С помощью какого маятника можно осуществить разведку полезных ископаемых

^ II. Изучение нового материала.

Фаза колебаний φ – физическая величина, стоящая под знаком косинуса или синуса, описываемая этой функцией. От греческого слова phasis – появление, ступень развития какого – либо явления.

Выражается фаза в угловых единицах – радианах. Фаза определяет значение координаты, скорости, ускорения, изменяющихся также по гармоническому закону. Фаза определяет при заданной амплитуде состояния колебательной системы в любой момент времени.

Время в долях период/а Фаза в радианах

Фаза — это величина, которая характеризует состояние колеблющегося тела в некоторый момент времени — его положение и направление движения.

где x_m– амплитуда, φ — начальная фаза колебаний в начальный момент времени (t =0), определяет положение колеблющейся точки в начальный момент времени.

3. Сдвиг фаз. Способы определения разности фаз ( графический и алгебраический ).(Слайд 3).

Разность фаз, или, как часто говорят, сдвиг фаз, этих колебаний составляет π /2. На слайде 3 показаны графики зависимости координат от времени для двух гармонических колебаний, сдвинутых по фазе на π /2. График 1 соответствует колебаниям, совершающимся по синусоидальному закону: x = x_msinωt, а график 2 – колебаниям, совершающимся по закону косинуса x = x_msin(ωt + π /2) = x_mcosωt.

Для определения разности фаз двух колебаний надо в обоих случаях колеблющуюся величину выразить через одну и ту же тригонометрическую функцию – косинус или синус.

1. Закрепление знаний, умений, навыков.
   1. Фаза колебания равна π /2 ( 25π ). Охарактеризуйте колебательный процесс при этих значениях.
   2. Определите смещение точки в гармоническом колебании спустя 0.25 периода после начала колебаний. Начальная фаза колебаний равна π /2.

Домашнее задание: § 23, вопросы.

Тема: Строение и свойства кристаллических и аморфных тел. (10 класс).

Цель урока: Рассмотреть особенности строения и свойства кристаллических и аморфных тел.

1. Набор кристаллических тел.
2. Набор моделей кристаллических решеток.
3. Применение интерактивной доски.
4. Слайд – шоу.

^ I. Изучение нового материала.

1. Твердые тела.
2. Свойства твердых тел.
3. Кристаллические тела.
4. Анизотропия кристаллов.
5. Монокристаллы и поликристаллы.
6. Свойства кристаллов.
7. Аморфные тела.
8. Свойства аморфных тел.
9. Применение кристаллов.

Твердые тела – это тела, находящиеся преимущественно в кристаллическом состоянии.

Большинство окружающих нас тел – вещества в твердом состоянии. Специальная область физики занимается изучением строения и свойств твердых тел. “Физика твердого тела”- эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы.

Вещества называют твердыми, если они сохраняют свою форму и объем, т. е. внешние признаки.

Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Однако правильная внешняя форма не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. ( От греческих слов «анизос» — неравный, «тропос» — направление ).(Слайд 2-6)

Одиночные кристаллы тела состоящие из большого числа

(кварц, алмаз ). маленьких кристалликов (металлы, сахар).

1. Температура плавления const.
2. Каждое вещество имеет свою температуру плавления. (Слайд 7).

Анизотропия – зависимость физических свойств от направления внутри кристалла.

Изотропия – одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Аморфные тела (от греческого «морфе» — форма и частица «а», имеющий смысл отрицания ) занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. (Слайд 8-11)

1 .Не имеют постоянной температуры плавления.

2 .Не имеют кристаллического строения.

5. Имеют только «ближний порядок» в расположении частиц.

6. Способны переходить в кристаллическое и жидкое состояние.

Главный признак аморфного (от греческого «аморфос» — бесформенный) состояние вещества — отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.

При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.

В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.

Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.

Аморфные тела изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.

5. молекулярные. (Слайд 12,13)

Свойства твердого вещества зависят не только от того, какой у них тип кристаллической решетки. Вещества, сходные по типу элементарных кристаллических ячеек, могут иметь разный характер. Блестящий серебристо-белый титан, к примеру, может кристаллизоваться в гексагональной структуре, напоминающей черно-серый графит, и в объемно-центрированной, как и розоватый натрий.

