о том, что лёгкие тела падают быстрее тяжёлых тел. Маятник за одно колебание в гравитационном поле меняет падение на взлёт груза, и снова падение на взлёт груза. У маятников с меньшим весом период колебания меньше. За десятки колебаний, набирается разница гравитационного воздействия от массы маятника. Что выражается в периодах затухания маятника, где у лёгких тел период затухания короче, чем у тяжёлых тел.
Выводы. Актуальность работы подтверждена. В работе вскрыты проблемы преподавания темы маятников и указаны пути их решения. Вскрыта и отражена причина не знаний, что маятники являются индикаторами, определяющими зависимость периодов колебаний от массы и амплитуды. Поставленные цели и задачи данной работы выполнены, указаны пути исправления ошибок в преподавании, подтверждено на опытах, что тела разной массы в однородном поле тяготения с одной высоты падают с разным ускорением.
Научная новизна очевидна и доказана.
Библиографический список:
1. Определение периода больших колебаний маятника... /электронный ресурс/
naukovedenie.ru›PDF/73TVN516.pdf (дата посещения: 01.06.2023 г)
2. КОЛЕБАНИЯ МАЯТНИКА С ПРЕДЕЛЬНО БОЛЬШИМИ ...
ifmo.ru /электронный ресурс/
http://butikov.faculty.ifmo.ru › Russian › Large... (дата посещения: 18.04.2023 г)
3. Маятник математический. Физический маятник. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике /электронный ресурс/
http://bourabai.ru/physics/2191.html (дата посещения: 01.06.2023 г)
4. Двое из Саратова: ученые из СГТУ решили задачу про маятник и без пиетета отозвались о квантовой физике | Агентство деловых новостей "Бизнес-вектор"/электронный ресурс/
https://www.business-vector.info/dvoe-i ... oj-fizike/ (дата посещения: 01.06.2023 г)
5. Simple Pendulum Physics Practical class 11 | study variation of time period EP 7 – YouTube /электронный ресурс/
https://www.youtube.com/watch?v=3acTgOhT9-0 (дата посещения: 01.06.2023 г)
6. Физика. Проверка независимости периода колебаний груза, подвешенного к ленте, от массы груза – YouTube /электронный ресурс/
https://www.youtube.com/watch?v=vWDqc_YwU4M (дата посещения: 01.06.2023 г)
7. Изучение Зависимости Периода Колебаний Пружинного Маятника От Жесткости
Пружины И От Массы Груза - Bli3 9 Класс – TheWikiHow /электронный ресурс/
https://thewikihow.com/video_MLdIfNiDFVo (дата посещения: 01.06.2023 г)
8. Цель: Экспериментально определите зависимость...
projects.edu.yar.ru›physics/15-16/tur2/16f603.pdf (дата посещения: 01.06.2023 г)
9. Задания | 15 – 17 марта 2016 г. онлайн-викторина
/электронный ресурс/
projects.edu.yar.ru›physics/15-16/tur2/tasks.html (дата посещения: 01.06.2023 г)
10. Установка подставки для реторты и эксперимент с маятником | Пространство Эвана /электронный ресурс/
https://evantoh23.wordpress.com/2019/04 ... xperiment/ (дата посещения: 01.06.2023 г)
11. Factors that affect the period T of a pendulum | Evan's Space /электронный ресурс/
https://evantoh23.wordpress.com/2016/04 ... -pendulum/ (дата посещения: 01.06.2023 г)
12. Маятник – Pendulum /электронный ресурс/
https://ru.wikibrief.org/wiki/Pendulum (дата посещения: 01.06.2023 г)
13. Опыты по физике. Зависимость периода колебаний нитяного маятника от ускорения свободного падения – YouTube /электронный ресурс/
https://www.youtube.com/watch?v=UYofW0B05o0
14. Период колебаний математического маятника и опыт с магнитом - поиск Яндекса по видео /электронный ресурс/
https://yandex.ru/video/preview/18391837122856325396 (дата посещения: 01.06.2023 г)
15. Математический Маятник 29.04.2010 - Empiricschool – TheWikiHow /электронный ресурс/
https://thewikihow.com/video_je3BV5MHJ60 (дата посещения: 01.06.2023 г)
16. Маятник Максвелла — видео NofolloW.Ru /электронный ресурс/
http://www.nofollow.ru/video.php?c=T-FgtI4GpEw (дата посещения: 01.06.2023 г)
17. Маятник Максвелла на весах. - поиск Яндекса по видео
https://yandex.ru/video/preview/1005302 ... ?noreask=1 (дата посещения:
01.06.2023 г)
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
