Експериментальний тур на фіналі всеукраїнської олімпіади-2023 з фізики у старших класах

2023-04-10

Віталій Ф.

На початку квітня відбувся фінальний етап всеукраїнської учнівської олімпіади з фізики. На цій олімпіаді учні розв’язують як теоретичні, так і експериментальні завдання. Експериментальні задачі для багатьох учнів можуть становити значні проблеми, оскільки у більшості шкіл учні не набувають експериментальних вмінь та навичок через відсутність у школах матеріально-технічного забезпечення. Тому при підготовці до всеукраїнських олімпіад конче необхідно звертати уваги на експериментальний компонент підготовки. Розглянемо завдання експериментального туру-2023 для старшокласників. Десятикласники виконували таке дослідження:

Щоб оцінити деформацію кульки під час зіткнення зі столом, кульку фарбують (перед фарбуванням рекомендують кульку змочити вологою серветкою). Пофарбовану кульку відпускають з висоти h₀=0,5 м (висоту 0,5 м варто відраховувати від нижнього краю кульки). Коли пофарбована кулька впаде на стіл, то на папері, що лежить на столі, залишиться слід від фарби. В ідеальному варіанті цей слід мав би бути кругом і за його розмірами можна би було оцінити величину деформації кульки під час зіткнення зі столом. Однак, по перше, пляма на папері не буде ідеальним кругом, а по друге, якщо провести кілька дослідів, то можна помітити, що діаметр такого круга може дещо відрізнятись у різних вимірюваннях. Тому експеримент варто провести кілька разів і обчислити середнє значення діаметра dₙ плями на папері.

Слід також обчислити радіус R самої кульки. Для цього можна нитку обкрутити навколо кульки і виміряти довжину нитки. Однак, може виявитись, що нитка охопила переріз кулі, який не в точності проходить через центр кулі. Тому, щоб збільшити точність вимірювання радіуса кулі, нитку слід обкрутити навколо кулі N разів, виміряти довжину нитки L та обчислити радіус кулі за формулою R=L/(2πN).

Позначимо через s гальмівний шлях кульки (іншими словами, s дорівнює максимальній зміні вертикального діаметра кульки під час деформації). Тоді ми отримаємо у кульці прямокутний трикутник з катетами рівними dₙ/2 та R–s і гіпотенузою рівною R. Тому, за теоремою Піфагора, (dₙ/2)²+(R–s)²=R², а тому зможемо обчислити гальмівний шлях кульки за формулою s=R–√̅R̅²̅–̅(d̅ₙ̅/̅2̅)̅².

Початкова потенціальна енергія кульки дорівнює mgh₀. Нехай F – середня сила, що діє під час зіткнення кульки зі столом. Тоді робота цієї сили дорівнює А= –Fs. Отже, mgh₀=Fs, звідки F=mgh₀/s. Знаючи радіус кульки R та її густину, можна обчислити масу кульки m, а тому за формулою F=mgh₀/s можна обчислити середнє значення сили зіткнення, яке нас просять визначити в умові задачі.

Залишилось оцінити час взаємодії кульки зі столом. Нехай υ₀ – швидкість кульки безпосередньо перед моментом зіткнення зі столом, а υ – швидкість кульки одразу після відскоку кульки від стола. Тоді модуль зміни імпульсу кульки становить m(υ₀+υ). З іншого боку, зміна імпульсу кульки дорівнює імпульсу сили F. Отже, F∆t=m(υ₀+υ), де ∆t – час контакту кульки зі столом. Тоді ∆t=m(υ₀+υ)/F.

Отже, щоб оцінити значення ∆t, нам залишається визначити швидкості υ₀ та υ. Оскільки, удар кульки об стіл не є абсолютно пружним, то ці швидкості не будуть рівними. Знайти швидкість υ₀ можна на основі закону збереження повної механічної енергії mgh₀=m(υ₀)²/2 (опором повітря нехтуємо). Щоб знайти початкову швидкість υ кульки після відскакування від стола, треба виміряти максимальну висоту h, на яку підскочить кулька після удару зі столом, та обчислити υ на основі закону збереження повної механічної енергії mgh=mυ²/2. Дослід варто провести кілька разів, оскільки в різних експериментах кулька підскочить на дещо різні висоти і обчислити середнє значення висоти h. Не слід забувати і про обчислення похибок, оскільки це також оцінюється.

Сподобалась стаття? Оцініть

5

На основі відгуків 1 користувачів

Віталій Ф.

Автор та репетитор на BUKI: Віталій Ф.

Професійний репетитор математики та фізики. Індивідуальні заняття. Підготовка до ЗНО (НМТ), підготовка до вступу за кордоном (Австрія, Польща та ін.). Заняття з учнями 5-11 класів українських та закордонних шкіл. Доступне пояснення навчального матеріалу. Індивідуальний підхід. Проведення занять незалежно від графіків відключення електроенергії.

Ціна

700 грн/год

Інші блоги автора

Шукаєте репетитора?

На BUKI відправляють заявки на співпрацю з репетитором кожні 4 хвилини. Та вже 650000+ учнів знайшли викладача. Бажаєте приєднатись до них?

Підібрати репетитора

BUKI

Платформа, що об’єднує репетиторів та учнів

Створити профіль репетитора