Большую роль играет также тип связи между компонентами, составляющими тот или иной кристалл, а также особенности структуры их атомов. Силы взаимодействия между частицами в решетках влияют на физико-химические свойства твердого тела. По характеру взаимодействия между частицами в решетках кристаллические вещества можно разделить на несколько групп.

^ Атомные кристаллы . В узлах решеток — нейтральные атомы элементов, связанные за счет обобществления валентных электронов (например, алмаз).

Металлические кристаллы. В узлах решетки — ионы одного и того металла, связанные между собой за счет полусвободных электронов, находящихся в общей для всех ионов зоне проводимости.

^ Ионные кристаллы . В узлах решеток расположены разноименно заряженные ионы, электростатическое притяжение которых определяет характер твердого тела (например, КС1, NaCI).

^ Полупроводниковые кристаллы . По характеру связи занимают промежуточное положение между атомными и ионными (например, Сu₂O).

Молекулярные кристаллы. В узлах решеток — нейтральные молекулы, образующие решетку за счет сил межмолекулярного взаимодействия (например, металлический галлий или твердый СО₂).

Цветом обладают, однако, не только кристаллические вещества. Жидкости и газы извлекают лучи из посылаемого на них света и сигнализируют окраской о своем присутствии. Так, например, проводится анализ состава атмосферы далеких планет. Чтобы понять различия в возникновении цвета металлов, неметаллов и других неорганических веществ, надо уяснить разницу в состоянии электронов в атомах и молекулах, составляющих эти вещества.

^ II. Применение кристаллов (Слайд 14-18)

1. Алмаз. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.

Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты.

2. Рубин. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

3. ^ Жидкие кристаллы . Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа)

Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, «загораются» те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.

Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

4. Полупроводники. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.

Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.

Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего в несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.

5. ^ Полупроводники в микроэлектронике . Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5 5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10 –6 м.

В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10 –9 –10 –10 м. Для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до –269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации».

6. ^ Вольфрам и молибден . На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.

При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

7. Кварц. Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы – это горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.

Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике – в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и т.д. С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.

1. Закрепление знаний, умений, навыков.

1. Два кубика – один из оконного стекла, другой из монокристалла кварца – опущены в горячую воду. Сохранят ли они свою форму?
2. Как исходя из кристаллической структуры твердых тел (например на модели пространственной решетки хлористого натрия) объяснить свойство анизотропии?

МУ «Управление образования Администрации города Бийска»

МОУ «Гимназия №2» г. Бийска Алтайского края

Самообобщение опыта работы по теме:

«ИКТ, как средство повышения уровня мотивации в изучении

Алексеенко Нина Владимировна

1 квалификационной категории

План:

1. Вступление
2. Технология опыта.
3. Результативность.
4. Условия и возможности применения данного опыта.
5. Приложения.
6. Литература.

ИКТ, как средство повышения уровня мотивации в изучении физики

Автор опыта Алексеенко Нина Владимировна, учитель физики, образование высшее, стаж работы 24 года, учитель первой квалификационной категории.

Обобщение опыта проводится на базе МОУ «Гимназия №2» г. Бийска Алтайского края.

Компьютерные технологии обучения лежат на стыке наук, и они должны применяться, с учетом современных представлений о мышлении в философии, психологии, физиологии, логике, физике и информатике.

Обучение на основе КТ создает условия для эффективного проявления фундаментальных закономерностей мышления, оптимизирует познавательный процесс. Фактором, позволяющим это сделать, является визуализация основных математических и физических понятий, процессов и явлений при помощи компьютера.

Информационные (компьютерные) технологии, являясь современным средством обучения, открывают поистине необозримые возможности для решения широкого круга задач.

Можно придумать много различных способов использования КТ: компьютерные демонстрации, лабораторно – компьютерные практикумы, интегрированные курсы, компьютерное моделирование физических процессов, компьютерное тестирование и т.д. Используя КТ на занятии, в каждом конкретном случае, приходится решать проблему уместности применения компьютера и соотношения компьютерных и реальных экспериментов. Использование КТ позволяет проводить очень интересные и познавательные уроки, освобождает от рутинной работы в подготовке к самостоятельным работам, тестам. Эти уроки ребятам нравятся, они с удовольствием подбирают материал, участвуют в подготовке к презентациям. Материал подготовленный самостоятельно, и запоминается лучше. Мне как учителю физики ИКТ помогает смоделировать те процессы, которые не видны для человеческого глаза и которые невозможно показать физическим экспериментом (использование виртуальных лабораторных работ). Сегодня современный урок без ИКТ – это шаг назад. ИКТ – одно из условий повышения мотивации к своему предмету.

