ТЕТРАДЬ

ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ

РАБОТ ПО ФИЗИКЕ

УЧЕНИ____ 10 ___ КЛАССА

Москва

«ФИЗИКОН»

2007

Лабораторная работа №1
Измерение кинематических величин в разных системах отсчета

Положите на правую часть данного листа бумаги линейку и совместите с ее нулевым делением острие карандаша. Медленно перемещайте карандаш вдоль линейки, так, чтобы на бумаге мог оставаться след от его движения. Одновременно двигайте линейку относительно бумаги так, чтобы карандаш оставил на бумаге кривую линию.

С помощью часов засеките время движения карандаша на определенное Вами расстояние.

Измерьте длину линии, нарисованной на бумаге. Для этого воспользуйтесь ниткой, уложив ее на бумаге поверх нарисованной линии.

Поле для выполнения работы

Ответьте на вопросы

Какова траектория острия карандаша относительно бумаги?

Какова траектория острия карандаша относительно линейки?

Чему равно перемещение острия карандаша относительно бумаги?

Чему равно перемещение острия карандаша относительно линейки?

Чему равен путь, пройденный острием карандаша относительно бумаги?

Чему равен путь, пройденный острием карандаша относительно линейки?

Чему равна скорость перемещения острия карандаша относительно бумаги?

Чему равна скорость перемещения острия карандаша относительно линейки?

Чему равна скорость прохождения пути острием карандаша относительно бумаги?

Чему равна скорость прохождения пути острием карандаша относительно линейки?

Какие выводы можно сделать на основании проведенных опытов и вычислений?

Лабораторная работа №2
Измерение ускорения при равноускоренном движении

Установите под небольшим углом к горизонту длинный желоб или длинную плоскость для того, чтобы по ним мог скатываться небольшой шарик или цилиндрик (например, карандаш круглого сечения). Время скатывания должно составлять несколько секунд.

Измерьте время скатывания предмета с наклонной поверхности. Опыт проведите 3 раза.

Измерьте перемещение, совершенное телом за время скатывания.

Чертеж и основные формулы для расчетов

Заполните таблицу №1

№

S,

м

t, c

a, м/с²

,

м/с²

,

м/с²

_, м/с²

Вычисления

Повторите опыты, скатив шарик (цилиндрик) с другой высоты, оставив улог наклона поверхности прежним.

Заполните таблицу №2

№

S,

м

t, c

a, м/с²

,

м/с²

,

м/с²

_, м/с²

Вычисления

Запишите ответы и сделайте вывод.

Лабораторная работа №3
Измерение ускорения свободного падения

Лабораторная установка позволяет измерять время падения стальных шариков разного размера с заданной высоты.

Найдите ускорение движения шариков маленького, среднего и большого размеров. Сравните полученные значения.

Чертеж и основные формулы для расчетов

Заполните таблицу №1 (шарик маленького размера)

№

S,

м

t, c

g, м/с²

,

м/с²

,

м/с²

_, м/с²

Вычисления

Повторите опыты, скатив шарик (цилиндрик) с другой высоты, оставив улог наклона поверхности прежним.

Заполните таблицу №2 (шарик среднего размера)

№

S,

м

t, c

g, м/с²

,

м/с²

,

м/с²

_, м/с²

Вычисления

Заполните таблицу №3 (шарик большого размера)

№

S,

м

t, c

g, м/с²

,

м/с²

,

м/с²

_, м/с²

Вычисления

Запишите ответы и сделайте вывод.

Лабораторная работа №4
Измерение угловой, линейной скорости и центростремительного ускорения при вращении тела по окружности

Подвесьте к нитке длиной 20-30 см небольшой грузик. Взяв один конец нитки в руку, приведите грузик во вращательное движение над поверхностью стола так, чтобы нитка описывала коническую поверхность.

Положите на стол линейку и грузик равномерно вращайте над этой линейкой.

Измерьте диаметр окружности, по которой происходит вращение, число полных оборотов грузика и время, за которое эти обороты были совершены.

Чертеж и основные формулы для расчетов

Заполните таблицу

Диаметр окружности

Число оборотов

Время вращения

Период обращения

Частота вращения

Угловая скорость

Линейная скорость

Центро-стремительное ускорение

d, м

N

t, с

T, c

n, c^-1

, рад/с

v, м/c

a, м/c²

Допустив, что точность измерения диаметра окружности не превышает 0,5 см, а времени - 1 с, найдите максимально и минимально возможные значения искомых величин - угловой, линейной скорости и центростремительного ускорения.

Найдите абсолютную погрешность измерения каждой из величин как полуразность их максимальных и минимальных значений.

Найдите относительные погрешности измерения каждой из величин как отношение абсолютных погрешностей к полученным средним значениям этих величин.

Запишите ответы в виде: ;

;

.

Вычисления

Ответы:

Лабораторная работа №5
Запуск связанных тел на заданное расстояние

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ СВЯЗАННЫХ ТЕЛ

Если два груза одинаковой массы связать нитью и нить перебросить через блок, система грузов будет находиться в положении равновесия.

Если на один из грузов положить перегрузок, система придет в равноускоренное движение. Ускорение движущейся системы будет определяться массами тел и перегрузка.

С другой стороны, ускорение движущейся системы будет связано с ее перемещением (или пройденным путем), временем движения и мгновенной скоростью.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ СВЯЗАННЫХ ТЕЛ

Для системы отсчета, связанной с Землей, второй закон Ньютона в векторной форме для каждого из движущихся тел запишется следующим образом:

Если принять, что нить нерастяжима, то .

Если масса нити равна нулю, то .

По третьему закону Ньютона .

С учетом этого:

В проекциях на выбранные направления:

Из кинематики, при условии, что начальная скорость системы, cледует: ,

где: - путь, пройденный системой тел за время ;

- скорость, которую приобрела система через время , пройдя путь .

Таким образом, процесс движения системы тел может быть описан одним из трех уравнений:

( 1 )

( 2 )

( 3 )

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Запустить с помощью перегрузка систему связанных тел так, чтобы она за заданное время прошла заданный путь.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Задание предполагает, что будут известны путь, пройденный системой тел, и время ее движения. Следовательно, для выполнения задания нам потребуется уравнение ( 1 ) :

Если массы грузов и равны, то проведя преобразования

и , имеем:

Это уравнение связывает массу всей движущейся системы, массу перегрузка, ускорение свободного падения - , путь , пройденный системой, и время , за которое этот путь пройден..

Если нам будет известна масса уравновешивающих друг друга грузов, то запустить систему так, чтобы она прошла заданный путь за заданное время, можно с помощью перегрузка, найдя его массу из уравнения, описывающего движение системы:

()

Если расчеты окажутся верными, система связанных тел, приведенная в равноускоренное движение с помощью перегрузка, пройдет заданный путь за заданное время.

Следовательно, работа сводится к определению массы перегрузка, измерению времени движения системы тел на заданном интервале и установлению соответствия экспериментально определенного времени предварительно заданному.

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. При сборке экспериментальной установки следует иметь в виду, что блок имеет массу и при вращении испытывает трение. Чтобы в какой-то мере скомпенсировать влияние блока на движущуюся систему, можно с помощью перегрузков несколько увеличить массу того груза, на который будет положен перегрузок.

Добавлять перегрузки к грузу следует до тех пор, пока система после легкого толчка не будет проходить все расстояние от верхней до нижней точки с постоянной скоростью (постоянство скорости определяется на глаз). При этом система, будучи остановленной, должна оставаться в состоянии покоя.

2. При задании значения пути, следует исходить из того, что чем больше оно будет, тем меньше будет ошибка при измерении как пути, так и времени движения системы.

3. При задании времени движения системы, следует иметь в виду, что чем меньшее время вы зададите, тем с большим ускорением будет двигаться система и тем меньше скажется на ней влияние блока. Но, чем меньше время, тем труднее его измерить и тем больше ошибка измерения.

Вероятно, при выполнении работы придется сделать несколько попыток и подобрать наиболее подходящие значения величин и .

