 |
Упражнение 2. Проверка второго закона Ньютона к ситуации движения тележки по горизонтально установленному алюминиевому треку. Расчет коэффициента трения системы
|
|
|
|
1. Установите тележку на горизонтально расположенный трек, придвинув ее вплотную к его правой части. Компенсацию сил трения при этом не производите. Закрепите блок в правой части трека и перекиньте через него нить. Один конец нити привяжите к тележке, а к другому подвесьте держатель грузов. Длину нити подберите такой, чтобы держатель грузов при крайне правом положении тележки на треке касался пола. Сдвиньте тележку влево, насколько позволит нить, и заблокируйте движение тележки с помощью какого-нибудь предмета (рис. 7). Зафиксируйте это положение. При проведении всех последующих экспериментов движение тележки должно начинаться именно с данного положения.
2. Установите световой барьер в правой части трека и соедините световой барьер с установкой Кобра 3 в соответствии со схемой (рис. 8). Второй световой барьер на время снимите с трека. Запустите программу Phywe Мeasure 4. В меню «Прибор» выберите «Перемещение / Вращение». Установите параметры измерения, указанные на рис. 8.
Рис. 7. Общий вид установки (для упражнения 2)
Рис. 8. Схема подключения и соединения светового барьера
с установкой Кобра 3 (для упражнения 2)
Рис. 9. Окно программы для выполнения упражнения 2
3. Установите на держателе груз массой 10 г.
4. Приведите тележку в движение и проведите измерение зависимости S(t). Значения используемых в опыте масс грузов и угла наклонной плоскости a (рис. 3) записывайте в таблицу 1. Здесь mт – масса тележки с дополнительным грузом (если они установлены), mгр – масса грузов с держателем.
5. Постройте график зависимости S(t) и проанализируйте его. Это, например, можно сделать с помощью программы Exel. Осуществите следующую последовательность действий. Сохраните полученные данные путем их экспорта в буфер обмена «ппппп». Затем экспортируйте данные в Exel (вставка из буфера обмена в ячейку A1) и в соответствии с уравнением равноускоренного движения с начальной нулевой скоростью (4) постройте график S = f(t2). Из этого графика рассчитайте aэксп – экспериментальное значение ускорения, воспользовавшись формулой (5), или возможностями программы Exel. Полученные значения ускорения занесите в таблицу 1. Эту же процедуру можно выполнить, воспользовавшись возможностями программы Phywe Measure. Осуществите следующую последовательность действий. С помощью опции «Анализ / Изменение каналов» постройте график зависимости S(t2). Для этого введите
f: = х*х, где х = (t) – первый канал. Убедитесь, что в координатах S от t2 анализируемая функция является линейной, т. е. движение тележки равноускоренное. Выведенное на экране значение ускорения aэксп запишите в таблицу 1. Проведите измерения 3—5 раз, не меняя масс грузов и тележки.
|
|
|
6. Рассчитайте по формуле (7) теоретическое значение ускорения aтеор без учета силы трения в системе и запишите его в таблицу 1. Сравните теоретическое и экспериментальное значения ускорений. Их отличие обусловлено силами трения, действующими в системе (главным образом, трением скольжения поверхностей валов тележки о детали тележки). По формуле (11) рассчитайте коэффициент трения μ.
Таблица 1.
| № | mт, г | mгр, г | a, град | aэксп, м/с2 | aтеор, м/с2 | μ | |
| … | |||||||
| n |
7. Проведите измерения п.п. 3-6, изменяя массу грузов и/или добавляя груз на тележку, при 3 – 5 других различных комбинациях грузов. Проведите анализ результатов, для чего установите, выполняются ли зависимости (9) и (11). Выполнение зависимости (11) означает постоянство коэффициента трения μ.
|
|
|
Другой способ определения ускорения тележки (для студентов специальности «физика» это задание выполняется после упражнения 3).
8. Установите оба световых барьера на треке на расстоянии 30-40 см друг от друга и соедините их с установкой Кобра, как в упражнении 1. Установите на держателе груз массой 10 г.
9. Отпустите тележку. Измерьте значения скоростей с помощью двух световых барьеров. В предположении о равноускоренном характере движения тележки, зная расстояние между барьерами, определите ее ускорение (формулу для расчета получите самостоятельно).
10. Повторите опыт 2-4 раза для разных расстояний между световыми барьерами. Оцените погрешность определения ускорения тележки.
11. Сравните полученное значение ускорения с данными таблицы 1.
Упражнение 3*. Проверка применимости второго закона Ньютона к ситуации движения тележки по наклонно установленному алюминиевому треку
1. Установите угол наклона трека (рис. 3) в диапазоне 5-150. Определите его величину, измерив рулеткой две стороны образовавшегося треугольника.
2. Повторите п.п. 3 – 6 для одной пары значений масс грузов mт и mгр. Для расчетов значений величин ускорения aтеор и коэффициента трения используйте формулы (13) и (17).
3. Повторите опыт для другого угла наклона трека. Проанализируйте, от чего зависит ускорение тележки.
4. Проверьте, выполняется ли формула (16) для всех использованных во 2 и 3 упражнениях параметрах системы (в качестве коэффициента трения используйте его среднее значение).
Контрольные вопросы
1. Что изучает кинематика? Дайте определение скорости и ускорения.
2. Что изучает динамика?
3. Сформулируйте 1-й закон Ньютона. Какая система отсчета называется инерциальной?
4. Сформулируйте 2-й закон Ньютона. Дайте определения всех входящих в него величин.
5. Сформулируйте 3-й закон Ньютона. Приведите примеры действующих и противодействующих сил.
6. Укажите область применимости второго закона Ньютона.
7. Выведите формулы для расчета ускорения тележки при движении по горизонтальной поверхности без учета и с учетом силы трения.
8. Выведите формулы для расчета ускорения тележки при движении по наклонной плоскости без учета и с учетом силы трения.
|
|
|
9. От чего зависит коэффициент трения?
10. Выведите формулу для расчета коэффициента трения скольжения груза по наклонной плоскости.
11. Предложите способы определения коэффициента трения.
12. Опишите экспериментальные способы измерения ускорения, массы и силы.
Литература
1. А. И. Назаров. Основы механики и теории относительности / Петрозаводск, 2003. С. 72-89.
2. Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Механика: в 3 т. / М.: Физматлит, 2002. Т. 1. C. 69-97.
3. Иродов И.Е. Механика. Основные законы механики / М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. С. 39-54.
4. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности / М.: Высшая школа, 1976. С. 127-135.
|
|
|