В нашей школе созданы условия для эффективного применения информационных компьютерных технологий на разных предметах: КТ установлены в кабинетах физики, биологии, математики, литературы, в начальной школе, в библиотеке, есть локальная сеть и выделенная линия подключения к Интернету.

Чтобы воспользоваться этой материальной базой пришлось самой сесть за парту. Ликвидировала пробелы в знаниях на курсах АКИПКРО: «Деятельность учителя физики в условиях модернизации системы образования» февраль-ноябрь 2006 года, «Использование информационных технологий на уроках физики» осенью 2008 г. «Новые подходы в обучении физике на современном этапе» 2009г. Курсы не только помогли освоить ИКТ, познакомиться с медиаресурсами, но и понять место компьютера на уроке. Запомнились слова одного из преподавателей ИПК РО (делал анализ проекта урока): «Вы подготовили урок с использованием информационных технологий, а если в школе погаснет свет, что вы будете делать?» и «Зачем Вам ПК? Ту же информацию проще было написать на доске».

Составляя планы уроков, всегда стараюсь предусмотреть различные варианты работы. Работа с компьютером – один из вариантов, активизирующий процесс усвоения знаний, усиливающий мотивацию обучения. Поэтому, наряду с традиционными методами изучения физики (начиная с 2003г), на уроках практически постоянно используется персональный компьютер, проектор «Panasonic», медиаресурсы: «Открытая физика», «Office 2000 — физика», «Медиатека по физике».

Уровень обученности по физике.

(%)

2006-2007 7 — — 8 45 100 2007-2008 7 100 100 8 — — 2008-2009 7А 52,38 100 8А 82,76 100 2008-2009 7Б 40 100 8Б 16,67 100

емость
(%)

2006-2007 9 64 100 10 93 100 11 86 100 2007-2008 9 55,6 100 10 75 100 11 100 100 2008-2009 9А 28,57 100 10 50 100 11А 72,73 100 2008-2009 — — — — — — 11Б 21,74 100

Как видно из таблицы успеваемость составляет 100%. Качество знаний стабильно высокое в 7А, 8А, 11А классах. Наблюдаются некоторые изменения в процентном соотношении в качестве знаний. Это происходит из- за движения количества учеников в классе. Выбытие например одного ученика влечет уменьшение качества знаний на 5-6%. Мои ученики активно принимают участие в заочно физических олимпиадах г. Обнинск, г. Барнаул.

Сборная команда из старшеклассников принимала участие в телекоммуникационном образовательном «Интернет- проекте по физике» (г. Ярославль 2008г. ) Команда получила сертификат. Активное участие ребята приняли в Открытых городских Королевских чтениях- 2009. Большая работа была проведена при подготовке докладов, рефератов, презентаций. Ими были получены дипломы, сертификаты, подарки. 2008-2009 ученик 7А класса Жданов А. в городской олимпиаде по физике занял 1 место.

^ 4. Условия и возможности применения данного опыта.

1. Перышкин А. В. Физика. 7кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 4-е изд., испр. – М.: Дрофа, 2001. – 192с.: ил.

2. Перышкин А. В. Физика. 8кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002. – 192с.: ил.

3. Мякишев Г. Я. Физика: учеб. для 10кл. общеобразоват. учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. – 16-е изд. – М. : Просвящение, 2007. – 366с.: ил.

4. Мякишев Г. Я. Физика: учеб. для 11кл. общеобразоват. учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. – 15-е изд. – М.: Просвящение, 2006. – 381с., (2) л. ил.

5. Дъячук П. П., Лариков Е. В. Применение компьютерных технологий обучения в средней школе. Красноярск: Изд-во КГПУ, 1996г. с. 167.