ЗАДАНИЯ

1. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке:

2. Измерьте массы уравновешивающих друг друга грузов.

3. Добавьте к одному из грузов перегрузок для компенсации влияния блока.

4. Задайте значение пути и времени движения системы. Запишите данные в таблицу:

, м/с²

, м

, с

, кг

, кг

, с

1

2

3

5. Рассчитайте массу перегрузка, необходимого для запуска системы, по формуле (). Запишите ее значение в таблицу.

6. Положите перегрузок на один из грузов и, придерживая систему рукой, переведите ее в начальное состояние.

7. Отпустите систему, одновременно включив секундомер.

8. Выключите секундомер в момент прохождения системой заданной точки.

9. Проведите опыт несколько раз (например, 3 раза). Найдите среднее значение времени движения системы: .

Занесите полученное значение в таблицу.

10. Сравните результат с заданным значением времени.

11. Сделайте выводы.

Лабораторная работа №6
Определение массы тела путем вращения его на нити

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ВРАЩЕНИЯ ТЕЛА НА НИТИ

Если через вертикально расположенную трубку продеть нить, к концам нити прикрепить грузы и, держа трубку в руке, привести один из грузов во вращательное движение, то, изменяя частоту вращения, можно добиться состояния, когда висящий груз перестанет подниматься или опускаться, а будет находиться в состоянии покоя относительно трубки. В общем случае, движущаяся часть будет описывать коническую поверхность.

На вращающийся груз действует сила натяжения нити и сила тяжести. Их результирующая сообщает грузу центростремительное ускорение, в свою очередь, связанное с радиусом окружности, по которой происходит вращение, и с частотой вращения.

На груз, подвешенный к нити, действует сила тяжести и сила натяжения нити. При неизменном радиусе окружности этот груз покоится и сила тяжести равна силе натяжения нити.

Если масса нити мала по отношению к массам грузов, и мало трение нити о трубку, можно считать, что сила натяжения, действующая со стороны нити на оба груза, одинакова.

Таким образом, связанными между собой являются массы грузов, радиус окружности, по которой один из грузов вращается, и частота его вращения.

Следует иметь в виду, что чем большей будет масса вращающегося груза при фиксированных массе висящего груза и радиусе окружности, по которой вращается груз, тем меньшей будет частота вращения груза, но большим наклон нити по отношению к горизонтали. Естественно, чем меньше отклонение конической поверхности от горизонтальной плоскости, тем больше оснований пренебречь этим отклонением.

Вместе с тем, при практическом определении частоты вращения груза, надо успевать следить за его движением, поэтому желательно, чтобы груз вращался, по возможности, с небольшой частотой.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ВРАЩЕНИЯ ТЕЛА НА НИТИ

;

; ;

;

;

( 1 )

Если пренебречь провисанием нити и считать, что груз движется в горизонтальной плоскости, то:

;

;

;

;

( 2 )

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить массу тела путем вращения его на нити.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Если провисание нити невелико, то из уравнения ( 2 ):

(), где , - число оборотов груза за время .

Если провисание велико, то из уравнения ( 1 ):

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Перед проведением измерений следует потренироваться вращать груз. Надо добиться, чтобы

а) ось вращения была вертикальна;

б) частота вращения и радиус окружности были постоянными в течение длительного времени;

в) частота вращения позволяла уследить за вращением и сосчитать число оборотов.

2. Вращать груз следует так, чтобы плоскость вращения находилась на уровне глаз и проектировалась на одно из делений шкалы, нанесенной на трубке. Это деление нужно запомнить.

3. Держать трубку нужно так, чтобы сразу после окончания счета оборотов, не изменяя скорости вращения, можно было мизинцем прижать нить к ладони (смотрите рисунок) и, тем самым, зафиксировать радиус вращения. После такой фиксации вращение можно остановить и измерить расстояние от трубки до центра вращавшегося телa.

4. Измерение числа оборотов тела при вращении, в течение которого совершаются эти обороты, можно производить следующим образом: Взяв в одну руку установку, а вторую расположив рядом с кнопкой "пуск" и "стоп" секундомера, приводят тело во вращение. Как только движение стабилизируется, одновременно нажимают кнопку "пуск" и, не глядя на нее, начинают считать обороты. После того, как тело сделает несколько оборотов, нажимают кнопку "стоп" и перехватывают нить.

5. При измерениях основная ошибка будет связана с определением значений величин , ( или ), поэтому следует оценивать, какими могли быть самые большие , () и самые маленькие , () значения этих величин в Вашем эксперименте. Оценив эти значения, надо найти возможные и .

; ;

;

;

тогда ; ;

ЗАДАНИЯ

1. Соберите установку согласно рисунку и проведите измерения , , , .

2. С помощью динамометра измерьте массу груза , подвешенного на нити.

3. Проведите опыт несколько раз при разных радиусах вращения тела.

4.Найдите значение массы вращающегося груза по формуле (), если провисание нити невелико, в противном случае воспользуйтесь формулой ().

5. Проверьте правильность полученного результата путем прямого взвешивания тела.

Значения всех величин заносите в таблицу:

,

м/с²

,

кг

,

об

,

с

,

м

,

м

, кг

, кг

,

кг

,

кг

, кг

,

1

2

3

6. Проведите расчеты по формуле (). Оцените, насколько существенным является провисание нити.

7. Сделайте выводы.

Лабораторная работа №7
Исследование зависимости силы тяги, обеспечивающей равномерное прямолинейное движение тела по горизонтальной поверхности, от угла приложения силы

КАЧЕСТВЕННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РАВНОМЕРНОГО СКОЛЬЖЕНИЯ ТЕЛА ПО ШЕРОХОВАТОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

При скольжении тела по шероховатой горизонтальной поверхности, на него действует сила трения скольжения, направленная в сторону, противоположную движению тела. Чтобы такое тело двигалось равномерно и прямолинейно, на него должна действовать сила, направленная горизонтально в сторону, противоположную силе трения скольжения, и равная ей по величине.

При неизменном коэффициенте трения скольжения, сила трения прямо пропорциональна силе давления тела на поверхность. (Сила давления тела на поверхность, по третьему закону Ньютона, равна по величине силе давления поверхности на тело). Следовательно, горизонтально приложенная сила тяги также прямо пропорциональна силе давления тела на поверхность.

Если же сила тяги приложена не в горизонтальном направлении, а под некоторым углом к горизонту, то при прямолинейном равномерном движении тела уравновешивать силу трения будет уже не сама сила тяги, а ее горизонтальная составляющая .

Так как в треугольнике ABC является катетом, а - гипотенузой, то , причем, чем больше угол , тем в большей степени сила тяги отличается от своей горизонтальной составляющей.

Из рассуждений следует, что чем под большим углом к горизонту мы прикладываем силу тяги, тем большей должна быть ее величина, чтобы тело двигалось равномерно и прямолинейно.

Однако, у силы тяги есть и вертикальная составляющая , за счет которой уменьшается сила давления тела на поверхность.

С уменьшением силы давления тела на поверхность уменьшается и сила трения скольжения, а значит, и горизонтальная составляющая силы тяги, причем тем больше, чем под большим углом к горизонту действует сила тяги.

Из этой части рассуждений вытекает, что чем под большим углом к горизонту прикладывается сила тяги, тем меньшей должна быть ее величина, чтобы тело двигалось равномерно и прямолинейно.

Этот вывод не согласуется с первым. Действительно, с одной стороны угол, под которым действует на тело сила тяги, должен быть как можно меньше, с другой стороны, как можно больше.

Противоречие может разрешиться одним из четырех способов:

Возможно, что:

1. Обе тенденции к увеличению и уменьшению угла проявляются в равной мере и компенсируют друг друга. В этом случае для обеспечения равномерного прямолинейного скольжения тела по поверхности величина силы тяги не должна зависеть от угла ее приложения.

2. Тенденция к увеличению угла, под которым действует сила тяги, проявляется в большей степени, чем тенденция к его уменьшению. В этом случае при увеличении угла, под которым действует сила тяги, ее величина должна уменьшаться. При этом должна существовать какая-то закономерность, связывающая величину силы и угол, под которым она действует.

