Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений. Прочно укрепите прибор в штативе на высоте над столом, как показано на рисунке 1. Наденьте шарик отверстием на стержень и сделайте предварительный опыт. На месте падения шарика расположите лист белой бумаги и накройте его листом копировальной бумаги. Лист белой бумаги закрепите липкой лентой. Надев снова шарик на стержень, отведите стержень в сторону, измерьте высоту подъёма шарика h относительно первоначального уровня. Для этого измерьте длину стержня и его угол отклонения α относительно положения равновесия. Отпустите стержень. Сняв лист копировальной бумаги, определите расстояние l между точкой на столе под шариком в его начальном положении, найденной по отвесу, и отметкой на листе бумаги в месте падения шарика. Измерьте высоту H шарика над столом в начальном положении. Взвесьте шарик и вычислите изменение его потенциальной энергии ΔEₚ и кинетическую энергию Eₖ в момент прохождения шариком начального положения (положения равновесия). Повторите опыт при двух других значениях высоты h и занесите результаты измерений и вычислений в таблицу.

Поскольку собственные измерения в условии не приведены, ниже дан условный пример. Его значения нужно заменить результатами своего опыта. Для образца примем массу шарика 0,020 кг, высоту над столом H = 0,80 м, длину стержня L = 0,30 м и ускорение свободного падения g = 9,8 м/с².

Ход вычислений

1. Высоту подъёма шарика при отклонении стержня на угол α находим по геометрии: h = L(1 − cos α).
2. Изменение потенциальной энергии: ΔEₚ = mgh.
3. Время падения с высоты H: t = √(2H/g). Тогда скорость шарика по дальности полёта l равна v = l/t = l/√(2H/g).
4. Кинетическая энергия: Eₖ = mv²/2. В идеальном случае она приблизительно равна ΔEₚ; в реальном опыте возможны потери энергии и погрешности измерений.

Для расчёта условных значений дальности полёта использовано соотношение l = √(2gh) · √(2H/g) = 2√(hH), соответствующее идеальному превращению потенциальной энергии в кинетическую.

Пример вычисления для первой строки: h = 0,30(1 − cos 20°) ≈ 0,0181 м; ΔEₚ = 0,020 · 9,8 · 0,0181 ≈ 0,00355 Дж. Время падения t = √(2 · 0,80/9,8) ≈ 0,404 с; скорость v = 0,241/0,404 ≈ 0,596 м/с; Eₖ = 0,020 · 0,596²/2 ≈ 0,00355 Дж.

При проведении опыта измерьте массу шарика, H, L, α и l; вычислите h, ΔEₚ, v и Eₖ для трёх отклонений и сравните ΔEₚ с Eₖ. При работе закрепите прибор и бумагу, а шарик отпускайте так, чтобы он падал на подготовленное место.