6. Варламов С. Д., Эминов П. А., Сурков В. А. Использование Microsoft Office в школе. Учебно- методическое пособие для учителей. Физика. М: ИМА — пресс. 2003г. – 112с. ил.

7. Мастропас З. П., Синдеев Ю. Г. Физика: Методика и практика преподавания./ Серия «Книга для учителя». – Ростов н /Д: Феникс, 2002г. -288с.

источник

Экспериментально установлено, что ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела, но зависит от географической широты местности и высота h подъема над земной поверхностью. При этом зависимость g от двоякая. Во-первых, Земля – не шар, а эллипсоид вращения, то есть радиус Земли на полюсе меньше радиуса Земли на экваторе. Поэтому сила тяжести и вызываемое ею ускорение свободного падения на полюсе больше, чем на экваторе (g = 9,832 м/с 2 на полюсе и g = 9, 780 м/с 2 на экваторе).

Во-вторых, Земля вращается вокруг своей оси и это влияет на ускорение свободного падения, приводя к его зависимости от географической широты местности. Установлено, что на географической широте 45 0 у поверхности Земли ускорение свободного падения равно 9,80665 м/с 2 (округленно 9,81 м/с 2 ). Для расчетов, не требующих большой точности, значение ускорения свободного падения во всех точках поверхности Земли принято считать одинаковым и равным 9,8 м/с 2 .

Земля не является однородным шаром. там, где плотность земного вещества больше, больше сила притяжения и больше ускорение свободного падения.Точные измерения ускорения свободного падения можно использовать для поиска залежей полезных ископаемых, например, железных руд. Геофизика – комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озер, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).

При выполнении данной работы измеряется ускорения свободного падения с помощью математического маятника. Математический маятник может быть осуществлен в виде тяжелого груза, достаточно малых размеров, подвешенный на нити. Колебания – движения, обладающие той или иной степенью повторяемости.

Наблюдения над периодом качаний некоторого эталонного маятника позволяют изучить распределение ускорения свободного падения по широте. Метод этот настолько точен, что с его помощью можно обнаружить и более тонкие различия в значении g на земной поверхности. Оказывается, что даже на одной параллели значение g в разных точках земной поверхности различно. Эти аномалии в распределении ускорения свободного падения связаны с неравномерной плотностью земной коры. Они используются для изучения распределения плотности, в частности для обнаружения залегания в толще земной коры каких-либо полезных ископаемых. Обширные гравиметрические измерения, позволившие судить о залегании плотных масс, были выполнены в СССР в области так называемой Курской магнитной аномалии под руководством советского физика Петра Петровича Лазарева. В соединении с данными об аномалии земного магнитного поля эти гравиметрические данные позволили установить распределение залегания железных масс, обуславливающих Курскую магнитную и гравитационную аномалии.

Целью данной работы является определение аномалии силы тяжести (ускорения свободного падения) в данной местности (г. Казань, Советский район).

1. Методы геофизической разведки

Геофизическая разведка – исследование земных недр физическими методами. Геофизическая разведка проводится прежде всего при поисках нефти и газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод. Она отличается от геологической разведки тем, что вся информация о поисковых объектах извлекается в результате интерпретации инструментальных измерений, а не путем непосредственных наблюдений. Геофизические методы основаны на изучении физических свойств пород. Они используются либо для выявления месторождений полезных ископаемых, либо для картографирования таких геологических структур, как соляные купола и антиклинали (где аккумулируется нефть), а также для картографирования рельефа дна океана, структуры океанической и континентальной земной коры, определения генезиса и мощности рыхлых отложений и коренных пород, толщины ледниковых покровов и плавающих в океанах льдов, при археологических исследованиях и т.п. Геофизические методы делятся на две категории. К первой относятся методы измерения естественных земных полей – гравитационного , магнитного и электрического, ко второй – искусственно создаваемых полей. Гравиметрические методы дают наилучшие результаты, когда физические свойства исследуемых и картографируемых пород существенно отличаются от свойств граничащих с ними пород. Гравиметрические исследования всех типов включают сбор первичного материала в полевых условия, обработку и геологическую интерпретацию полученных данных. На всех этапах применяются компьютеры. Зарождение геофизических методов разведки связано с началом использования магнитных компасов для поиска железных руд и электрических измерений для выявления сульфидных руд. Применение геофизических методов расширилось в 1920-х годах, когда гравиметрические методы и сейсмические методы исследования доказали свою эффективность в обнаружении соляных куполов и связанных с ними нефтяных залежей на побережье Мексиканского залива в США и Мексике.

