268. Виртуальная лабораторная работа по физике
«Изучение маятника Фуко и доказательство вращения Земли»
https://efizika.ru/html5/268/index.html
1. Цель работы
Экспериментально доказать суточное вращение Земли вокруг своей оси
Изучить зависимость угловой скорости вращения плоскости колебаний маятника от географической широты. Ознакомиться с физическими принципами работы маятника Фуко
2. Теоретическая часть
2.1. Основные понятия
Маятник Фуко - физический эксперимент, впервые проведенный французским ученым Жаном Фуко в 1851 году. Демонстрирует вращение Земли вокруг своей оси.
Физический принцип: Плоскость колебаний маятника сохраняет свою ориентацию в инерциальной системе отсчета, в то время как Земля вращается под маятником.
2.2. Основные формулы
Угловая скорость вращения плоскости колебаний маятника:
ω = ω₀ × sin(φ)
где:
ω - угловая скорость вращения плоскости колебаний
ω₀ - угловая скорость вращения Земли (15°/час)
φ - географическая широта места наблюдения
Период полного оборота плоскости колебаний:
T = 24 / sin(φ) часов
3. Оборудование и программное обеспечение
Компьютер с веб-браузером
Виртуальная лабораторная установка "Маятник Фуко"
Измерительные инструменты (виртуальные)
4. Порядок выполнения работы
4.1. Подготовка к эксперименту
Запустите виртуальную лабораторную работу в браузере
Ознакомьтесь с интерфейсом программы:
Область симуляции маятника
Панель управления параметрами
Информационные дисплеи
4.2. Исследование зависимости от географической широты
Задание 1: Наблюдение на Северном полюсе (φ = 90°)
Установите широту 90° с помощью соответствующего ползунка
Запустите маятник кнопкой "Старт"
Зафиксируйте время полного оборота плоскости колебаний
Результаты занесите в таблицу 1
Задание 2: Наблюдение на экваторе (φ = 0°)
Установите широту 0°
Запустите маятник
Наблюдайте за поведением плоскости колебаний
Зафиксируйте результаты
Задание 3: Наблюдение на средней широте (φ = 45°)
Установите широту 45°
Определите период вращения плоскости колебаний
Сравните с теоретическим расчетом
4.3. Исследование влияния длины маятника
Задание 4: Зависимость периода колебаний от длины
Установите широту 45°
Последовательно изменяйте длину маятника: 20 м, 40 м, 67 м, 100 м
Для каждой длины определите:
Период колебаний маятника
Скорость вращения плоскости колебаний
Результаты занесите в таблицу 2
4.4. Изучение компенсации энергии
Задание 5: Наблюдение затухающих колебаний
Установите компенсацию энергии 0%
Запустите маятник
Наблюдайте уменьшение амплитуды колебаний
Зафиксируйте время полного затухания
Задание 6: Изучение системы компенсации
Установите компенсацию энергии 100%
Наблюдайте незатухающие колебания
Объясните принцип работы компенсации энергии
5. Таблицы для записи результатов
Таблица 1. Зависимость периода вращения от широты
|
Широта, ° |
Теоретический период, ч |
Экспериментальный период, ч |
Отклонение, % |
|
90 |
24.0 |
|
|
|
60 |
27.7 |
|
|
|
45 |
33.9 |
|
|
|
30 |
48.0 |
|
|
|
0 |
∞ |
|
|
Таблица 2. Зависимость от длины маятника (φ = 45°)
|
Длина, м |
Период колебаний, с |
Период вращения, ч |
Примечания |
|
20 |
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
67 |
|
|
|
|
100 |
|
|
|
6. Контрольные вопросы
- Почему плоскость колебаний маятника Фуко поворачивается?
- Как зависит скорость вращения плоскости колебаний от географической широты?
- Почему на экваторе маятник Фуко не показывает вращение Земли?
- Какое значение имеет длина маятника в эксперименте?
- Какова роль компенсации энергии в реальных маятниках Фуко?
- Почему в музеях устанавливают маятники Фуко большой длины?
- Объясните, почему маятник Фуко считается доказательством вращения Земли.
7. Обработка результатов
7.1. Расчет теоретических значений
Для каждой широты рассчитайте теоретический период по формуле:
T_теор = 24 / sin(φ) [часов]
7.2. Определение погрешности
Рассчитайте относительную погрешность для каждого измерения:
δ = |T_теор - T_эксп| / T_теор × 100%
7.3. Графический анализ
Постройте графики:
Зависимость периода вращения от широты
Зависимость периода колебаний от длины маятника
8. Выводы
По результатам работы сформулируйте выводы по следующим пунктам:
Подтверждение вращения Земли вокруг своей оси
Зависимость скорости вращения плоскости колебаний от географической широты
Влияние длины маятника на характер колебаний
Практическое значение компенсации энергии
Точность виртуального эксперимента по сравнению с теоретическими расчетами
9. Техника безопасности
При работе с виртуальной лабораторией:
Следите за осанкой при работе за компьютером
Делайте перерывы каждые 30 минут работы
Соблюдайте рекомендованное расстояние до монитора (50-70 см)
10. Дополнительные задания
10.1. Исследовательская задача
Определите географическую широту, на которой период вращения плоскости колебаний составляет 48 часов.
10.2. Творческое задание
Предложите конструкцию маятника Фуко для демонстрации в школьном кабинете физики. Укажите основные параметры и особенности конструкции.
10.3. Расчетная задача
Рассчитайте, за какое время плоскость колебаний маятника, установленного в Москве (φ = 55°45'), повернется на 90 градусов.
Приложение: Краткая справка по управлению
- Элементы управления:
- Широта: 0°-90° (экватор-полюс)
- Длина маятника: 10-100 метров
- Скорость симуляции: 1x-20x
- Компенсация энергии: 0%-100%
Кнопки управления:
- Старт - запуск симуляции
- Пауза - приостановка
- Сброс - возврат к начальным условиям
Индикаторы:
- Текущая широта
- Период вращения плоскости
- Угол поворота плоскости
- Время наблюдения