3. Проявляется противоположная тенденция, при которой с увеличением угла приложения силы увеличивается ее величина. Здесь также должна существовать закономерная связь между величиной силы и углом ее приложения.

4. Существует какой-то оптимальный угол, для которого сила тяги минимальна. При его уменьшении или увеличении сила тяги возрастает согласно определенной закономерности.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РАВНОМЕРНОГО СКОЛЬЖЕНИЯ

ТЕЛА ПО ШЕРОХОВАТОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

x:

y:

( )

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментально исследовать зависимость силы тяги, обеспечивающей равномерное прямолинейное движение тела по горизонтальной поверхности, от угла приложения этой силы.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Перед началом исследования зависимости необходимо определить значение коэффициента трения скольжения тела по выбранной поверхности. Для этого можно воспользоваться одним из описанных в пособии методов.

После этого можно производить прямые измерения силы тяги, постепенно изменяя угол ее приложения от 0 до 90.

Результаты лучше всего отобразить на графике соответствующей зависимости. Это позволит более наглядно представить их и восполнить недостающие данные. По графику можно более точно определить и значение минимальной силы.

Чтобы наглядно представить теоретическую зависимость и определить теоретическое значение минимальной силы, не применяя сложных математических действий, также следует воспользоваться графическим методом.

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И

ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. При передвижении тела по поверхности необходимо следить, чтобы показания динамометра были примерно постоянными, значение силы фиксируемой им, изменялось не скачкообразно.

2. Для получения хороших значений силы тяги, необходимо использовать груз большой массы.

3. В опытах при изменении силы тяги следует пользоваться чувствительным динамометром. Предварительно необходимо определить цену его деления. Динамометр предназначен не только для измерения сил, но и масс тел. Если шкала его проградуирована в единицах массы граммах, то осуществляя перевод показаний в ньютоны следует исходить из соотношений:

; 1Н = 0,1кг · 9,8м/с².

На тело массой 100 г приближенно действует сила тяжести 1 Н.

На тело массой 50 г приближенно действует сила тяжести 0,5Н.

ЗАДАНИЯ

1. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке.

2. Определите коэффициент трения скольжения бруска по избранной Вами поверхности. Укажите метод, которым Вы воспользовались.

3. С помощью динамометра равномерно перемещайте груз по горизонтальной поверхности, изменяя от опыта к опыту значение угла приложения силы. Значение углов и соответствующих сил заносите в таблицу:

N

Угол, град

Сила, Н

1

2

3

4. Согласно полученным данным постройте экспериментальный график зависимости .

5. Найдите по графику величину угла, при котором сила тяги оказывается минимальной, и величину этой минимальной силы, необходимой для равномерного перемещения тела по горизонтальной поверхности.

.6. Подставьте значение найденного угла в формулу ( ) и теоретически рассчитайте величину силы тяги, необходимой для равномерного перемещения тела по горизонтальной поверхности. Сопоставьте теоретические и экспериментальные результаты.

7. Задайте несколько большее и несколько меньшее значения угла, чем найденный Вами экспериментально, и подставьте их значения в формулу ( ). Убедитесь, что найденное Вами значение силы тяги действительно является минимальным.

8. Напишите отчет о работе.

Лабораторная работа №8
Определение коэффициента трения скольжения для тела, находящегося на наклонной плоскости

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ РАВНОВЕСИЯ ТЕЛА

НА НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Если наклонная плоскость расположена под таким углом к горизонту, что тело, положенное на нее, соскальзывает вниз с ускорением, то величина силы трения, направленная в сторону, противоположную движению, меньше величины проекции силы тяжести на направление движения. Чтобы удерживать тело в состоянии покоя на такой плоскости, к силе трения необходимо добавлять силу , также направленную вверх вдоль наклонной плоскости.

Если это же тело начать равномерно двигать вверх вдоль наклонной плоскости, сила трения скольжения поменяет свое направление и вместе с проекцией силы тяжести на направление движения будет уравновешивать силу тяги .

Сила трения скольжения зависит от рода соприкасающихся поверхностей (эта зависимость выражается коэффициентом трения скольжения) и от силы нормального давления плоскости на тело.

Сила нормального давления, в свою очередь, зависит от силы тяжести, действующей на тело, и угла наклона плоскости.

Проекция силы тяжести на направление движения также зависит от того же угла наклона плоскости.

Вероятно, зная угол наклона плоскости, силу, необходимую для удержания тела на наклонной плоскости, и силу, необходимую для ее равномерного движения вверх вдоль наклонной плоскости, можно найти значение коэффициента трения скольжения.

Проверить справедливость полученного значения можно, например, таким образом: если вычисления верны, то при равномерном движении тела по горизонтальной поверхности под действием силы со стороны динамометра, последний покажет силу . А если тело положить на наклонную плоскость и эту плоскость медленно наклонять, то при угле , тело начнет равномерно соскальзывать с наклонной плоскости.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАВНОВЕСИЯ ТЕЛА

НА НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Тело покоится Тело равномерно движется

: :

: :

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить коэффициент трения скольжения путем измерения угла наклона плоскости по отношению к горизонту, силы, удерживающей тело на наклонной плоскости, и силы, необходимой для равномерного движения тела вверх вдоль наклонной плоскости.

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Следует обратить внимание на то, что в первом случае надо измерить минимальную силу, необходимую для удержания тела на наклонной плоскости, а во втором случае тело должно двигаться вверх вдоль наклонной плоскости равномерно.

2. В опытах силы и длины измеряются с точностью, равной половине цены деления измерительного прибора, если указатель совпадает с риской шкалы, и равной целому делению, если указатель не совпадает с риской.

3. При расчете абсолютной ошибки определения коэффициента трения скольжения, можно воспользоваться методом границ.

Зная интервалы, в которых находятся значения сил , и длин и , можно определить минимально и максимально возможные значения этих величин.

Так, если , то

, то

, то

Исходя из того, что нас интересует максимально неблагоприятный результат:

, ,

, , .

ЗАДАНИЯ

1. Соберите экспериментальную установку, установив наклонную плоскость так, чтобы тело, положенное на нее, соскальзывало вниз с ускорением.

2. Измерьте высоту наклонной плоскости и длину ее основания.

3. Прикрепите к телу динамометр и измерьте минимальную силу , необходимую для удержания тела на наклонной плоскости:

4. C помощью динамометра равномерно втяните тело на наклонную плоскость. Измерьте силу , необходимую для этого.

Все данные заносите в таблицу:

, Н

, Н

, м

, м

1

2

3

5. Найдите значение коэффициента трения скольжения с учетом погрешностей измерений. Запишите ответ в виде .

6. Проверьте правильность вычислений, проведя эксперимент с движением тела по горизонтальной поверхности и с подъемом плоскости, на которой лежит тело.

Лабораторная работа №9
Измерение веса груза с помощью пружины

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ПРУЖИНЫ ПОД

ДЕЙСТВИЕМ ПРИЛОЖЕННОЙ К НЕЙ СИЛЫ

Если к закрепленной одним концом пружине приложить силу , пружина деформируется на величину . При установившейся деформации, сила, приложенная к пружине, будет равна силе упругости, действующей со стороны пружины на тело.

Если при изменении силы в некоторое число раз, во столько же раз будет изменяться и деформация пружины, такую пружину легко использовать для изготовления динамометра с линейной шкалой.

Однако линейная зависимость между величиной деформации и силой упругости, возникающей в деформированной пружине, в общем случае неочевидна и подлежит экспериментальной проверке.

Возможно, что для каких-то пружин линейная зависимость будет существовать лишь на определенных интервалах деформаций.

Если такие пружины будут обнаружены, возникает вопрос: как их использовать для измерения сил? По крайней мере, для таких пружин неверным будет равенство:

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Имея в распоряжении пружину с неизвестным характером зависимости силы упругости от величины деформации, линейку, только один груз известной массы и набор тел неизвестной массы, определите вес нескольких тел неизвестной массы.

