МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

основе классической механики лежат три закона Ньютона. Эти законы являются обобщением большого числа опытных фактов. Применим законы Ньютона к механической системе, представленной на рис.1. Пусть массы грузов с перегрузками одинаковы и равны m , а масса перегрузка Dm. Переложим один из перегрузков с левого груза на правый и рассмотрим движение грузов. Будем полагать что грузы связаны невесомой нерастяжимой нитью, которая по блоку не скользит, и что возникающий при вращении момент сил трения M_тр не зависит от скорости. Представим рассматриваемую систему в виде трех отдельных тел и применим к каждому из них второй закон Ньютона:

Здесь J – момент инерции.

роектируя приведенные векторные уравнения на. направленную вниз ось OX, и учитывая невесомость и нерастяжимость нити, получим:

(1)

(2)

(3)

(4)

Здесь a - ускорение грузов, b- угловое ускорение блока, R- радиус блока, T₁ и T₂ - силы натяжения нити. Кинематическое уравнение (4) справедливо при отсутствии скольжения нити по блоку. Решая систему уравнений (1-4), для ускорения грузов получим:

. (5)

Как видим, законы Ньютона предсказывают равноускоренное движение грузов. Причем, если учесть что 2m+2Dmпри перекладывании перегрузка не изменяется и, что M_т_р - постоянные величины, ускорение грузов будет линейно зависеть от массы перегрузка Dm. Сопоставление этих выводов с результатами измерений составляет основную задачу экспериментальной части данной работы.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (вариант 1)

Экспериментальная установка, называемая машиной Атвуда, состоит из вертикальной стойки 1, на которой укреплена шкала с миллиметровыми делениями. На верхнем конце стойки укреплен легкий блок 2, вращающийся с малым трением. Блок удерживается от вращения электромагнитом 5. Через блок перекинута легкая нить, к концам которой привязаны два груза 3 и 4 с одинаковыми массами. На каждом грузе помещают одинаковое число малых грузов одинаковой массы Dm (не менее 5). Эти грузы изготовлены в виде тонких плоских дисков с отверстиями.. Для обеспечения постоянства суммарной массы системы перегрузка Dm создается путем перекладывания малых грузов с левого груза 3 на правый груз 4. После каждого перекладывания масса перегрузка возрастает на 2Dm Поэтому общая масса перегрузки после k-того перекладывания будет равна: DM = k 2Dm

На стойке 1 укреплена также платформа с фотоэлементом 6, который срабатывает при прерывании светового луча движущимся грузом 4. Время движения грузов измеряется электронным секундомером 7 с точностью до 0,001 с. Секундомер включается при нажатии кнопки "ПУСК",расположенной на пульте управления, и выключается при срабатывании фотоконтакта. Одновременно с этим при нажатии кнопки "ПУСК" отключается электромагнит, и грузы приходят в движение. Кнопку "ПУСК" не отпускают в течении всего времени движения грузов. Перед пуском секундомера нажимают кнопку "СБРОС". Приведение грузов в исходное положение производят при нажатой кнопке "ПУСК"или отключении установки от сети.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

ЗАДАНИЕ1. Изучение характера движения грузов.

Исследовать зависимость t² от h и убедиться в том, что грузы движутся равноускоренно. В случае равноускоренного движения грузов эти зависимость t² от h будет линейной. Представить зависимость t² от h.на графике

1. На каждом грузе размещено по 8 малых грузов с массой Dm =1,5 г .

2. Переложите с левого груза на правый три малых груза. При указанном условии возникает перегрузка массой 6Dm.

3. Нажмите кнопку «ПУСК» и опустите груз 4 так, чтобы его нижнее основание касалось верхней поверхности приборного блока. Установите платформу с фотоэлементом 6 на расстоянии 25 см от нижнего основания груза 3. После этого отпустите кнопку «ПУСК» и нажмите кнопку «СБРОС». Снова нажмите кнопку «ПУСК» и удерживайте ее до тех пор, пока левый груз не пройдет мимо фотоэлемента. Запишите показание секундомера и повторите опыт 4 – 5 раз. Найдите среднее значение времени движения грузов t .

4. Опустите платформу с фотоэлементом 6 на 5 см и проведите измерение времени t для новой высоты h =30 см. Опыт повторите 4-5 раз.

5. Проведите указанные измерения для других высот: 35 см, 40 см, и 45 см.

6. Полученные результаты занести в табл. 1

Таблица 1.

№ п/п h (см) t (c) t² (c²)

7. Постройте график зависимости t² = f(h) и убедитесь, что движение грузов является равноускоренным.

ЗАДАНИЕ 2. Убедиться в том, что Второй закон Ньютона выполняется (ускорение грузов линейно зависит от массы перегрузки Dm).

Для этого исследуйте зависимость ускорения aот Dm . Законы Ньютона позволяют получить формулу для ускорения грузов. Эта формула предсказывает линейную зависимость грузов от массы перегрузка

. (6)

Здесь k₁ и k₂ – число малых грузов на левом и правом грузах соответственно, k = k₁ - k₂ - общее число перегрузков.

Если момент силы трения является постоянной величиной, то, как следует из формулы (6), ускорение грузов будет линейно зависеть от массы перегрузков.

1. Установите платформу с фотоэлементом на расстоянии 40-45 см от нижнего основания груза 3.

2. Определите время движения грузов на заданной высоте h при перегрузке 2Dm, 4Dm , 6Dm, 8Dm, 10Dm, 12Dm, 14Dm и16Dm. Каждый опыт провести 4-5 раз. Найдите среднее значение времени движения t в каждой серии опытов. Полученные результаты занесите в табл.2.

Таблица 2

№ п/п h (см) kDm t (c) a (см/с²)

2Dm

4Dm

6Dm

8Dm

10Dm

12Dm

14Dm

16Dm

3. Постройте график зависимости ускорения a от массы перегрузки kDm . График стройте в координатах a - k. Убедитесь, чтоaлинейно возрастает с ростом k, а следовательно с ростом kDm . Проведите анализ полученных результатов. Сделайте выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сформулируйте законы Ньютона.

2.Выясните, что такое масса, сила.

3.Какую форму приобретает второй закон Ньютона для вращающихся тел?

ЛИТЕРАТУРА

1. Физический практикум. Механика и молекулярная физика. Под ред. Ивероновой В.И. 1967 г., с. 51-54.

2. Сивухин Г.В. Общий курс физики. т.1, 1974, 9-12, С. 191.

3. Неручев Ю.А. Вводный практикум по экспериментальной и общей физике. Курск, изд. КГУ, 2001, 119 с.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: