Маятник Максвелла

1. Назначение прибора

Маятник Максвелла предназначен для проведения демонстрационных экспериментов при изучении раздела "Механика" курса физики средней общеобразовательной школы.

2. Устройство прибора

Прибор состоит из маятника, нити и стержня подвеса. Маятник представляет собой металлический диск, который жестко насажен на ось. На поверхности диска наклеены метки в виде цветных секторов, позволяющие наблюдать за быстротой вращения диска. На концах оси имеются отверстия для закрепления нитей подвеса. Стержень подвеса снабжен двумя винтами для удержания двух нитей подвеса на определенном расстоянии друг от друга.

Для работы с прибором необходим универсальный штатив, с помощью которого стержень подвеса закрепляется горизонтально на необходимой высоте.

3. Основные технические характеристики

Диаметр диска

Толщина диска

Длина оси

Диаметр оси

Длина нити подвеса

Длина стрежня

Диаметр стержня

4. Подготовка прибора к работе

Сборку экспериментальной установки начинают с того, что стержень подвеса закрепляют с помощью деталей универсального штатива над поверхностью демонстрационного стола винтами вверх. На винты стержня набрасывают нить подвеса и выравнивают длины нитей с каждой стороны так, чтобы ось маятника расположилась строго горизонтально. Затем нить фиксируют, накручивая ее на каждый из винтов (по одному или по два оборота) После этого еще раз проверяют горизонтальность оси маятника.

При подъеме маятника в верхнее положение наматывать нити на ось маятника следует равномерно виток к витку.

5. Работа с прибором

Установку располагают на демонстрационном столе так, чтобы ученикам была хорошо видна метка на поверхности диска. Маятник переводят в верхнее положение, наматывая нити подвеса на ось, и удерживают рукой. Ученикам предлагают ответить на вопрос: "Что изменится в движении маятника после того, как он окажется в нижнем положении?", Возможные ответы: "остановится", "станет подниматься, вращаясь в ту же сторону" и "станет подниматься, вращаясь в противоположную сторону" проверяются экспериментально. Маятник отпускают, а учеников просят обратить внимание на направление вращения диска. Отмечают, что маятник, оказавшись в нижнем положении, не остановился. Вращение продолжилось в том же направлении, и это привело к тому, что нити подвеса стали наматываться на ось, а маятник начал подниматься вверх.

Результат опыта, наряду с другими наблюдениями, используется для иллюстрации понятий "инерция" и "инертность".

Маятник переводят в верхнее положение, наматывая нити подвеса на ось, и удерживают рукой. Вместе с учениками отмечают, что маятник, находясь неподвижно на некоторой высоте, обладает определенным запасом потенциальной энергии. Затем маятник отпускают, а ученикам предлагают обратить внимание на то, как зависит скорость его вращения и скорость поступательного движения его центра масс от высоты над столом. После того, как маятник 2 - 3 раза опустится вниз и поднимется вверх, опыт прекращают.

Обсудив с учащимися результаты наблюдений, сформулируйте, как изменялись во время движения его потенциальная и кинетическая энергия. Обратите внимание учащихся на то, что кинетическая энергия маятника Максвелла складывается из энергии его вращения и энергии поступательного движения его центра масс.

Рядом с маятником на демонстрационном столе размещают вертикально демонстрационный метр. На нем отмечают деление, напротив которого маятник Максвелла находится в нижнем положении. Затем маятник переводят в верхнее положение. На демонстрационном метре делают еще одну отметку.

Напомните учащимся определение амплитуды колебаний и объясните, что расстояние между метками равно начальному смещению маятника от положения равновесия. Отпустите маятник и попросите учащихся обратить внимание на то, как будет изменяться амплитуда его движения с течением времени.

После того, как движение маятника вниз - вверх прекратится, предложите учащимся сформулировать результаты наблюдений. Подчеркните, что движение маятника Максвелла является примером затухающих колебаний.