ИДЕЯ РАБОТЫ

К пружине следует подвесить сначала груз известной массы, затем груз неизвестной массы и, наконец, оба груза вместе.

При этом в первом случае пружина деформируется на величину , во втором случае - на величину , в третьем - на величину .

Если окажется, что , то можно утверждать, что Вы находитесь на линейном участке зависимости силы упругости пружины от величины ее деформации, описываемом уравнением . Это позволит составить простую пропорцию и найти неизвестный вес:

Если же окажется, что , то Вы должны найти способ сместиться на линейный участок зависимости .

Это можно сделать, подвесив к пружине в качестве балласта какой-нибудь груз из числа имеющихся в Вашем распоряжении. При этом пружина деформируется, и ноль шкалы изготовляемого Вами динамометра сместиться. После этого необходимо повторить все действия, указанные выше.

Если Вы опять не попадете на линейный участок зависимости , надо сменить балласт на другой, с большей массой.

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Для исследования зависимости , к закрепленной пружине можно последовательно подвешивать грузы со все увеличивающейся массой. С их стороны на пружину будет действовать сила тяжести . Каждой силе будет соответствовать своя деформация .

Следует иметь в виду, что массы грузов заданы с точностью 2 , а величину деформации можно измерять с точностью, равной 0,5 цены деления линейки, если указатель совпадает с риской линейки и с точностью, равной цене деления линейке, если указатель не совпадает с риской.

2. Для наглядного представления полученных результатов следует построить график зависимости .

Значения полученных величин следует указать с учетом погрешностей измерений. В связи с этим они будут иметь вид не точек, крестиков.

Строя график, соединять можно лишь края отмеченных областей. Если в пределах полученной полосы удастся уложить прямую линию, то можно утверждать, что Вы имеете линейную зависимость .

ЗАДАНИЯ

1. Соберите установку, как показано на рисунке.

2. Подвесьте к пружине груз известной массы . Измерьте величину деформации пружины .

3. Подвесьте к пружине груз неизвестной массы . Измерьте новую величину деформации пружины .

4. Подвесьте к пружине два груза известной и неизвестной массы одновременно. Измерьте величину деформации пружины .

5. Если окажется, что , рассчитайте вес груза неизвестной массы.

Если же окажется, что , воспользуйтесь указаниями, изложенными в описании идеи работы, и повторите измерения.

6. Определите таким же способом вес других грузов.

7. Повторите опыты для другой пружины.

Данные занесите в таблицу:

, кг

, Н

, м

, кг

, Н

, м

, кг

, Н

, м

1-я пружина

2-я пружина

8.Опишите поведенные эксперименты.

Лабораторная работа №10
Определение скорости снаряда с помощью баллистического маятника

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

НЕУПРУГОГО СОУДАРЕНИЯ ДВУХ ТЕЛ

Если в брусок, подвешенный на нити, попадает движущийся с некоторой скоростью снаряд и застревает в нем, то дальше брусок со снарядом продолжают совместное движение, в результате которого нить отклоняется на некоторый угол.

Описанная система называется баллистическим маятником.

Процесс соударения снаряда с бруском является неупругим ударом и описывается законом сохранения импульса.

Механическая энергия при таком ударе не сохраняется, часть ее переходит во внутреннюю энергию.

Однако закон сохранения энергии может быть применен для баллистического маятника на интервале движения от положения его равновесия до максимального отклонения от этого положения.

Действительно, система, состоящая из бруска и застрявшего в нем тела, в результате соударения получает некоторую скорость, а значит и запас кинетической энергии.

Брусок подвешен на нити, длина которой не изменяется, поэтому отклоняясь, брусок приподнимается на некоторую высоту и приобретает запас потенциальной энергии. Эта потенциальная энергия равна приобретенной бруском (вместе со снарядом) кинетической энергии.

Вероятно, для данных маятника и снаряда существует однозначная связь между скоростью снаряда непосредственно перед ударом и углом отклонения маятника от положения равновесия. Угол же отклонения определяется через длину маятника и его отклонение от положения равновесия.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

НЕУПРУГОГО СОУДАРЕНИЯ ДВУХ ТЕЛ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить с помощью баллистического маятника скорость снаряда, выпущенного из пружинного пистолета.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Уравнение, описывающее процесс неупругого соударения снаряда массой с бруском массы , подвешенным на нити длины и отклоняющимся на расстояние от положения равновесия, позволяет найти скорость снаряда непосредственно перед ударом:

, отсюда ()

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПРОВЕДЕНИЯЭКСПЕРИМЕНТА

1. Чтобы обеспечить баллистический маятник возможностью двигаться только в одной плоскости, при его изготовлении следует воспользоваться бифиллярным подвесом.

2. Длину следует измерять так, как показано на схеме.

3. Чтобы снаряд застрял внутри бруска, его полость можно проложить поролоном или ватой.

4. Чтобы легче попасть в отверстие бруска, орудие следует расположить как можно ближе к отверстию.

5. Так как высота поднятия бруска очень мала, следует принять .

6. Чтобы собрать баллистический пистолет воспользуйтесь следующими указаниями:

Возьмите трубку, вставьте в нее толкатель, предварительно продернув через его отверстие резинку и пропустив ее концы в отверстие доски, поместите туда же трубку.

7. Для повышения точности определения скорости снаряда следует провести некоторое число выстрелов. При этом ошибки определения скорости лучше находить методом среднего арифметического:

;; ;; , - число измерений.

8. Полученный результат следует проверить. Для этого можно произвести выстрел не в брусок, а например, вертикально вверх. Если значение скорости определено правильно, то снаряд поднимется на высоту: ()

ЗАДАНИЯ

1. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке.

2. Произведите несколько выстрелов в брусок . Измеряйте каждый раз его отклонение от положения равновесия.

3. Измерьте массы бруска, снаряда, длину подвеса. Вычислите скорость снаряда перед ударом по формуле ().

Занесите данные в таблицу:

, кг

, кг

, м

, м/c²

, м

, м/с

,м/с²

, м/с

,м/с

, 

1

2

3

4. Вычислите по формуле (). Произведите выстрел вверх. Измерьте высоту подъема снаряда . Cравните значения и .

5. Сделайте выводы.

6. Запишите значения скорости вылета снаряда из орудия в виде:

Лабораторная работа №11
Изучение неупругого удара шаров, подвешенных на нитях

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА НЕУПРУГОГО

СОУДАРЕНИЯ ШАРОВ, ПОДВЕШЕННЫХ НА НИТЯХ

При ударе тел происходит их деформация. Если деформация носит неупругий характер и форма тел полностью не восстанавливается, то такой удар носит название неупругого, и в его результате часть механической энергии тел переходит во внутреннюю.

Соответственно, закон сохранения механической энергии для такого удара не выполняется.

Однако, если система тел является изолированной, то есть тела взаимодействуют только между собой и не взаимодействуют с телами, не входящими в эту систему, то для этой системы тел выполняется закон сохранения импульса.

Такой системой тел могут являться два шара, подвешенных на нитях и способных при ударе слипнуться друг с другом.

Удар можно осуществить, отклонив один из шаров на некоторый угол и затем отпустив его.

Шар, отклоненный на угол , будучи подвешенным на нити постоянной длины , поднимается на высоту относительно своего начального положения и приобретает некоторый запас потенциальной энергии .

К моменту удара эта энергия шара переходит в кинетическую энергию. На этом участке выполняется закон сохранения механической энергии, поэтому, приравняв значения потенциальной и кинетической энергии шара, можно найти скорость шара непосредственно перед его ударом о другой неподвижный шар.

Предполагая, что массы шаров известны, и применяя к удару закон сохранения импульса, можно найти скорость слипшихся шаров сразу после удара. Слипшиеся шары, имея импульс, отклонятся на некоторый угол и, соответственно, поднимутся на высоту относительно своего начального положения.

На этом участке также будет выполняться закон сохранения механической энергии, исходя из которого можно будет связать между собой начальную скорость слипшихся в процессе удара шаров и высоту их подъема.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА НЕУПРУГОГО

СОУДАРЕНИЯ ШАРОВ, ПОДВЕШЕННЫХ НА НИТЯХ

Процесс движения первого шара от точки максимального отклонения до удара:

; ;

УДАР:

:

.

