Fizikai Szemle honlap |
Fizikai Szemle /1953. 124.o.
A szabadesés és rezgőmozgás tanítása mindig gondot okoz a középiskolai tanárnak. A gondot a rövid időközök mérése jelenti, pedig enélkül a két mozgás finomabb részletei nem ismerhetők fel és a tanulók nem is tanulmányozhatják. A régebbi kísérletek közül a szokásos ejtőgépek didaktikai szempontból neon kielégítők és emiatt a g meghatározására szolgáló eljárásoknál kísérletileg nem kellő megalapozás után, mintegy előre kellett bocsátanunk, hogy a mozgás egyenletesen gyorsuló. A rezgőmozgásnál pedig a mozgás részleteinek vizsgálata csak az egyenletes körmozgással kapcsolatos analógia révén pusztán matematikai úton történik.
A szabadesés megfigyelésénél Vermes Miklós az időmérésre a váltóáram periódusait használja és az időjeleket szabadon eső fényképező lemezen rögzíti.1
Legújabban Jan Groeneveld az ú. n. porábrákat alkalmazta a szabadesés úttörvényének vizsgálatára.2 Ennél a módszernél is a váltakozó áramot használjuk időmérésre, azonban a mozgás finomabb részleteinek megfigyelése csak nehézkesen oldható meg.
1.
Az itt közölt kísérletnél is a váltakozó áramot használjuk időmérésre, azonban az időjelek rögzítése káliumjodidos keményítőoldat ismert elektrokémiai színeződésének segítségével történik. Ez az eljárás egyesíti az említett két módszer előnyeit (a Vermes-féle módszer finom részletezését és a Groeneveld-féle módszer azonnali kiértékelhetőségét) és emellett kényelmesen kezelhető. Az időjelek keletkezésének szükséges mértékű magyarázatát a tanulóknak megadjuk.
A módszer megvalósításához tervezett és házilag készített készülékben (1. ábra) a szabadon eső, kb. 2 kg tömegű, súlyos test (ólommal kiöntött vascső vagy tömör vashenger) (1) vezető drótok (2) mentén mintegy 30 cm hosszú útszakaszon esik. Esése közben csúszó érintkezője (3) súrolja a deszkalapra szögelt ónozott bádoglemezre tapadó, néhány pillanatig káliumjodidos keményítőoldatba mártott, 5 × 30 cm méretű írópapírból kivágott mérőlapot (4). Az áramkör kapcsolási rajza az ábra szerinti. A vezetődrót végén homokkal töltött láda van az eső test felfogására (2. ábra).
|
|
Az eső testet cérnával indulási helyére rögzítjük. K kapcsoló lenyomásával zárjuk az áramkört és a cérna elégetésével megindítjuk a mozgást. Az időjelek az esés ideje alatt közvetlenül előtűnnek és a mérés kiértékelhető. A mérőlap tartója vízszintes irányban elmozdítható, s így
| I. Táblázat | ||
| t sec |
mért s értékek cm |
g = 981 cm · sec-2-vel
számított s értékek cm |
| 0,02 | 0,2 | 0,196 |
| 0,04 | 0,9 | 0,785 |
| 0,06 | 1,85 | 1,765 |
| 0,08 | 3,25 | 3,139 |
| 0,10 | 4,95 | 4,905 |
| 0,12 | 7,1 | 7,063 |
| 0,14 | 9,55 | 9,614 |
| 0,16 | 12,4 | 12,557 |
| 0,18 | 15,5 | 15,892 |
| 0,20 | 19,5 | 19,620 |
egymás mellé 4-5 esés képe is rögzíthető. Ezáltal a kezdeti fázisbizonytalanságot könnyen kiküszöbölhetjük és egyúttal középértékszámítást is végezhetünk (3/a ábra). Példaképpen közöljük az ábrán látható egyik mérés eredményeit.
A mérés adataiból:
jól használható mérő-kísérleti eredmény.
2.
