Лабораторная работа № 14 «Наблюдение возникновения силы упругости при деформации»

Определения и обозначения

Деформация — изменение формы или размеров тела под действием силы. Например, при растяжении пружина становится длиннее, а при сжатии — короче. Это понятие помогает заметить, что тело изменилось и на него действует сила.

Упругая деформация — деформация, при которой тело восстанавливает первоначальную форму после прекращения действия силы. Если отпустить растянутую пружину и она станет такой, как до опыта, её изменение было упругим. Это определение нужно, чтобы отличать временное изменение от сохраняющегося.

Сила упругости — сила, возникающая при деформации тела и направленная против деформации. Она появляется в самой пружине, когда пружину растягивают или сжимают. По этой силе можно объяснить, почему пружина стремится вернуться к прежней форме.

Динамометр — прибор для измерения силы, в котором используется растяжение пружины. Когда к прибору прикладывают силу, пружина удлиняется, а указатель показывает значение. Это определение связывает наблюдение за деформацией с измерением силы.

Как это устроено

Изменение формы или размеров тела показывает, что на него действует сила: без воздействия тело не стало бы длиннее, короче или иначе изогнутым. Например, если нажать на мягкий предмет, его форма изменится под действием руки. Сравнение состояния до воздействия и во время него помогает увидеть результат силы. Поэтому в опыте сначала отмечают исходную форму или длину тела.

Когда пружину растягивают, её витки удаляются друг от друга, а при сжатии сближаются. В обоих случаях меняется расстояние между частями пружины, поэтому она деформируется. Части пружины стремятся сохранить прежнее расположение, и из-за этого внутри возникает сила упругости. Она действует всё время, пока пружина деформирована.

Сила упругости направлена против изменения: при растяжении она тянет пружину в сторону её укорочения, а при сжатии толкает части в сторону распрямления. Так пружина противодействует причине деформации. Силу, которой рука растягивает пружину, не следует называть силой упругости: это отдельное воздействие руки. Направление силы упругости можно проверить, наблюдая, куда движется пружина после того, как её отпустили.

После прекращения действия силы сравнивают форму тела с первоначальной. Если пружина вернулась к прежней длине, изменение было упругим, потому что она восстановила свою форму. Если она осталась растянутой или согнутой, деформация оказалась необратимой. Такого результата можно ожидать, если воздействие было слишком сильным и тело уже не может полностью восстановиться.

Для наблюдения измерьте или отметьте длину пружины до опыта, затем плавно измените её длину и отпустите. После этого снова сравните её с исходным состоянием. Возвращение к прежней длине показывает упругую деформацию и действие силы упругости. Если пружина не восстановилась, прекратите опыт: возможно, её растянули сверх допустимого.

Наблюдение деформации и возникновения силы упругости

Сначала найди в таблице действие, которое выполняли с телом, а затем сравни наблюдение с исходным состоянием. Направление силы упругости всегда сопоставляй с направлением изменения: она ему противодействует. Последний столбец помогает определить, восстановилась ли форма после опыта.

Разбор задач

Растянуть пружину рукой, отпустить её и описать, что произошло.

Условие. Пружину растянули рукой, а затем перестали тянуть. Нужно определить, что произошло с ней после отпускания и какой вывод сделать о деформации. До начала опыта запомните форму пружины или отметьте её длину.

1. Растяните пружину плавно и наблюдайте, как увеличивается её длина.
2. Отпустите пружину и сравните её форму с первоначальной. Если она стала прежней, значит, проявилась сила, направленная против растяжения.
3. Сделайте вывод: возврат к исходной форме означает упругую деформацию.

Ответ. Если после отпускания пружина вернулась к первоначальной длине, деформация была упругой. Сила упругости в пружине действовала против растяжения.

Подвесить к пружине небольшой груз, отметить её длину, снять груз и определить, восстановилась ли первоначальная длина.

Условие. К пружине подвешивают небольшой груз и отмечают длину пружины, пока груз действует. После снятия груза требуется выяснить, вернулась ли пружина к исходной длине. Измерение до и после нагрузки позволяет сравнить состояния, а не полагаться только на впечатление.

1. Измерьте длину пружины без груза и запишите результат.
2. Подвесьте небольшой груз, отметьте новую длину и наблюдайте растяжение. Груз действует на пружину, а в ней возникает сила упругости, направленная против растяжения.
3. Снимите груз и снова измерьте пружину. Сравните результат с начальной длиной, чтобы определить, восстановилась ли она.

Ответ. Если длина после снятия груза совпала с первоначальной, деформация была упругой. Если пружина осталась длиннее, её форма полностью не восстановилась.

Последовательно подвешивать к пружине несколько грузов, измерять её длину и объяснить, почему после снятия груза пружина может не вернуться к исходному размеру.

Условие. На пружину по очереди добавляют грузы, каждый раз измеряя её длину. Нужно проследить, при какой нагрузке пружина перестанет возвращаться к исходному размеру. Нагрузку увеличивают постепенно, не растягивая пружину резко.

1. Измерьте длину ненагруженной пружины и запишите её как исходную.
2. Подвешивайте грузы по одному и после каждого добавления измеряйте длину. Так можно увидеть, как растёт деформация при увеличении нагрузки.
3. Снимите грузы и снова сравните длину с исходной. Если прежняя длина не восстановилась, воздействие оказалось чрезмерным для упругого восстановления.

Ответ. При достаточно большой нагрузке пружина может сохранить часть растяжения: её деформация становится необратимой. Граница упругости показывает, до какой нагрузки пружина способна восстановить первоначальную форму.

Типичные ошибки

• Путать силу руки с силой упругости. Силой упругости называют силу внутри деформированной пружины, а не силу руки, которая её растягивает. Ошибка возникает, потому что обе силы участвуют в одном опыте. Проверьте себя: спросите, какое тело создаёт силу и на какое тело она действует.
• Считать, что сила упругости направлена туда же, куда растягивают пружину. Тогда непонятно, почему отпущенная пружина движется обратно. Такое представление появляется, если следить только за движением руки. Проверьте направление по тому, куда пружина стремится вернуться: сила упругости противодействует деформации.
• Делать вывод без сравнения длины до опыта и после снятия нагрузки. Одного наблюдения во время растяжения недостаточно, чтобы понять, восстановится ли пружина. Можно ошибочно принять временное изменение за необратимое. Запишите или отметьте исходную длину и сравните с ней результат после опыта.
• Слишком сильно или резко растягивать пружину. Так можно повредить её или получить травму, если пружина резко отпустится. Ошибка возникает из-за желания заметнее увидеть изменение. Проверяйте себя: увеличивайте нагрузку осторожно, не направляйте пружину к лицу и остановитесь, если она не возвращается к исходной форме.

Связь с другими темами

Для этого опыта нужно знать, что сила может менять движение, форму и размеры тела, а также уметь сравнивать его состояния до и после воздействия. Наблюдение пригодится при изучении веса и измерения силы: динамометр использует растяжение пружины. Пружины, амортизаторы и упругие материалы тоже изменяются под нагрузкой и стремятся восстановить форму. Работа с пружиной связана с безопасностью: её нельзя резко растягивать или направлять в сторону лица.

Что запомнить

• Деформация — это изменение формы или размеров тела.
• При деформации тела возникает сила упругости.
• Сила упругости направлена против деформации.
• При упругой деформации тело восстанавливает первоначальную форму.
• Пружина может растягиваться и сжиматься.
• Динамометр использует упругую деформацию пружины для измерения силы.