Процесс движения слипшихся шаров после удара до точки их максимального подъема:

; ;

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Рассчитать и экспериментально проверить высоту подъема шаров после их неупругого удара.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Зная теоретическую зависимость между массами шаров и их начальными и конечными положениями, можно экспериментально проверить справедливость закона сохранения импульса для неупругого удара. Будучи уверенным в справедливости этого закона и, соответственно, формулы , можно попытаться заранее предсказать высоту подъема слипшихся шаров или по измеренной высоте их подъема найти массу одного из шаров, зная массу другого шара.

ОСОБЕННОСТИ ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Удар шаров должен быть центральным и движение шаров должно происходить в одной плоскости. Чтобы выполнить это условие, необходимо изготовить для шаров бифилярные подвесы равной длины.

2. При сборке экспериментальной установки нити нужно расположить на таком расстоянии друг от друга, чтобы шарики соприкасались.

3. Чтобы нити не сдвигались с места, их нужно укрепить ( например, с помощью пластилина).

4. Чтобы шары слиплись во время удара, на них можно укрепить небольшие кусочки пластилина. Только после этого измерить массу шаров.

5. Высоту подъема шаров измерять лучше всего прямым образом (как показано на рисунке).

6. Для повышения точности измерений и исключения случайных ошибок опыт следует повторить несколько раз, а затем вычислить среднее значение высоты подъема слипшихся шаров:

ЗАДАНИЯ

1. Измерьте массы шаров с помощью динамометра.

2. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке:

3. Измерьте длину подвеса.

4. Отведите один из шаров в сторону и измерьте высоту , на которую он поднимется относительно начального положения.

5. Рассчитайте значение высоты , на которую должны подняться шары после неупругого удара по формуле .

6. Вновь отведите первый шар на тот угол, который был при измерении высоты . Отпустите шар и измерьте высоту подъема слипшихся в результате удара шаров - .

7. Повторите опыт несколько раз. Найдите среднее значение высоты подъема шаров.

Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

, кг

, кг

, м

, м

,м

,м

,м

,м

1

2

3

7. Сопоставьте значения и с учетом погрешностей измерений:

; ;

.

8. Сделайте выводы.

Лабораторная работа №12
Изучение упругого удара шаров, подвешенных на нитях

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА УПРУГОГО СОУДАРЕНИЯ

ШАРОВ, ПОДВЕШЕННЫХ НА НИТЯХ

При ударе тел происходит их деформация. Если деформация носит упругий характер и форма тел после прекращения их взаимодействия полностью восстанавливается, то такой удар носит название упругого. При абсолютно упругом ударе выполняются законы сохранения механической энергии и импульса при условии, что система ударяющихся тел является изолированной, то есть тела взаимодействуют только между собой и не взаимодействуют с телами, не входящими в эту систему.

Такой системой тел могут являться два шара, подвешенных на нитях.

У дар можно осуществить, отклонив один из шаров на некоторый угол и затем отпустив его.

Шар, отклоненный на угол, будучи подвешенным на нити постоянной длины , поднимется на высоту относительно своего начального положения и приобретет некоторый запас потенциальной энергии .

К моменту удара потенциальная энергия шара перейдет в его кинетическую энергию. В процессе удара эта энергия перераспределится между обоими шарами. Шар, по которому произведен удар, обязательно получит импульс и поднимется на некоторую высоту .

Что же касается первого шара, производящего удар, то для него возможны варианты: он может полностью передать свой импульс второму шару и остановиться; он может ударившись о шар малой массы, уменьшить свою скорость, но продолжать движение в том же направлении, в котором двигался до удара; он может, встретив на своем пути шар большой массы, отскочить от него, поменяв направление скорости на противоположное.

Получив свою долю кинетической энергии, шары поднимутся на некоторую высоту, зависящую от этой доли энергии.

Таким образом, взаимосвязанными окажутся высоты, на которые поднимутся шары после удара, энергии шаров после удара, начальная энергия и, соответственно, высота отклоненного от вертикали шара.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА УПРУГОГО СОУДАРЕНИЯ

ШАРОВ, ПОДВЕШЕННЫХ НА НИТЯХ

- начальная высота подъема шара массы .

- максимальная высота подъема шара массы после удара.

- максимальная высота подъема шара массы после удара.

Рассматривая систему шаров как замкнутую, записываем для процесса их соударения законы сохранения энергии и импульса:

- скорость шара массы непосредственно перед ударом.

- скорость шара массы сразу после удара.

- скорость шара массы сразу после удара.

Эти уравнения можно переписать в виде:

Учитывая, что , и разделив первое уравнение на второе, имеем:

Подставляя выражения и в , имеем:

;

Скорости , , связаны с соответствующими высотами , , , следующим образом:

, ,

С учетом этого:

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Проверить справедливость применения законов сохранения энергии и импульса к описанию упругого соударения двух шаров, подвешенных на нитях.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Если к упругому соударению двух шаров, подвешенных на нитях, применимы законы сохранения энергии и импульса, то после соударения шары должны в результате отклонения от вертикали подняться на высоты и согласно уравнениям и .

Справедливость этих уравнений можно проверить на качественном уровне.

Действительно, если:

1) , то , а .

2) , то , то есть шар массы после удара будет двигаться в том же направлении что и шар массы .

3) , то , то есть шар массы после удара будет двигаться в направлении, противоположном направлению движения шара массы .

Чтобы проверить справедливость уравнений на количественном уровне, необходимо, измерив массы шаров, подвесить их на нитях так, чтобы они соприкасались друг с другом, отклонить один из шаров на некоторый угол, отпустить его и измерить высоты подъема шаров после удара.

Если экспериментально полученные значения высот и совпадут с их теоретическими значениями, рассчитанными по формулам и , то можно утверждать, что к данному удару можно применять законы сохранения энергии и импульса, а сам удар считать упругим.

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Удар шаров должен быть центральным и движение шаров должно происходить в одной плоскости. Чтобы выполнить это условие, необходимо изготовить для шаров бифилярные подвесы равной длины.

2. При сборке экспериментальной установки нити нужно расположить на таком расстоянии друг от друга, чтобы шарики соприкасались.

3. Чтобы нити не сдвигались с места, их нужно укрепить ( например, с помощью пластилина).

4. Чтобы шары слиплись во время удара, на них можно укрепить небольшие кусочки пластилина. Только после этого измерить массу шаров.

5. Высоту подъема шаров измерять лучше всего прямым образом (как показано на рисунке).

6. Для повышения точности измерений и исключения случайных ошибок опыт следует повторить несколько раз, а затем вычислить среднее значение высоты подъема слипшихся шаров:

ЗАДАНИЯ

1. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке.

2. Для изучения упругого соударения двух тел одинаковой массы используйте пластмассовые шары.

3. Отведите один из шаров на некоторый угол от вертикали, измерьте высоту его подъема относительно начального уровня.

Отпустите шар и удостоверьтесь, что после упругого удара о второй шар он останавливается, а второй шар поднимается на высоту, равную .

4. Исследуйте, зависит ли результат от угла отклонения первого шара от положения равновесия?

5. Замените один из пластмассовых шаров стальным.

6. Проверьте справедливость утверждений 2) и 3), приведенных в пункте " Идея работы".

7. Проведите количественную проверку справедливости утверждений и .

8. Данные занесите в таблицу:

, кг

, кг

, м

, м

,м

, м

_.,м

1

2

3

9. Сделайте выводы.