A rezgőmozgás tanulmányozása céljából a testet megfelelő erősségű rúgóra függesztjük és cérna elégetésével a felső fordulópontból indítjuk a mozgást (4. ábra). A kapcsológombbal addig tartjuk zárva az áramkört, amíg a test alsó fordulópontjához nem jut. A másik félrezgést - hogy a jelek ne zavarják egymást - külön lehet rögzíteni. Felülről lefelé történő félrezgés képe látható a 3/b ábrán. Az időjelsorozat középpontja a rezgő test nyugalmi helyzete. Az ábra egyik mérésének eredményeit a táblázat közli.
II. Táblázat | ||
| mért elongáció | x = A sin α alapján számított elongáció (A=11,1 cm) |
mért elongáció |
| 11,1 | A = x1 = 11,1 | -10,7 |
| 10,9 | x2 = 10,96 | - 10,5 |
| 10,6 | x3 = 10,56 | - 10,2 |
| 10 | x4 = 9,89 | - 9,6 |
| 9,1 | x5 = 8,98 | - 8,7 |
| 8 | x6 = 7,85 | - 7,7 |
| 6,7 | x7 = 6,52 | - 6,4 |
| 5,2 | x8 = 5,04 | - 5 |
| 3,65 | x9 = 3,43 | - 3,4 |
| 1,9 | x10 = 1,74 | - 1,6 |
Az egyes útszakaszokból számított középsebesség értékek a matematikai tárgyaláshoz jó kísérleti alátámasztást nyújtanak.
3.
A szükséges oldatot a következőképpen készítjük el: forrásban lévő kb. 100 cm3 vízbe öntjük az előzőleg hideg vízben jól elkevert mintegy késhegynyi mennyiségű burgonyakeményítőt és további forralás nélkül néhány percig keverjük. Kémcsőben feloldott 1/4 késhegynyi káliumjodidot a keményítőhöz öntve, használatra kész a napokig eltartható oldat. A burgonyakeményítőt hámozott, reszelt burgonyából szintén magunk készíthetjük.
A jelek rövidebbé tételére sikerrel alkalmaztuk az előtétizzó helyére kapcsolt ködfénylámpát, azonban a kellő áramerősség biztosítása miatt legalább négy darabot kellett párhuzamosan kapcsolni.
Mindhét mérés adatainak a tanításban való felhasználása többféleképpen történhetik, ez didaktikai kérdés. Más irányú didaktikai kérdés azonban a módszerrel kapcsolatban az a felhozható ellenvetés, hogy felhasznál később tárgyalásra kerülő jelenségeket. Azt hisszük, a közölt módszer e tekintetben a hivatkozottaknál semmivel sem támaszt nagyobb követelményeket és hasonló engedményeket a fizika módszeres felépítése során nemcsak az első órákon bemutatásra kerülő kísérleteknél, hanem - sajnos - jóval később is kell tennünk. Másrészről a leírt módszer előnyösnek látszik, mert könnyen elkészíthető eszközökkel, olcsó anyagokkal minden különleges előkészítés (pl. elsötétítés, előhívás) nélkül megvalósítható. Ha a mérőlapot melléhelyezett milliméterskálával kivetítjük, a kiértékelést kényelmesen végezheti együtt az egész osztály.
Felhasználtuk a módszert az ingamozgás, a lejtőn történő egyenletesen gyorsuló mozgás és a dinamika II. alaptörvényének vizsgálatánál is, jó sikerrel. A lejtőn történő egyenletesen gyorsuló mozgás vizsgálatára időközben azonos elven felépülő kísérlet jelent meg a Fizikai kísérletek gyűjteménye I. c. könyv 6.-7, oldalain.
Az eszközök elkészítésében, a kísérletek elvégzésében és a módszer rezgőmozgásra való átültetésében nagy segítségemre voltak Kollár Mihály és Magony László I. éves fizika-matematika szakos hallgatók.
Makai Lajos
Kísérleti Fizikai Intézet, Szeged
__________________