Лабораторная работа №
Тема: Определение ускорения тела по величине действующей на него силе и массе тела.
Цель работы: состоит в проверке утверждения о том, что величина ускорения тела, и величина силы, под действием которой тело с этим ускорением движется, связаны соотношением: F = ma.
Оборудование:
- направляющая рейка;
- штатив с муфтой и перекладиной;
- неподвижный блок;
- набор грузов;
- нить;
- динамометр;
- весы с разновесами;
- каретка;
- секундомер с двумя датчиками;
- 2 крючка;
- динамометр.
Указания к работе
Цель работы достигается тем, что вначале рассчитывают, какое ускорение должно иметь тело известной массы под действием приложенных к нему сил, величины которых также известны, а затем в ходе опыта определяют с каким ускорением тело реально двигалось при действии этих сил.
В опыте исследуют движение каретки по направляющей рейке, расположенной горизонтально. В движение она приходит под действием двух сил: силы упругости тесьмы Fynp и силы трения о поверхность рейки - Fтp. Сила упругости возникает при растяжении нити грузом, подвешенном на другом конце нити. Поскольку каретка и подвешенный груз будут двигаться с одинаковым по модулю ускорением, то уравнения их движения могут быть записаны в следующем виде:
где М - суммарная масса каретки и установленных на ней грузов; m - масса груза, подвешенного на тесьме; Fт - сила тяжести, действую-щая на подвешенный груз (см. рис.).
Ma + ma = Fт - Fтр или a(M + m) = Fт - Fтp.
Отсюда: a = (Fт - Fтp)/(M + m) (3)
Чтобы определить с каким ускорением каретка реально двигалась, необходимо измерить её перемещение S и время t, за которое оно было совершено. Так как каретка начинает двигаться из состояния покоя, то уравнение её движения имеет вид: S = at2/2.
Для измерения перемещения и времени движения каретки на направляющей рейке устанавливают датчики секундомера. Один из них должен запускать секундомер как только каретка начнёт двигаться. Место его установки определяют опытным путем, действуя в следующем порядке. Каретку размещают на левом крае направляющей рейки. Датчик устанавливают на рейке несколько правее магнита каретки, и медленно приближают к магниту до тех пор, пока секундомер не начнёт работать. После этого датчик плавно перемещают вправо, чтобы он вышел из зоны действия магнита, закрепленного в каретке. Правильно установленный датчик располагается на минимальном расстоянии от магнита каретки. Второй датчик устанавливают в 20 см от первого.
Выполнение работы:
1. Соберите экспериментальную установку как показано на рисунке. Длину нити выбирают такой, чтобы подвешенный к ней груз при крайнем левом положении каретки на направляющей рейке находился на высоте 35-40см от пола.
2. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
№ | Fт, Н | Fтр, Н | M, кг | M, кг | aт, м/с2 | S, м | t, с | tср, с | aэ, м/с2 |
1 | |||||||||
2 | |||||||||
3 | |||||||||
4 | |||||||||
5 | |||||||||
6 |
3. Прикрепите груз к динамометру и определите величину действующей на него силы тяжести - Fт.
4. Измерьте на весах массы каретки с двумя грузами - М.
5. Измерьте на весах массу одного груза - m.
6. Определите силу трения каретки о поверхность направляющей рейки - Fтp. Для этого каретку с двумя грузами устанавливают на направляющую рейку, прикрепляют к ней динамометр и, потянув за него вдоль рейки, приводят каретку в равномерное движение. По показанию динамометра определяют величину силы трения.
7. Вычислите значение ускорения ат, с которым каретка должна двигаться по рейке в соответствии с выводами теории, на основании которых была получена формула (3).
8. Установите каретку в крайнее левое положение на рейке, произведите её пуск и определите время движения между датчиками - t.
9. Не меняя положения датчиков повторите измерение времени 5-6 раз и определите среднее время движения между датчиками - tcp.
10. Воспользовавшись формулой (4), определите фактическое значение ускорения каретки, которое она имела, перемещаясь по рейке - аэ.
11. Сравните полученные значения ускорений ат и аэ. Укажите возможные причины расхождения результатов.
Подробнее...