Лабораторная работа №13
Исследование зависимости коэффициента полезного действия наклонной плоскости от ее параметров и параметров поднимаемого груза

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОДЪЕМА ТЕЛА

ПО ШЕРОХОВАТОЙ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Наклонная плоскость относится к числу простых механизмов. Для идеальной наклонной плоскости без трения справедливо "золотое правило механики": совершая механическую работу, мы можем получить выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз проиграем в пути:

Однако реальные наклонные плоскости оказывают сопротивление движению тел и, втягивая по ним эти тела, необходимо совершать дополнительную работу против сил трения. Если сила тяги при этом все равно оказывается существенно меньше силы тяжести, действующей на тело, то применять наклонную плоскость выгодно, хотя совершаемая работа превышает изменение потенциальной энергии тела.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет полезная работа, необходимая для поднятия груза на высоту , от полной работы, совершенной при движении этого груза по наклонной плоскости длины , носит название коэффициента полезного действия наклонной плоскости () :

. При наличии силы трения .

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОДЪЕМА ТЕЛА

ПО ШЕРОХОВАТОЙ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

;

;

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментально установить зависимость коэффициента полезного действия наклонной плоскости от массы поднимаемого груза, угла ее наклона, коэффициента трения скольжения. Сравнить полученные результаты с теоретическими.

ИДЕЯ РАБОТЫ

Согласно формуле , коэффициент полезного действия наклонной плоскости не должен зависеть от массы поднимаемого груза, но должен зависеть от угла наклона плоскости и коэффициента трения скольжения.

Чтобы исследовать интересующие нас зависимости, необходимо, изменяя один из параметров, оставлять остальные постоянными.

Так, устанавливая, как зависит КПД плоскости от массы поднимаемого груза, необходимо в разных опытах, не изменяя угла наклона плоскости и оставляя одними и теми же соприкасающиеся поверхности, нагружать поднимаемое тело.

Чтобы установить зависимость КПД от угла наклона плоскости, необходимо поднимать на наклоненную под разными углами плоскость одно и то же тело.

Соответственно, чтобы узнать, как зависит КПД плоскости от коэффициента трения скольжения, следует при неизменном угле наклона плоскости изменять род или качество соприкасающихся поверхностей. При этом, если выяснится, что КПД действительно не зависит от массы поднимаемого груза, то можно будет для разных опытов брать грузы произвольной массы. В противном случае, придется оставлять неизменной массу груза.

Во всех случаях, для расчета значения коэффициента полезного действия наклонной плоскости, необходимо будет воспользоваться формулой:

где: - масса поднимаемого по плоскости груза;

- высота наклонной плоскости;

- длина наклонной плоскости;

- сила тяги, необходимая для равномерного движения

тела вверх вдоль наклонной плоскости.

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. При втягивании груза на наклонную плоскость следует следить, чтобы показания динамометра были примерно постоянными, значение силы, фиксируемой им, изменялось не скачкообразно (т.е. тянуть груз нужно равномерно).

2. В опытах при измерении силы тяги следует пользоваться чувствительным динамометром. Предварительно необходимо определить цену его деления.

Если динамометр предназначен не только для измерения сил, но и масс тел, то, возможно, что шкала его проградуирована в единицах массы - граммах.

Осуществляя перевод показаний в ньютоны, следует исходить из соотношений: ; 1Н = 0,1кг · 9,8м/с².

На тело массой 100 г приближенно действует сила тяжести 1 Н.

На тело массой 50 г приближенно действует сила тяжести 0,5 Н.

3. Для получения хороших значений КПД целесообразно использовать значительно отличающиеся друг от друга значения высот наклонной плоскости и масс поднимаемого груза. Чем больше будет разница между этими величинами, тем яснее представится зависимость КПД от соответствующих параметров.

4. Чтобы брусок не переворачивался при движении, ведерко с грузом лучше устанавливать в крайнее отверстие бруска ( как показано на схеме ):

Если ведерко выскакивает из отверстия, можно закрепить его с помощью пластилина.

ЗАДАНИЯ

1. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке:

В качестве поднимаемого тела используйте брусок, ставя его в разных опытах на разные грани или нагружая с помощью грузов, положенных в ведерко.

2. Исследуйте зависимость КПД наклонной плоскости от массы поднимаемого груза. Данные занесите в таблицу:

материал

соприкаcающихся поверхностей

, кг

, м

, м

, Н

1

2

3

3. Исследуйте зависимость КПД наклонной плоскости от угла ее наклона. Данные занесите в таблицу:

материал

соприкасающихся поверхностей

, кг

, м

, м

, град

, Н

1

2

3

4. Постройте экспериментальный график зависимости КПД от угла наклона плоскости.

, град

5. Найдите теоретическую зависимость КПД наклонной плоскости от угла ее наклона. Данные занесите в таблицу:

6. Постройте теоретический график зависимости КПД от угла наклона плоскости.

7. Исследуйте зависимость КПД наклонной плоскости от рода соприкасающихся поверхностей. Данные занесите в таблицу:

материал

соприкасающихся поверхностей

, кг

, м

, м

, Н

1

2

3

8. Сделайте выводы.

Лабораторная работа № 14
Изучение процесса соскальзывания бруска с наклонной плоскости

Качественное описание процесса соскальзывания

бруска с наклонной плоскости

Если наклонная плоскость расположена достаточно круто, а сила трения скольжения бруска по ее поверхности относительно невелика, то брусок, положенный на такую плоскость, будет соскальзывать с нее и двигаться с некоторым положительным ускорением. Дойдя до основания плоскости, брусок наберет некоторую скорость и, перейдя на горизонтальный участок пути, будет двигаться до остановки с отрицательным ускорением.

На вершине горки брусок обладает запасом потенциальной энергии относительно ее основания. При движении бруска по наклонной плоскости часть его потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию, часть расходуется на совершение работы по преодолению силы трения.

При движении бруска по горизонтальной поверхности, оставшаяся кинетическая энергия бруска к моменту остановки полностью переходит во внутреннюю энергию, также за счет работы по преодолению силы трения на этом участке.

Запас потенциальной энергии бруска зависит от силы тяжести, действующей на него. Но и работа против силы трения, также и в той же мере, зависит от силы тяжести, действующей на брусок. Это позволяет предположить, что перемещение бруска по горизонтальной поверхности не должно зависеть от его массы.

В то же время, перемещение бруска по горизонтальной поверхности при постоянном угле наклона плоскости должно быть связано с коэффициентом трения скольжения: чем он меньше, тем больше перемещение. При этом, по известному перемещению можно найти значение коэффициента трения скольжения бруска по поверхности.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

СОСКАЛЬЗЫВАНИЯ БРУСКА С НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Описание процесса на силовом языке:

Наклонная плоскость:

:

:

Горизонтальный участок :

:

:

Из кинематики:

Описание процесса на энергетическом языке:

Если , то (1)

Из уравнения (1) следует, что , следовательно, бруски разной массы, соскальзывая с одной и той же наклонной плоскости, должны по горизонтальной поверхности совершать равные перемещения.

Уравнение 2 позволяет, измерив длину и высоту наклонной плоскости, а также перемещение соскользнувшего бруска по горизонтальной поверхности, найти значение коэффициента трения скольжения.

Если коэффициент трения скольжения зависит от площади поверхности бруска, то перемещение по горизонтальной поверхности, при изменении этой площади, будет различным. Если не зависит, то одинаковым. Это следует из выражения: .

Цель работы

1. Исследовать зависимость перемещения бруска, соскальзывающего с наклонной плоскости, от его массы.

2. Исследовать зависимость перемещения бруска, соскальзывающего с наклонной плоскости, от площади его поверхности.

3. Определить значение коэффициента трения скольжения материала бруска по материалу дорожки.

Особенности экспериментальной установки и проведения эксперимента

1. Если брусок положить на плоскость и эту плоскость медленно наклонять, то при некотором угле брусок после легкого подталкивания начнет равномерно соскальзывать с плоскости, доходя до ее основания.

Для проведения работы следует установить наклонную плоскость под углом, значительно превышающим названный угол, но так, чтобы переход на горизонтальный участок не был слишком резким.

2. Точность измерений зависит от значений высоты h, длины наклонной плоскости L, коэффициента трения k. Чем больше будут h и L и чем меньше k, тем большее перемещение совершит брусок по горизонтальной поверхности и тем точнее будет полученный результат.

