Визначення прискорення вільного падіння

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 378.091.31:53

Визначення прискорення вільного падіння

Володимир Ткаченко,

Розглянуто процес створення стробоскопічної версії на прикладі лабораторної роботи по визначенню прискорення вільного падіння шляхом монтажу її відео версії. Аналіз стробоскопічної версії дозволяє аналітично довести рівноприскорений характер руху тіла при вільному падінні та визначити абсолютне значення його прискорення. Перетворення стробоскопічної версії у формат GIF, що підтримує анімаційні зображення, дозволяє в динаміці демонструвати характерні особливості рівноприскореного руху. прискорення падіння стробоскопічний

Владимир Ткаченко, кандидат физико-математических наук, доцент,докторант Кировоградского государственного педагогического университета имени Владимира Винниченко

Евгения Черевань, студентка физико-математического факультета очной формы обучения на 2-м (магистерском) уровне ГВУЗ “Донбасский государственный педагогический университет”

СТРОБОСКОПИЧЕСКАЯ ВЕРСИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ

Рассмотрен процесс создания стробоскопической версии на примере лабораторной работы по определению ускорения свободного падения путем монтажа ее видео версии. Анализ стробоскопической версии позволяет аналитически доказать равноускоренный характер движения тела при свободном падении и определить абсолютное значение его ускорения. Преобразование стробоскопической версии в формат GIF, поддерживающий анимационные изображения, позволяет в динамике демонстрировать характерные особенности равноускоренного движения.

Vclcdymyr Tkachenko, Ph.D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Doctoral Student of the Kirovohrad Volodymyr Vynnychenko State Pedagogical University Yevheniya Cherevan, Student of Physics and Mathematics Faculty of full-time studying at the second (Master) level State Higher Education Institutе “Donbass State Pedagogical University”

THE STROBOS^PIC VERSION OF THE LABORATORY WORK FOR THE DETERMINATION OF ACCELERATION OF FREE FALLING

The article highlights the extremely topical problem of need of further introduction of information and computer technologies into the process of training experiment during the studying of physics. The created video and stroboscopic versions of laboratory work can be used by the conventional smartphones and tablets or other budget gadgets. An involvement of students in the process of creating video and stroboscopic versions of laboratory work, in turn, contributes to the individualization and intensification of the educational process, the development of creative activity of students, the mastering of material, and accelerating the time of obtaining information.

Keywords: the video version, the stroboscopic version, an educational experiment, the laws of mechanics.

Постановка проблеми. Відео версії у навчальному процесі можуть бути використані, як:

вступне заняття до лабораторного практикуму;

підготовчий етап до виконання реального експерименту;

лекційні демонстрації;

експериментальні фізичні задачі;

база для навчально-дослідних робіт студентів. Сучасний рівень знань з інформатики дозволяє залучати до процесу створення відео та стробоскопічних версій студентів початкових курсів та старшокласників. А це, в свою чергу, сприяє індивідуалізації навчального процесу, розвитку творчої активності студентів та більш глибокому засвоєнню ними матеріалу.

Нами вже було створено стробоскопічні версії лабораторних робіт по вивченню законів механіки за допомогою машини Атвуда [3] та аналізу руху тіл у в'язкому середовищі [4]. А вільне падіння це іще один приклад рівноприскореного руху під дією сили тяжіння.

Аналіз актуальних досліджень. Питаннями впровадження інформаційно-комунікаційних технологій у навчальний процес займались такі зарубіжні дослідники як: Г Клейман, Р. Вільямс, С. Пейперт та вітчизняні вчені Ю.О. Жук, М.І. Жалдак, С.П. Величко та інші.

Мета статті. Створити стробоскопічну версію лабораторної роботи по визначенню прискорення вільного падіння за допомогою машини Атвуда. Показати можливості використання даної стробоскопічної версії у навчальному процесі.

Виклад основного матеріалу. Спочатку ми створили відео версію лабораторної роботи. Для цього ми скористалися смартфоном Prestigio PSP 3530 DUO. Монтаж відео версії лабораторної роботи проводився за допомогою програми Sony Vegas Pro [1]. Стробоскопічну версію цього руху наведено на (рис. 1). Тривалість всієї версії становить 13 кадрів. У кадровій розгортці цього відео знайдемо кадр, що відповідає моменту початку руху. Це зафіксовано на кадрі № 1 (див. рис. 1 К 1). Характерною його особливістю є те, що кулька на ньому знаходиться у початковому стані (на позначці S_K1 = 0 см). І вільне падіння кульки починається із нульової позначки. А на наступному кадрі її положення уже змінюється.