Гравиразведкой или гравиметрией называется геофизический метод, изучающий изменение ускорения свободного падения в связи с изменением плотности геологических тел. Гравиразведка активно применяется при региональном исследовании земной коры и верхней мантии, выявлении глубинных тектонических нарушений, поиске полезных ископаемых – преимущественно рудных, выделении алмазоносных трубок взрыва. Высокоточные гравиметрические измерения используются для определения рельефа местности, так как с увеличением превышений растет мощность осадочных пород над уровнем моря. Гравиразведка позволяет определять литологии магматических пород, поскольку с ростом величины ускорения свободного падения возрастает и концентрация плотных железистых соединений.

Для проведения гравиразведки применяют гравиметры, чувствительные приборы, измеряющие ускорение свободного падения. Единицей измерения этой величины является Гал или более употребительный мГал . Крупные геологические тела характеризуются аномалиями в десятки и даже сотни мГал . В отечественной практике наиболее широко применяются кварцевые гравиметры ГНУ-КС и ГНУ-КВ.

Гравиметрия – наука о силе тяжести во всех ее проявлениях. Первоначально гравиметрия занималась только измерением напряженности силового гравитационного поля Земли, которая численно равна ускорению свободно падающего тела. Но постепенно границы науки расширялись, и сейчас к гравиметрии относят не только изучение самой силы тяжести и ее количественное измерение, но и различные проявления ее в истории и развитии Земли.

Под действием силы тяжести сложилась фигура Земли. Вследствие всемирного тяготения, закон которого сформулировал И. Ньютон, все тела притягиваются обратно пропорционально квадрату расстояния. Если бы на вещество Солнца, Земли, Луны, планет и других небесных тел не действовали никакие силы, кроме внутренних сил тяготения, все эти тела имели бы строго сферическую форму. Но поскольку небесные тела вращаются, на вещество действует также центробежная сила. Под ее воздействием происходит перетекание вещества от полюсов к экватору, причем это продолжается до тех пор, пока не уравновесятся боковые, тангенциальные составляющие сил и жидкость на поверхности не окажется в равновесии. Так, любое небесное тело, в том числе и наша Земля, оказывается несколько сплюснутым. Поверхность равновесия такого тела всюду перпендикулярна направлению силы тяжести и называется уровенной поверхностью. Если бы Земля была однородна, то уровенная поверхность имела бы форму эллипсоида вращения. Реальная же Земля неоднородна, что вызывает отклонения уровенной поверхности от формы правильного эллипсоида. Уровенная поверхность реальной Земли, совпадающая с уровнем воды в океане, получила название геоид . Геоид может отклоняться от общего земного эллипсоида до ± 100 м .

Гравиметрия разрабатывает метод определения сжатия земного эллипсоида, высот геоида над эллипсоидом, то есть позволяет изучить фигуру Земли. Отклонение реальной силы тяжести, измеренной на геоиде, от той, которая была бы, если Земля была правильным эллипсоидом, называется аномалией силы тяжести. Аномалии, как и сама сила тяжести, тесно связана с распределением в Земле масс, и, прежде всего, в ее коре. Изучая аномалии, можно судить о распределении масс, а значит о полезных ископаемых, которые часто имеют резко отличные от окружающих пород плотности. Поэтому гравиметрия нашла широкое применение при разведке полезных ископаемых, в особенности нефти и газа.

Гравитационное поле Земли в настоящее время изучают также методом космической геодезии по наблюдениям возмущений движения искусственных спутников Земли.