3. В данной работе, при повторении экспериментов, в силу разных причин, результаты будут несколько отличаться друг от друга, поэтому все опыты надо проводить несколько раз не меняя начальных установок, а среднее значение величин и погрешности измерений вычислять методом среднего арифметического.

Задания

1. Установите наклонную плоскость согласно соображениям, приведенным выше.

2. Дав возможность нагруженному бруску соскользнуть с наклонной плоскости, измерьте его перемещение по горизонтальной поверхности.

3. Нагрузите брусок с помощью грузов и повторите опыт. Сделайте вывод относительно зависимости перемещения бруска по горизонтальной поверхности и коэффициента трения скольжения от его массы.

4. Повторите опыт с ненагруженным бруском, устанавливая его на поверхность плоскости разными гранями. Сделайте вывод относительно зависимости перемещения бруска по горизонтальной поверхности и коэффициента трения скольжения от площади поверхности бруска.

5. По известным значениям перемещения бруска по горизонтальной поверхности, высоты и длины наклонной плоскости, для различных серий опытов найдите значение коэффициента трения скольжения. Сделайте выводы.

Все результаты занесите в таблицу:

№

S_бр.,м²

m_бр., кг

h,м

L,м

x,м

k

kср.

k

kср

kср/kср

Где : № - Номер проводимого эксперимента; S_бр., - площадь поверхности бруска, соприкасающаяся с поверхностью, по которой происходит скольжение; m_бр.- масса бруска; h- высота наклонной плоскости; L- длина наклонной плоскости; x - перемещение бруска по горизонтальной поверхности; k - коэффициент трения скольжения бруска по поверхности; kср.- среднее значение коэффициента трения скольжения, полученное в данной серии экспериментов; k - абсолютная ошибка при определении коэффициента трения скольжения; kср - среднее значение абсолютной ошибки при определении коэффициента трения скольжения; kср/kср - относительная ошибка при определении коэффициента трения скольжения.

6. Придумайте способы проверки правильности полученного значения коэффициента трения скольжения. Кратко изложите идею соответствующих опытов и проведите их.

Лабораторная работа № 15
Изготовление манометра

Приборы для измерения давления называются манометрами.

Для измерения давлений в пределах от 1 тора (1 мм рт. ст.) до 1 атм. чаще всего применяются жидкостные манометры.

Жидкостный манометр представляет собой U - образную трубку, частично заполненную жидкостью.

Оборудование для изготовления манометра: капельница (система для переливания крови); скотч; картон; подкрашенная вода; шприцы на1 ml и 20 ml; пустая пластиковая бутылка объемом 1,5 л; ножницы; линейка; ручка; степлер.

Задания

Для начала разрежьте бутылку на стакан и воронку. Полученный стакан будет служить Вам одновременно и штативом для манометра, и емкостью, и местом для хранения элементов Вашей установки.

Теперь возьмите лист картона (210x145) согните его пополам, чтобы получилась полоса 210x72,5. Закрепите картон степлером в нескольких местах по длине. Вы получили основу для будущего прибора. Нанесите шкалу на полученную основу с помощью линейки и ручки (можно использовать для этих целей миллиметровую бумагу).

Возьмите трубку от капельницы и закрепите ее на изготовленной шкале с помощью скотча, причем с одной стороны оставьте трубку длиной примерно 40 см.

Изготовленный прибор закрепите с помощью скотча на уже изготовленном стакане. Теперь Ваш манометр надежно стоит в вертикальном положении. Чтобы конец трубки не мешал, уложите его внутрь стакана. Остается с помощью шприца ввести внутрь трубки, со стороны короткого конца, окрашенную воду так, чтобы уровень установился на нулевой отметке шкалы.

При заполнении манометра необходимо следить, чтобы газовые пузырьки не проникли внутрь столбика жидкости.

Проделав все эти операции, Вы получите открытый жидкостный манометр, который вполне пригоден для проведения лабораторных работ по физике.

Недостатком такого прибора является небольшая измеряемая разность давлений ( 200 мм. вод.ст. 15мм.рт.ст.)

Для того чтобы увеличить предел измерения данного манометра, необходимо сделать его закрытым (закрыть герметично короткий конец трубки манометра) и проградуировать его с помощью эталонного манометра.

Таким образом, вы получите прибор, измеряющий разность давлений в достаточно широком диапазоне (от 0 до 1ат.).

Лабораторная работа № 16
Изготовление воздушного термометра

Манометр можно использовать для измерения температуры жидкости.

Для этого необходимо имеющийся прибор (манометр) дополнить зондом. Зонд представляет собой стеклянную бутылочку объемом 200 мл с резиновой пробкой, через которую вставлена толстая игла от системы переливания. Соединяя зонд с манометром, мы получаем воздушный термометр.

Чтобы этим прибором можно было измерять, его необходимо проградуировать. Для этого нужно взять стеклянную банку с холодной водой, чайник с горячей водой, термометр градуированный.

Задания

1. Налейте в стеклянный стакан воды и поместите туда эталонный и исследуемый приборы.

2. Подождите 5-10 минут, чтобы наступило тепловое равновесие.

3. Зафиксируйте показание эталонного термометра, соответствующее нулевому показанию исследуемого.

4. Присоедините зонд к манометру.

5. Нагревайте воду и отсчитывайте показания манометра в миллиметрах через каждые 5 градусов эталонного термометра.

6. Результаты фиксируйте до максимального отклонения столбиков жидкости манометра. После этого нагрев следует прекратить во избежание выливания манометрической жидкости.

7. Результаты представьте в виде таблицы.

8. По полученным данным постройте градуировочную кривую.

9. Сделайте вывод о виде получившейся кривой и зависимости температуры от величины давления.

10. Оцените ошибку прибора.

11. Составьте паспорт воздушного термометра по плану:

1. Название прибора.

2. Измеряемая величина.

3. Границы измерения (минимальное и максимальное значения).

4. Цена деления.

5. Погрешность прибора (относительная и абсолютная).

Дополнительные творческие задания

1. Исследуйте зависимость давления идеального газа от температуры при постоянном объёме (проверьте справедливость закона Шарля).

2. Исследуйте зависимость объёма, занимаемого идеальным газом, от температуры при постоянном давлении (проверьте справедливость закона Гей-Люссака).

Лабораторная работа № 17
Проверка закона Бойля-Мариотта

Вариант 1

Необходимо проверить, что произведение объема данной массы газа на его давление при постоянной температуре величина постоянная, т.е. .

Для этого можно воспользоваться установкой, изображенной на рисунке. В качестве рабочего сосуда берется пластиковая бутылка с объемом V=1л.

Когда поршень выдвинут из шприца (V₀=20 ml), то давление в сосуде равно атмосферному.

Состояние системы характеризуется произведением давления газа на занимаемый им объем: .

Если с помощью поршня уменьшить значение объема газа, находящегося в шприце, на величину , то давление увеличится на . Новое состояние системы будет характеризоваться произведением повысившенося давления на уменьшившийся объем:.

Согласно закону Бойля-Мариотта:

.

Задания

Подставив значение величин, проверьте имеющееся равенство. Измените еще раз объем в шприце, и снова проверьте равенство.

Результаты измерений представьте в виде таблицы.

N - состояние системы

V₀, м³

Δh, мм

Δp, Па

pV

1

2

3

4

Чтобы определить, с какой точностью выполняется закон Бойля-Мариотта, данные таблицы представьте в виде графика зависимости (pV) от N.

По графику найдите ширину полосы, в которую помещаются все экспериментальные точки. Эта ширина (Δ) и будет показывать точность выполнения закона, а величина отношения Δ к (pV)_ср., умноженная на 100%, даст относительную величину ошибки.

С учетом точности выполненных измерений и расчетов, сделайте вывод о том, выполняется ли в условиях проведенных опытов закон Бойля-Мариотта?

Лабораторная работа № 18
Проверка закона Бойля-Мариотта

Вариант 2

Недостатком предыдущего варианта является небольшое изменения объёма воздуха в системе по сравнению с объёмом бутылки и объёмом воздуха в трубке манометра и, как следствие этого, небольшие изменения давления.