КС стробоскопічна версія, зведена на одному кадрі; К1, К3, К5, К7, К9, К11 фото відповідного номера кадру.

Частота зміни кадрів знімального апарату, визначена експериментально, становить:

N -1 13 -1 _оп кадрів

v =------= 30---------.

t 0,4 с

де N число кадрів відзнятих за час t.

Тоді, період T час між двома сусідніми кадрами: 30

Розіб'ємо всю стробоскопічну версію на 5 серій. У кожній серії по 2 кадри. Тоді, час проходження кожної серії, із урахуванням (2), складатиме:

at; = 2 * t = -- с. (3)

При рівноприскореному русі шляхи, що проходить тіло за однакові проміжки часу, співвідносяться як непарні числа. Так як вільне падіння є рух рівноприскорений, то і для нього буде справедливе співвідношення:

S;: S2: S3: --: S = 1:3:5:...:(2и -1),(4) де n = 1, 2, 3, * * * ціле число.

У нашому випадку S_t, де i = 1, 2, 3, *** n, це шляхи, що проходить кулька при вільному падінні за однаковий час АТ_; зйомки кожної серії кадрів (див. формулу (3)).

На кадрах К-3, К-5, К-7, К-9, та К-11 (рис. 1) зафіксовано шляхи S_{K 3}, S_{K 5}, S_{K 7}, S_{K 9}, S_K11, що пройшла кулька від нульової позначки^до закінчення зйомки 1-ої, 2-ої, 3-ої, 4-ої, та 5-ої серій кадрів, відповідно. Вони мають значення:

S_K3 = 3,5 см, S_K5 = 11,5 см, S_K7 = 23 см,

Sk 9 = 39,5 см, та Skii = 60 см, відповідно. При цьому відлік проводиться від нуля. Тоді, шляхи Si, S2, S3, S₄, S₅ , що проходить кулька за час зйомки 1-ої, 2-ої, 3-ої, 4-ої, та 5-ої серій кадрів , визначимо як:

Рис. 1. Стробоскопічна версія вільного падіння. КС стробоскопічна версія, зведена на одному кадрі; К1, К3, К5, К7, К9, К11 фото відповідного номера кадру

n = 1 S = S_K3 S_K1 = 3,5 0 = 3,5 (см);

n = 4 S 4 = S_K 9 S_K 7 = 39 ,5 23 = 16 ,5 (см) n = 5S5 = S_Ku Sk9 = 60 39,5 = 20 ,5 (см) Абсолютна похибка вимірювання шляху складає 0,5 см (половина ціни найменшої поділки шкали лінійки). Тому, для зменшення відносної похибки вимірювання, оберемо останні (3-тю, 4ту і 5-ту) серії, за час яких кулька пройшла шляхи більші 10 см. Тоді відносна похибка вимірювання не перевищуватиме 5%. Отже, співвідношення (4), яке ми маємо перевірити, у нашому випадку, матиме вигляд:

S3: S4: S₅ = 5:7:9. (5)

Підставляючи числові дані, отримаємо:

11,5:16,5:20,5 * 5:7:9. (6)

0,70 * 0,71; 0,81 * 0,78 ;0,56 = 0,56.

Співвідношення (6) виконується з точністю, яка не перевищує розрахункову 5%.

Для визначення прискорення вільного падіння скористаємось формулою: = 2S^ = 2 S ₂ = = 2 S_n ⁸ = АТ* = 3ДТ* =" = (2n 1)АТ* ⁽⁷⁾

Тоді, підставляючи в (7) числові дані, отримаємо:

- 225 = 15,75 (м/с²);

- 225 = 12,00 (м/с²); -225 = 10,35 (м/с²); -225 = 10,6 (м/с²);

- 225 = 10,25 (м/с²).

Як зазначено вище, для зменшення відносної похибки вимірювання, необхідно обирати 3-тю, 4-ту і 5-ту серії кадрів. Їм відповідають значення прискорення 8₃, 8₄, 85. А їх середнє значення добре узгоджується з табличним значенням. Відносна похибка становить близько 6%.

Висновки. Стробоскопічну версію лабораторної роботи по визначенню прискорення вільного падіння можна використовувати для аналітичної перевірки характеру руху тіла при вільному падінні та розрахунку величини прискорення вільного падіння. Її можна запроваджувати у навчальний процес в якості підготовчого етапу до виконання реального експерименту та / або для порівняльного аналізу з ним, фронтальної лабораторної роботи та при викладені нового матеріалу.

