PHYS 1405 – Conceptual Physics I
Laboratory# 2
Hooke’sLaw
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Investigation:
測定するもの。 バネが伸びる距離、バネが感じる力
測定器。 メータースティック、力センサー、2つの未知のスプリング
計算。 バネ定数
はじめに
このユニットの最初の部分では、力について説明し、親しんでいきます。 簡単に言えば、力とは押したり引いたりすることです。 触れる力（接触力）もあれば、触れなくてもよい力（距離力）もあります。 今回の実験では、バネにかかる力とバネによってもたらされる力を調べます。 この力を最初に調べたのはイギリスの物理学者ロバート・フックで、彼が「弾性力」と呼んでいたものを「フックの法則」と呼んでいます。
FSpring= -kx
この式の中で、Fは何かの力によってもたらされる力です。 Fは、何かがバネを伸ばしたり圧縮したりすることで発揮される力、xは、バネが「静止」位置から伸びたり縮んだりする距離です。 kはスプリングコンスタント（springconstant）を表し、スプリングの「硬さ」を示す数値である。 kの値が大きければ、ある長さまで伸ばすのに必要な力が、それほど硬くないバネを同じ長さまで伸ばすのに必要な力よりも大きいことを意味します。
力がベクトル量であるため、負の記号が式に入っています。 この負の符号は、弾性力の方向が常に伸張運動の方向と反対であることを示しています。 つまり、バネを下に伸ばせば、バネは上に引っ張られますよね。 つまり、バネを下に伸ばすと、バネが上に引っ張られる感じがしますが、バネを伸ばして固定するには、バネと同じ力を逆方向に加えなければなりません。 つまり、バネ定数kを持つバネを距離xだけ伸ばして、そこに平衡状態で保持するには で与えられる大きさの一定の力を加えなければなりません
FApplied= +kx
あなたがかけているこの力は、バネがかけている反対の力と正確に釣り合います。 平衡状態になるようにします。 この実験では、この事実を利用して、2つのばねのばね定数の値を求めます。
第1部：一般的な性質
今回の実験では、緑と青に色分けされた2つのバネを用意しています。 緑のバネは、すでにメータースティックの横にぶら下がっているはずです。 このバネは、コンピューターに接続されている力センサーと呼ばれる装置にぶら下がっています。 このセンサーは、スプリングが感じている力の大きさ（ニュートンで測定）を正確にコンピューターに伝えます。
実験のこの部分では、センサーを使用しません。 それぞれのバネを少しだけ引っ張ってみてください（どちらも限界まで引っ張らないでください！）。
Question 1: どちらのバネが伸びにくいですか？
Question 2: バネを引っ張り出して持ってみると、バネによってあなたに力がかかっているのを感じるはずです。 その力は、あなたがかけている力と比べてどうでしょうか？
Question 3: ばねを手放すと、どうなりますか。 その理由を、力の観点から説明してください。
PART 2: 緑色のバネ
最初にしなければならないことは、力センサーを較正して、私たちがバネに加えている力だけを読み取り、他の力は読み取らないようにすることです。 フォースセンサーから緑色のバネをメータースティックの横に吊るします。 バネはまだ伸ばさないでください。 コンピュータの画面で「Collect」ボタンを押して、センサーに短時間のデータを記録させます。
Question 4: 伸ばされていないバネが感じる力の大きさはどのくらいですか？ この力はどこから来るのでしょうか？
この研究室では、あなたがバネにかける力にのみ関心があるので、この伸びない力が何であるかを調べることは重要です。 今、あなたがバネを引っ張ったら、力センサーは、あなたがかけた力と、伸びていないバネが感じる力の両方を記録します。 この余分な力をなくすには、力センサーにバネを取り付けた状態で、力センサーをゼロにします。 フォースセンサーにバネをぶら下げた状態で、「Collect」ボタンの隣にある「Zero」ボタンをクリックします。 再び「Collect」ボタンを押すと、センサーは0.000に近い値を示します。
フォースセンサーをゼロにしたら、「Collect」ボタンをクリックし、スプリングを徐々に伸ばします。
質問5：力は伸ばした距離によってどのように変化しますか？
さて、今度はバネを「残りの長さ」から10cmまで伸ばしてみましょう。 収集ボタンをクリックして、数秒分のデータを収集します。 ここで重要なのは、スプリングの端を常に安定させておくことです。 画面右のデータテーブルに力の値が表示されます。 5つの値を平均して、バネにかかった力を求めます。
20cm、30cm、40cm、50cmと観察を繰り返してください。 スプリングコンスタントの到達時間を計算します。 6つのバネ定数の値をすべて平均します。 伸びた距離(x in cm)、平均力(F in N)、バネ定数(in N/cm)のデータ表を作成してください。
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距離(cm) |
力(N) (N) |
k (N / cm) |
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10 |
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20 |
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30 |
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40 |
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50 |
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Average = |
PART 3: 青色のスプリング
フォースセンサーから緑色のスプリングを取り外し、青色のスプリングと交換します。 青色のバネを吊るした状態でセンサーをゼロにします。 10cm、20cm、30cm、40cm、50cmと伸ばしたときの力を測定します。 すべての試験のばね定数値を求め、次に平均ばね定数を求めます。
Question 6: どのスプリングがより硬かったのか？ どのスプリングが実際に高いスプリングコンスタントを持っていましたか？
第4部：グラフ
実験レポートを完成させるために、春ごとに2つのグラフを作成します。 それぞれのグラフで、X軸は伸びた距離、Y軸はバネが感じた力になります。 それぞれのグラフにデータポイントをできるだけ多くプロットしてください。 すべてのデータポイントを結ぶ最適な線を描きます。 各線の傾き（上昇／下降）を計算します。