В связи с этим, можно воспользоваться другим вариантом установки, в котором используется градуированный закрытый манометр и шприц объёмом 20 мл.

В качестве полного внутреннего объёма необходимо брать объём шприца и внутренний объём трубки манометра до уровня находящейся в нём жидкости.

Задания

1. Определите полный внутренний объём системы V₀ .

2. Определите величину атмосферного давления р_А.

3. Уменьшите объём в шприце на 5, 10, 15, 20 мл и определите, на сколько каждый раз изменялось давление р.

4. Результаты занесите в таблицу Р_А = , V₀ =

№

р, мм.рт.ст

Р=р_А+р, мм.рт.ст.

V, мл

V=V₀-V, мл

РV

1

0

2

5

3

10

4

15

5

20

5. По данным таблицы постройте график зависимости РV от № опыта.

6. По наибольшему и наименьшему значениям величин РV проведите прямые, параллельные оси №.

7. По ширине полосы определите погрешность измерений (РV)

8. Определите среднее значение величины PV по формуле

7. Определите относительную погрешность выполнения закона Бойля-Мариотта

РV= сonst

10. По полученным данным сделайте вывод о проделанной работе.

Лабораторная работа № 19
Измерение относительной влажности воздуха

С помощью комнатного термометра измерьте психрометрическим методом относительную влажность воздуха в комнате. Напишите отчет о проделанной работе, придерживаясь плана:

1. Цель работы.

2. Идея работы.

3. Схема экспериментальной установки.

4. Методика эксперимента (как проводилось измерение).

5. Результаты.

5. Способ проверки результатов.

Лабораторная работа № 20
Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

1. Измерьте коэффициент поверхностного натяжения воды тремя различными методами: а) методом отрыва проволочного контура от поверхности воды с помощью чувствительного динамометра; б) методом капель; в) с помощью капилляров.

Метод отрыва

Метод капель

Метод капилляров

Идея работы

Схема экспериментальной установки

Методика эксперимента

Результаты

Способ проверки результатов

2. Исследуйте зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от ее температуры.

t ⁰C

, Н/м

Выводы:

3. Измерьте коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора и сравните его с коэффициентом поверхностного натяжения воды.

Результаты:

Выводы:

Лабораторная работа №21
Изучение деформации резиновой нити

Приборы и материалы: резиновая нить, линейка с миллиметровыми делениями, набор грузов или динамометр.

Задания

1. Исследуйте зависимость абсолютного удлинения резиновой нити от величины приложенной к ней силы.

2. Исследуйте зависимость абсолютного удлинения резиновой нити от площади ее поперечного сечения.

3. Исследуйте зависимость абсолютного удлинения резиновой нити от ее начальной длины.

4. Определите численное значение модуля упругости резины.

При оформлении отчета о проделанной работе для каждого этапа эксперимента сформулируйте его цель, идею, изобразите схему экспериментальной установки, опишите процедуру измерения; представьте результаты в табличной, графической, аналитической и словесной формах.

При расчетах учитывайте погрешности измерений.

Проведите обобщение результатов работы и сделайте выводы.

Итог работы:

Лабораторная работа №22
Изучение электрических цепей

Приборы и материалы: комплексный электроизмерительный прибор для измерения токов, напряжений, сопротивлений различной величины (мультиметр, авометр), три резистора с разными сопротивлениями, три гальванических элемента или других низковольтных источника постоянного тока, два светодиода или низковольтных электолампочки, набор проводов или конструкций, позволяющих осуществлять параллельное и последовательное соединение всех обозначенных выше элементов.

Общие указания для выполнения экспериментальных заданий

Изучите инструкцию к электроизмерительному прибору.

Для каждого случая измерения на схематическом рисунке покажите, как прибор будет включаться в электрическую цепь.

Для каждого случая измерения укажите предел измерения прибора и цену деления.

Измерение

силы тока

Измерение

напряжения

Измерение

сопротивления

Схематичный рисунок прибора с указанием положения переключателя и используемых для подключения клемм или выводов

Предел измерения

Цена деления

Погрешность измерения

Задания

1. Нарисуйте схему последовательного соединения трех гальванических элементов. Согласно схеме соберите электрическую цепь.

2. Изобразите на электрической схеме, как можно было бы с помощью вольтметра измерить Э.Д.С. каждого элемента и сумму Э.Д.С. первого и второго, второго и третьего, первого, второго и третьего элементов.

3. Оцените максимально возможное значение суммарной Э.Д.С. батареи гальванических элементов. Выберите на мультиметре необходимый предел измерения напряжения. Установите переключатель в соответствующее положение. Проведите измерения согласно начерченной схеме. Результаты измерений занесите в таблицу.

4. Сделайте вывод.

5. Подключите к батарее гальванических элементов светодиод. Если светодиод не загорится, измените полярность его подключения.

6. Измерьте падение напряжения на светодиоде и сравните его с суммой Э.Д.С. батареи гальванических элементов. Результаты измерений занесите в таблицу.

7. Объясните результат.

8. Подключите к батарее гальванических элементов два последовательно соединенных светодиода. Если светодиоды не загорятся, измените полярность подключения второго светодиода (полярность подключения первого светодиода уже известна из предыдущего опыта).

9. Измерьте падения напряжений на первом, втором и двух светодиодах. Результаты измерений занесите в таблицу.

U₁, В

(на первом светодиоде)

U₁, В

(на втором светодиоде)

U₁, В

(на двух светодиодах)

(Е₁ + Е₂ + Е₃), В

10. Сравните показания между собой и с суммой Э.Д.С. батареи гальванических элементов. Сделайте вывод.

11. Объясните результаты.

12. Начертите схему, состоящую из последовательно соединенных трех гальванических элементов, двух светодиодов и амперметров, позволяющих измерить силу тока на различных участках цепи.

13. Установите переключатель мультиметра в положение, соответствующее максимальному значению измеряемого тока (диапазон измерений сил токов в милли- и микроамперах).

14. Соберите электрическую цепь для последовательного измерения силы тока на каждом участке. Проведите измерения. Если мультиметр показывает слишком малую силу тока, не соответствующую выбранному диапазону, переключите прибор в соседнее положение, соответствующее меньшему пределу измерения. Результаты измерений занесите в таблицу.

I₁, мA

I₂, мA

I₃, мA

I₄, мA

I₅, мA

15. Сравните показания между собой и сделайте вывод.

16. Нарисуйте схему электрической цепи, состоящую из параллельно соединенных одного гальванического элемента, вольтметра и резистора. Соберите соответствующую цепь и измерьте падение напряжения на резисторе. Разорвите цепь и измерьте Э.Д.С. гальванического элемента, подсоединив вольтметр непосредственно к его выводам. Результат измерений занесите в соответствующую ячейку таблицы.

I, мA

U₁, В

Е _{элемента}, В

Первый резистор

17. Повторите измерения силы тока и падения напряжения для второго, а затем третьего, последовательно соединенных первого и второго, последовательно соединенных первого и третьего, последовательно соединенных первого, второго и третьего резистора. Результаты измерений занесите в соответствующие ячейки таблицы.

I, мA

U₁, В

Е _{элемента}, В

Второй резистор

Третий резистор

Первый плюс второй резистор

Второй плюс третий резистор

Первый плюс второй и третий резистор

Сделайте выводы.

18. Пользуясь результатами предыдущих измерений, рассчитайте сопротивления резисторов и Э.Д.С. гальванического элемента. Сравните расчетное значение Э.Д.С. со значением, полученным путем прямого измерения с помощью вольтметра.

R₁, Ом

R₂, Ом

E _{расчетное}, В

Е _{измеренное}, В

19. Нарисуйте схемы электрических цепей, состоящих из последовательно соединенных одного, двух, трех гальванических элементов, миллиамперметра, резистора и вольтметра, позволяющего измерять падение напряжения на резисторе. Соберите соответствующие цепи и измерьте в них силу тока и напряжение на резисторе. Результаты измерений занесите в таблицу.

I, мA

U₁, В

Е _{элементов}, В

Один элемент

Два элемента

Три элемента

Сделайте выводы.