Ускорение силы тяжести измеряют с помощью специальных приборов – гравиметров – очень точных пружинных весов. Один и тот же груз взвешивают на исходном и определяемом пунктах, то есть в полях разной напряженности. Такой метод называется относительным. Другой метод основан на непосредственном наблюдении свободного падения тела и вычислении ускорения силы тяжести. Такой способ измерения ускорения силы тяжести является абсолютным. Этим способом Галилео Галилей впервые измерил силу тяжести

Гравиметрия (от латинского gravis – тяжелый и … metrio – измеряю) – раздел науки об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли , и об использовании их для определении фигуры Земли, изучения ее общего внутреннего строения, геологического строения ее верхних частей, решения некоторых задач навигации и др. В перспективе перед гравиметрией стоит задача изучения Луны и планет по их гравитационному полю. В гравиметрии гравитационное поле Земли задается обычно полем силы тяжести (или численно равного ей ускорения свободного падения ), которая является результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением. Изучение гравитационного поля Земли доставляет ценный материал для суждений о ее фигуре и внутреннем строении, в частности для разведки полезных ископаемых .

Определения силы тяжести производятся относительным методом, путем измерения при помощи гравиметров и маятниковых приборов разности силы тяжести в изучаемых и опорных пунктах. Сеть же опорных гравиметрических пунктов на всей Земле связана в конечном итоге с пунктом в Потсдаме (Германия), где оборотными маятниками в начале ХХ века было определено абсолютное значение ускорения силы тяжести (981 274 мГл ; 9,81274 м/с 2 ). Абсолютные определения силы тяжести сопряжены со значительными трудностями, их точность ниже относительных измерений. Новые абсолютные измерения, производимые более чем в 10 пунктах Земли, показывают, что приведенное значение ускорения силы тяжести в Потсдаме превышено, по-видимому, на 13-14 мГл . После завершения этих работ будет осуществлен переход на новую гравиметрическую систему. Однако во многих задачах гравиметрии эта ошибка не имеет существенного значения, так как для их решения используются не сами абсолютные величины, а их разности. Наиболее точно абсолютное значение силы тяжести определяется из опытов со свободным падением тел в вакуумной камере. Успеху опытов способствует прогресс в технике измерений времени и расстояний.

Относительные определения силы тяжести производятся маятниковыми приборами с точностью до нескольких сотых долей мГл . Гравиметры обеспечивают несколько большую точность измерений, чем маятниковые приборы, портативны и просты в обращении. Существует специальная гравиметрическая аппаратура для измерений силы тяжести с движущихся объектов (подводных и надводных кораблей, самолетов). В приборах осуществляется непрерывная запись изменения ускорения силы тяжести по пути корабля или самолета. Такие измерения связаны с трудностью исключения из показаний приборов влияние возмущающих ускорений и наклонов основания прибора, вызываемого качкой. Имеются специальные гравиметры для измерений на дне мелководных бассейнов, в буровых скважинах.

Гравиметрические измерения используются для изучения неоднородностей плотности в верхних частях Земли с геологоразведочными целями. На основании анализа аномалий силы тяжести делаются качественные заключения о положении масс, вызывающих аномалии, а при благоприятных условиях проводятся количественные расчеты. Гравитационный метод позволяет более рационально направить бурение и геологоразведочные работы. Он помогает исследовать горизонты земной коры и верхней мантии, недоступные бурению и обычным геологическим наблюдениям.

Маятниковые методы определения ускорения свободного падения основаны на измерении периода колебания маятника. Формула для расчета полупериода, то есть времени Т , необходимого для прохождения маятником от одного крайнего положения до другого, имеет вид:

где l – длина маятника, – угол отклонения.

Измерив Т, l и , можно рассчитать g . При малых . Сложность и громоздкость абсолютных определений g заключается в том, что период колебаний необходимо измерять с погрешностью до 10 -7 с , а длину маятника с погрешность до 0,001 мм . Абсолютные измерения обычно проводят лишь на обсерваториях и некоторых опорных пунктах высшего класса.

Несколько проще с помощью маятниковых приборов проводить относительные измерения силы тяжести. При этом измеряют полупериод колебаний маятника на опорном пункте Т , а затем на всех остальных пунктах наблюдений Т _i . Далее по формуле рассчитывают g _i во всех пунктах, если известно абсолютное значение g на опорном пункте. При относительных измерениях нет необходимости определять длину маятника, что облегчает процесс наблюдения. В маятниковых приборах часто на одном штативе устанавливают несколько (2-6) маятников, что позволяет уменьшить погрешность измерения, а главное, при регистрации разностных колебаний каждой пары маятников появляется возможность наблюдения на движущемся основании, например, на корабле при гравиметрических съемках акваторий морей и океанов.

