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

Таблица 2. Зависимость от длины маятника (φ = 45°)

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