バネ振り子の単振動
  
対象等
高校生
目的
バネ振り子を振動させ、その周期と最高速度を測定し、理論値と一致するかどうかを確かめる
準備
プラスチックバネ、タコ糸、おもり、30(cm)定規、ストップウォッチ、スタンド
ビースピ、B4用紙、台ばかり、セロテープ
実験場所
物理実験室
方法
@ 机の端に椅子を一脚乗せ、更にその上にスタンドを乗せる。

A スタンドにプラスチックバネの一端を固定する。

B バネの最下端あたりが分かるように、机の端に、B4用紙を貼り付ける。 

C バネを自然に垂らした状態で、バネの先端の位置をB4用紙に記録する。

D 30〜50(cm)程度の長さのタコ糸のついたおもりを、バネの最下端に接続しバネの伸びをB4用紙に記録する。

E CとDから、おもりによるバネの伸びを求め、フックの法則(mg=kx)からバネ定数k(N/m)を求める。

F おもりを下方に20(cm)引き、先ほどの釣り合いの位置でビースピを手で持ちおもりの通過速度を測定する。
  (通過速度は時速表示なので、秒速に変換)

G 測定後ビースピははずす。再び釣り合いの位置から20(cm)引き、手を離し、振動しているおもりが釣り合いの位置を通過する瞬間から10往復するまでの時間をストップウォッチで測定する。

H 測定は3回以上行い、測定値の平均値を求めてから、それを10で割り、周期Tを求める。

I 周期Tの理論値は T=2π√(m/k) で求められるので、これを測定値と比較する。

J 中心を通過する速さV(m/s)の理論値はV=Aωcosωt またはV=rωから求めることが出来る 

注意点
・ ルートが絡むので計算が面倒です
・ 中心通過速度は、エネルギー保存則で考えることも出来ます
・ ビースピの中央を通過させるのが意外に難しいようです
・ 生徒はおもりを鉛直下方に引っ張らず、斜めに引っ張るため、10中8,9ビースピにぶつかってしまいます
結果
 最大速度、周期共に比較的良好な数値が得られました。
考察
応用等

・ バネの長さを変えたり、おもりの質量を変えたり、いろいろとバリエーションが考えられそうです
備考
・ ビースピの時速を秒速に変換する方法が、なかなか分かってもらえません
・ 単にバネのエネルギー保存の実験にも使えそうです
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