На погрешность измерения маятниковых приборов влияют различные факторы: температура, плотность, влажность воздуха, колебание штатива, электрические и магнитные поля, изменение длины маятника и др. Но, несмотря на громоздкость конструкции и длительность наблюдения в каждой точке (несколько часов), маятниковые приборы применяют при гравиметрических съемках для создания опорных морских гравиметрических сетей, организации полигонов для эталонирования гравиметров.

Погрешность абсолютных измерений силы тяжести с помощью маятниковых приборов на обсерваториях может быть доведена до 1-3 мГал , при наземных относительных исследованиях – до 0,1 мГал , при работах на подводных лодках – до 1-3 мГал , при съемках на поверхности моря – до 5-10 мГал .

2. Определение ускорения свободного падения

2.1. История великого открытия. Изохронизм маятника

Впервые факт изохронизма маятника был установлен в 1655 году Галилеем. Эксперимент Галилея с маятником был внешне малозначительным событием, вроде падения ньютонова яблока: его наблюдало множество людей, но оно возбудило воображение лишь у одного человека. Галилей говорил, что он тысячи раз наблюдал, как раскачивается светильник на длинной цепи, который толкнули при зажигании, в Пизанском соборе. Капризные сквозняки могли заставить светильники колебаться с разной амплитудой, в течение богослужения размахи качаний постепенно затухали, то есть амплитуда колебаний уменьшалась, но период оставался одним и тем же (так казалось Галилею).

Как это можно было проверить? Требовался какой-то эталон времени, но его, разумеется, не было. Галилей воспользовался биением своего сердца – регулярным движением; до этого мог додуматься только физик. И он оказался прав: период, насколько он мог судить, был постоянным .

Эта история демонстрирует сразу несколько качеств блестящего ученого. Во-первых, его способность понять важное значение ничем не примечательного явления. Во-вторых, – прежде всего это касается физика, – его особенность постоянно размышлять над проблемами своей науки даже при самых неподходящих обстоятельствах. В-третьих, это изобретательность ученого в отыскании средств измерения, когда, казалось бы, ничем нельзя воспользоваться.

Галилей был доволен, обнаружив изохронность маятника. На самом деле он был больше чем доволен: впоследствии он говорил, что период оставался «постоянным при изменении размаха в пределах от 90 0 до 4′ ! (Галилей не был таким скрупулезным, как Ньютон). Тем не менее человеку такого масштаба, как Галилей, можно простить то, что он иногда давал себя увлечь своему энтузиазму. Устройство для отсчета времени, к которому прибег Галилей, было весьма несовершенным: частота биений сердца вполне могла возрастать в те минуты, когда ученый убедился, что его мысль подтверждается; впрочем, к тысячному измерению эмоциональное возбуждение от открытия могло уже исчезнуть!

Галилей теперь располагал объективным способом для отсчета времени, с помощью которого он мог расширить эксперимент. Он нашел соотношение между периодами маятников различной длины и показал, используя грузики из свинца и пробки, что этот период не зависит от массы, хотя колебания маятника с грузиком из пробки затухают быстрее. Галилей ввел представление о резонансе, показав, что амплитуду колебаний тяжелого маятника можно постепенно увеличивать, если дуть на маятник в такт его движениям (он применил эти представления к изучению звука). Расположив гвоздь на пути нити маятника, Галилей наблюдал движение маятника с уменьшенной длиной нити и показал, что груз всегда достигает высоты, с которой он начал двигаться.

Этим Галилей заложил основы наших представлений о кинетической и потенциальной энергии. Поразительно, как одно-единственное явление вызвало в голове этого ученого целый поток идей.

Результат, полученный Галилеем, имел непосредственное практическое значение. Например, им воспользовались врачи для измерения пульса больных. Он дал возможность создать механизм для регулирования хода часов, и было потрачено много изобретательности для их изготовления. Но насколько важен был этот результат для чистой физики? Дело в том, что на его основе возник способ более точно проверить постоянство g , ускорения свободного падения .

