58. Виртуальная лабораторная работа по физике «Виртуальные аналоговые динамометры» https://efizika.ru/html5/58/index.html

Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом действия аналоговых приборов для измерения силы (пружинного динамометра). Приобретение навыков определения цены деления шкалы аналогового динамометра в различных диапазонах измерения. Отработка методики правильного снятия показаний с аналоговых приборов с учётом цены деления и предела измерения, а также положения указателя (стрелки). Формирование умения оценивать погрешность измерения, связанную с дискретностью шкалы.

Приборы и принадлежности: виртуальный аналоговый динамометр (диапазон 0...1 Н, цена деления 0.02 Н), виртуальный аналоговый динамометр (диапазон 0...5 Н, цена деления 0.1 Н), виртуальный источник случайных значений силы. Руководство к виртуальной установке (интерфейс программы с элементами управления).

Краткое описание: лабораторная работа выполняется в интерактивной виртуальной среде. Учащийся определяет цену деления и предел измерения для каждого динамометра, снимает показания со шкалы, учитывая положение растяжения пружины и указателя, и вводит полученное значение для проверки. Программа генерирует случайные значения силы в рамках диапазона прибора, позволяя многократно отрабатывать измерительный навык на примерах динамометров с разной ценой деления и двусторонней вертикальной шкалой. Визуализация включает анимированную пружину и движущуюся стрелку-указатель.

58. New virtual laboratory assignments in physics «Virtual Analog Dynamometers» https://efizika.ru/html5/58/indexe.html

Objective: To familiarize with the design and operating principle of analog instruments for force measurement (spring dynamometer). To acquire skills in determining the scale division value of an analog dynamometer in different measurement ranges. To practice the method of correctly reading measurements from analog instruments, taking into account the division value, measurement limit, and the position of the pointer. To develop the ability to assess measurement error associated with scale discreteness.

Instruments and equipment: virtual analog dynamometer (range 0...1 N, division value 0.02 N), virtual analog dynamometer (range 0...5 N, division value 0.1 N), virtual source of random force values. User manual for the virtual setup (program interface with control elements).

Brief description: The laboratory work is performed in an interactive virtual environment. The student determines the division value and measurement limit for each dynamometer, takes readings from the scale considering the extension of the spring and the position of the pointer, and enters the obtained value for verification. The program generates random force values within the instrument's range, allowing repeated practice of the measuring skill using examples of dynamometers with different division values and a double-sided vertical scale. The visualization includes an animated spring and a moving pointer.

Методика выполнения лабораторной работы

«Виртуальные аналоговые динамометры»

1. Цель работы

Ознакомление с устройством и принципом действия аналоговых приборов для измерения силы (пружинного динамометра). Приобретение навыков определения цены деления шкалы аналогового динамометра в различных диапазонах измерения. Отработка методики правильного снятия показаний с аналоговых приборов с учётом цены деления и предела измерения, а также положения указателя (стрелки). Формирование умения оценивать погрешность измерения, связанную с дискретностью шкалы.

2. Приборы и принадлежности

Виртуальный аналоговый динамометр (диапазон 0...1 Н, цена деления 0.02 Н), виртуальный аналоговый динамометр (диапазон 0...5 Н, цена деления 0.1 Н), виртуальный источник случайных значений силы. Руководство к виртуальной установке (интерфейс программы с элементами управления).

3. Теоретическая часть

3.1. Назначение и принцип действия динамометра

Динамометр (от греч. δύναμις — «сила» и μέτρεω — «измеряю») — прибор для измерения силы или момента силы. В основе работы пружинного динамометра лежит закон Гука: сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна величине этой деформации.

Закон Гука математически выражается формулой:
F = k·Δl
где:

• F — сила упругости (Н)
• k — коэффициент жесткости пружины (Н/м)
• Δl — удлинение пружины (м)

Пружинный динамометр состоит из следующих основных элементов:

• Силовое звено (пружина)
• Указатель (стрелка, связанная с пружиной)
• Шкала с делениями
• Корпус
• Предел измерения — максимальное значение величины, которое можно измерить данным прибором.
• Цена деления — значение наименьшего деления шкалы прибора.
• Погрешность измерения — для аналоговых приборов обычно принимается равной половине цены деления.