Крім цього за допомогою стробоскопічних версій лабораторних робіт, та/або інших навчальних експериментів можна створювати експериментальні задачі, які можуть бути використаними при вивченні різних розділів курсу фізики.

На базі стробоскопічної версії можна виготовити гіфку. Тобто перетворити стробоскопічну версію у формат GIF, що підтримує анімаційні зображення [2]. Гіфка являє собою послідовність з декількох статичних кадрів, а також інформацію про те, скільки часу кожен кадр повинен бути показаний на екрані. Анімацію можна зробити циклічною (англ. Loop), тоді слідом за останнім кадром почнеться відтворення першого кадру і т. д. Це дозволить в динаміці демонструвати характерні особливості рівноприскореного руху, статичну картину якого подано на рис. 1 (КС).

Література

1. Бычков М. Sony ve8as pro Програма для создания видео! [Електронный ресурс]. Режим доступа: https://videosmile.ru/lessons/read/sonyve8as-pro.html Название из екрана.

2. Материал из Википедии свободной энциклопедии. [Електронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.or8/wiki/GIF. Название из екрана.

3. Ткаченко В. М., Дудченко І. В. Поєднання навчального експерименту і засобів інформаційнокомунікаційних технологій при вивченні законів механіки. Наукові записки КДПУ. Серія: Проблеми фізико-математичної і технологічної освіти, вип. 10, ч. 1. Кропивницький, 2016. с. 204 208.

4. Ткаченко В. М., Керімова Т. М. Аналіз руху тіл у в 'язкому середовищі засобами інформаційнокомунікаційних технологій. Педагогика. Научные достижения, наработки, предложения за 2016 г./ Peda8o8ika. Osiq8ni$cia naukowe, rozwoj, propozycje na rok 2016. Сб. научных докладов Закопане/ Zakopane, 30.12.2016. с. 4144.

5. Шильников А. В., Васильева Л. А., Нестеров В. Н., Черкасова Л. И. Оптимизация физического практикума с помощью современных информационных технологий. // Физическое образование в Вузах. Т. 6, № 4. Изд. дом МФО (М), 2000. С. 81-85.

REFERENCES

1. Bychkov, M. Sony ve8as pro Pro8ramma dlya sozdaniya vidyeo! [Sony vegas pro a program for creating vidyeo!]. Available at: https://videosmile.ru/ lessons/read/sony-vegas-pro.html. Name from the screen. [in Russian].

Material iz Vikipedii svobodnoy entsiklopedii [Material from Wikipedia, the free encyclopedia]. ОСНОВИ ЕТИЧНОЇ КОМПЕТЕНТНОСТІ СОЦІАЛЬНОГО ПРАЦІВНИКА

Available at: https://ru.wikipedia.org/wiki/GIF. Name from the screen. [in Russian].

2. Tkachenko, V. M. & Dudchenko, I. V (2016). Poiednannia navchalnoho eksperymentu i zasobiv informatsiino-komunikatsiinykh tekhnolohii pry vyvchenni zakoniv mekhaniky [Combination of educational experiment and information and communication technologies when studying the laws of mechanics]. Naukovi zapysky Kirovohradskoho derzhavnoho pedahohichnoho universytetu imeni Volodymyra Vynnychenka. Seriia: Problemy fizykomatematychnoi i tekhnolohichnoi osvity. Kropyvnytskyi: RVV KDPU, vol. 10(1), pp. 204 208. [in Ukrainian].

3. Tkachenko, V M. & Kerimova, T. M. (2016). Analiz rukhu til u v 'iazkomu seredovyshchi zasobamy informatsiino-komunikatsiinykh tekhnolohii [Analysis of the motion of bodies in a viscous medium using information and communication technologies]. Pedagogika. Nauchnye dostizheniya, narabotki, predlozheniya za 2016 g. Sb. nauchnykh dokladov. Zakopane: 30.12.2016., pp. 4144. [in Polish].

4. Shilnikov, A. V, Vasileva, L. A., Nesterov, V N. & Cherkasova, L. I. (2000). Optimizatsiya fizicheskogo praktikuma s pomoshchyu sovremennykh informatsionnykh tekhnologiy [Optimization of physical practice using modern information technologies]. Fizicheskoe obrazovanie v Vuzakh. Vol. 6, No.4, Moscow: Izd. dom MFO, pp. 81-85. [in Russian].

Размещено на Allbest.ru