2.2. Формула периода математического маятника

Период колебаний физического маятника зависит от многих обстоятельств: размеров и формы тела, от расстояния между центром тяжести и точкой подвеса и от распределения массы тела относительно этой точки, поэтому вычисление периода подвешенного тела – довольно сложная задача. Проще обстоит дело для математического маятника. Из наблюдений над подобными маятниками можно установить следующие простые законы.

1. Если, сохраняя одну и ту же длину маятника (расстояние от точки подвеса до центра тяжести груза), подвешивать разные грузы, то период колебаний получится один и тот же, хотя массы грузов сильно различаются. Период математического маятника не зависит от массы груза.

2. если при пуске маятника отклонять его на разные (но не слишком большие) углы, то он будет колебаться с одним и тем же периодом, хотя и с разными амплитудами. Пока не слишком велики амплитуды, колебания достаточно близки по своей форме к гармоническому, и период математического маятника не зависит от амплитуды колебаний. Это свойство называется изохронизмом (от греческого слова «изос» – равный, «хронос» – время).

Выведем теперь формулу для периода колебаний математического маятника.

При качаниях маятника груз движется ускоренно по дуге под действием возвращающей силы, которая меняется при движении. расчет движения тела под действием непостоянной силы довольно сложен. Поэтому для упрощения обычно поступают следующим образом: заставляют маятник совершать колебание не в одной плоскости, а описывать конус так, чтобы груз двигался по окружности. Это движение может быть получено в результате сложения двух независимых колебаний: одного по-прежнему в плоскости рисунка и другого – в перпендикулярной плоскости. Очевидно, периоды обеих этих плоских колебаний одинаковы, так как любая плоскость качаний ничем не отличается от всякой другой. Следовательно, и период сложного движения – обращения маятника по конусу – будет тот же, что и период качания в одной плоскости. Это вывод можно легко проиллюстрировать непосредственным опытом, взяв два одинаковых маятника и сообщив одному из них качание в плоскости, а другому – вращение по конусу.

Период обращения конического маятника равен длине описываемой грузом окружности, деленной на скорость: .

Если угол отклонения от вертикали невелик (малые амплитуды), то можно считать, что возвращающая сила Р₁ направлена по радиусу окружности ВС , то есть равна центростремительной силе:

(1)

С другой стороны, из подобия треугольников ОВС и DBE следует, что

(2)

Приравнивая выражения (1) и (2) друг другу, получаем для скорости обращения: . Наконец, подставив это выражение в выражение периода Т , находим: .

Итак, период математического маятника зависит только от ускорения свободного падения g и от длины маятника l , то есть расстояния от точки подвеса до центра тяжести груза. Из полученной формулы следует, что период маятника не зависит от его массы и амплитуды (при условии, что она достаточно мала). Другими словами, путем расчета были получены те основные законы, которые были установлены ранее из наблюдений.

Этот теоретический вывод дает больше: он позволяет установить количественную зависимость между периодом маятника, его длиной и ускорением свободного падения . Период математического маятника пропорционален корню квадратному из отношения длины маятника к ускорению свободного падения. Коэффициент пропорциональности равен 2.

На зависимости периода маятника от ускорения свободного падения основан очень точный способ определения этого ускорения. Измерив длину маятника l и определив из большого числа колебаний период Т , можно вычислить с помощью полученной формулы ускорение свободного падения. Этот способ широко используется на практике.

2.3. Описание лабораторной установки и методики измерений

При выполнении работы измеряется время колебаний маятника. Установка состоит из: штатива, на котором подвешен маятник и секундомера.

Измерим длину маятника и, отклонив маятник на 5-10 см, отпустим его. После 40 колебаний зафиксируем время колебаний, повторив опыт несколько раз, изменяя длину нити маятника.

Период колебаний математического маятника вычисляется по формуле:

, где

g – ускорение свободного падения, м/с 2 .

Отсюда, ускорение свободного падения может быть вычислено по формуле: .

источник

Источники:

• http://bigpo.ru/potra/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F+%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0+(+%D1%82%D0%B5%D1%81%D1%82)+%D0%BD%D0%B0+15+%D0%BC%D0%B8%D0%BDa/main.html
• http://www.bestreferat.ru/referat-404215.html