3.2. Характеристики измерительных приборов

Формула для определения цены деления:

Цена деления = (Значение конечной отметки - Значение начальной отметки) / Количество делений между ними

4. Описание виртуальной установки

4.1. Интерфейс программы

Лабораторная работа содержит два независимых виртуальных динамометра:

1. Динамометр №1 (диапазон 0...5 Н):

• Цена деления: 0,1 Н
• Количество основных делений: 6 (0; 1; 2; 3; 4; 5 Н)
• Промежуточные деления: через 0,5 Н

1. Динамометр №2 (диапазон 0...1 Н):

• Цена деления: 0,02 Н
• Количество основных делений: 6 (0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 Н)
• Промежуточные деления: через 0,1 Н

4.2. Элементы управления

Для каждого динамометра предусмотрены:

• Поле ввода измеренного значения
• Кнопка «Проверить» — для проверки правильности показаний
• Кнопка «Новое значение» — для генерации нового случайного значения силы
• Индикатор результата проверки

5. Порядок выполнения работы

5.1. Подготовительный этап

1. Откройте виртуальную лабораторную работу.
2. Ознакомьтесь с интерфейсом программы.
3. Изучите конструкцию каждого динамометра, обращая внимание на:

• Расположение нулевой отметки (сверху)
• Направление увеличения значений (вниз)
• Наличие двусторонней шкалы

5.2. Определение характеристик динамометров

Задание 1. Определение цены деления динамометра №1 (0...5 Н)

1. Рассмотрите шкалу динамометра.
2. Выберите два соседних оцифрованных деления (например, 0 Н и 1 Н).
3. Подсчитайте количество делений между ними (10 делений).
4. Рассчитайте цену деления:
5. Запишите результат в таблицу отчета.

Цена деления = (1 Н - 0 Н) / 10 делений = 0,1 Н/дел

Задание 2. Определение цены деления динамометра №2 (0...1 Н)

1. Рассмотрите шкалу динамометра.
2. Выберите два соседних оцифрованных деления (например, 0 Н и 0,2 Н).
3. Подсчитайте количество делений между ними (10 делений).
4. Рассчитайте цену деления:
5. Запишите результат в таблицу отчета.

Цена деления = (0,2 Н - 0 Н) / 10 делений = 0,02 Н/дел

5.3. Определение предела измерения

Задание 3. Определение пределов измерения

1. Для каждого динамометра определите:

• Начальное значение шкалы (верхняя отметка)
• Конечное значение шкалы (нижняя отметка)

1. Рассчитайте предел измерения как разность этих значений.
2. Запишите результаты в таблицу.

5.4. Измерение силы и снятие показаний

Алгоритм правильного снятия показаний:

1. Определите положение указателя (красной линии) относительно шкалы.
2. Найдите ближайшее меньшее оцифрованное деление.
3. Подсчитайте количество делений от этого деления до указателя.
4. Рассчитайте показания по формуле:
5. Учтите, что шкала вертикальная, и ноль находится сверху.

Показания = Значение ближайшего меньшего деления + (Количество делений × Цену деления)

Пример для динамометра №1:

• Указатель находится между отметками 2 Н и 3 Н
• Ближайшее меньшее деление: 2 Н
• Количество делений от 2 Н до указателя: 3 деления
• Цена деления: 0,1 Н
• Показания: 2 Н + (3 × 0,1 Н) = 2,3 Н

Пример для динамометра №2:

• Указатель находится между отметками 0,4 Н и 0,6 Н
• Ближайшее меньшее деление: 0,4 Н
• Количество делений от 0,4 Н до указателя: 7 делений
• Цена деления: 0,02 Н
• Показания: 0,4 Н + (7 × 0,02 Н) = 0,54 Н

5.5. Выполнение измерений

Задание 4. Тренировочные измерения

1. Для каждого динамометра нажмите кнопку «Новое значение».
2. Визуально определите показания динамометра по вышеописанному алгоритму.
3. Введите полученное значение в соответствующее поле ввода.
4. Нажмите кнопку «Проверить».
5. Если ответ неверный, проанализируйте ошибку и повторите измерение.
6. Выполните не менее 5 успешных измерений для каждого динамометра.

Задание 5. Определение абсолютной погрешности
Для каждого динамометра рассчитайте абсолютную погрешность измерения:

text

Copy

Download

ΔF = Цена деления / 2

• Для динамометра №1: ΔF₁ = 0,1 Н / 2 = 0,05 Н
• Для динамометра №2: ΔF₂ = 0,02 Н / 2 = 0,01 Н

Задание 6. Запись результатов с учетом погрешности
Результат измерения записывается в виде:

text

Copy

Download

F = Fизм ± ΔF

где:

• Fизм — измеренное значение силы
• ΔF — абсолютная погрешность

Пример записи:

• Для динамометра №1: F = (2,30 ± 0,05) Н
• Для динамометра №2: F = (0,54 ± 0,01) Н
• Название учебного заведения
• Название лабораторной работы
• ФИО студента, группа
• ФИО преподавателя
• Дата выполнения

6. Оформление отчета

6.1. Титульный лист

6.2. Цель работы

Сформулировать цель работы на основании введения.

6.3. Таблица измерений и расчетов

Таблица 1. Характеристики динамометров

Таблица 2. Результаты измерений

Таблица 3. Пример записи результата с учетом погрешности

6.4. Контрольные вопросы

1. На каком физическом законе основан принцип действия пружинного динамометра?
2. Что такое цена деления измерительного прибора и как ее определить?
3. Почему погрешность аналогового прибора принимают равной половине цены деления?
4. Какой из двух динамометров имеет большую точность измерений? Обоснуйте ответ.
5. Почему в данной работе шкала динамометра расположена вертикально? Как это влияет на методику снятия показаний?
6. Какие факторы могут влиять на точность измерений пружинным динамометром в реальных условиях?
7. Рассчитайте коэффициент жесткости пружины для динамометра №1, если известно, что при нагрузке 5 Н пружина удлиняется на 10 см.

6.5. Выводы

В выводах необходимо отразить:

1. Освоение методики определения цены деления аналогового прибора.
2. Приобретение навыков правильного снятия показаний с учетом цены деления.
3. Умение оценивать погрешность измерений.
4. Сравнение точности двух динамометров.
5. Понимание физических принципов работы пружинного динамометра.

7. Критерии оценки

«Отлично» (5 баллов):

• Правильно определены характеристики обоих динамометров
• Выполнены все требуемые измерения
• Верно рассчитаны погрешности измерений
• Полные и правильные ответы на контрольные вопросы
• Грамотно сформулированы выводы

«Хорошо» (4 балла):

• Допущены незначительные ошибки в расчетах
• Неполные ответы на некоторые контрольные вопросы
• Выводы сформулированы недостаточно полно

«Удовлетворительно» (3 балла):

• Определены основные характеристики динамометров
• Выполнена часть измерений
• Имеются существенные ошибки в расчетах погрешностей

«Неудовлетворительно» (2 балла):

• Не определены характеристики динамометров
• Не выполнены измерения
• Отсутствуют ответы на контрольные вопросы

8. Техника безопасности при работе с реальными динамометрами

Примечание: в виртуальной работе соблюдение техники безопасности не требуется, но для будущих реальных экспериментов:

1. Не превышайте предельное значение измерения динамометра.
2. Измеряемую силу прикладывайте вдоль оси пружины.
3. Избегайте ударных нагрузок и резких рывков.
4. После окончания измерений снимите нагрузку с динамометра.
5. Храните динамометр в сухом месте, защищенном от механических повреждений.
6. Перышкин А.В. Физика. 7 класс. — М.: Дрофа, 2019. — §28-29.
7. Генденштейн Л.Э., Кайдалов А.Б. Физика. 7 класс. — М.: Мнемозина, 2019.
8. Лукашик В.И. Сборник задач по физике. 7-9 классы. — М.: Просвещение, 2020.

9. Рекомендуемая литература