Описание экспериментальной установки

Установка для определения ускорения свободного падения (рис. 6.1) состоит из вертикальной штанги 1 с сантиметровой шкалой, счётчика-секундомера 2 и фотоэлектрического датчика 3, укрепленного на штативе.

Ш

Рис. 6.1. Схема экспериментальной

установки

танга с помощью 2-х кронштейнов крепится к стене. К штанге прикреплены электромагнит 4 (для фиксации начального положения шарика 7) и шарикоприёмник 5. Электромагнит можно перемещать вдоль штанги с помощью кронштейна 6.

Взаимное расположение электромагнита 4 (его острия) и штатива с датчиком 3 должно быть таким, чтобы шарик 7 при падении пересёк луч датчика.

Счётчик-секундомер позволяет производить отсчёт времени с точностью 0,01с. На передней панели счётчика-секундомера расположены:

8 - информационное световое табло;

ЭМ - гнёзда для подключения электромагнита 4;

Д₂- гнездо для подключения электромагнитного датчика 3;

9 - клавиша «СЕТЬ» (для подключения напряжения на фотоэлектрический датчик и электромагнит);

10. - клавиша «ПУСК» (для обесточивания электромагнита);

11. - клавиша «СТОП» (для прекращения отсчёта времени);

12. - клавиша «СБРОС» (для обнуления светового табло).

Правила работы с установкой для определения ускорения свободного падения

1. Проверить работоспособность счётчика-секундомера:

1. подключив к секундомеру электромагнит 4 и датчик 3, включить секундомер;

2. нажать сначала на клавишу «СЕТЬ» (остальные клавиши должны быть в отжатом состоянии), а затем на клавишу «ПУСК» (при этом должен начаться отсчёт времени на табло 8);

3. прервать луч датчика (отсчёт времени должен прекратиться);

4. нажать на кнопку «СБРОС» (табло 8 должно вернуться в исходное состояние).

2. Вращая кронштейн 6, и перемещая штатив с датчиком, добиться правильного расположения электромагнита 4 относительно датчика 3 (использовать отвес 13). При правильном положении электромагнита на нити отвеса виден световой зайчик. Затем отодвинуть отвес.

3. Нажать на клавишу «СЕТЬ» и подвесить шарик 7 к электромагниту.

4. Нажать на клавишу «ПУСК» и снять показания со светового табло 8 после прекращения отсчёта времени (причина последнего – пересечение светового луча датчика падающим шариком). Если шарик не прервёт луч необходимо нажать последовательно на клавиши «СТОП» и «СБРОС», а затем повторить пункт 2.

5. Сняв показания отсчёта времени, нажать на клавишу «СБРОС» (вернув тем самым счётчик секундомер в исходное состояние).

6. По окончании измерений все клавиши счётчика-секундомера должны быть в отжатом положении. Прибор отключить от сети.

Измерения и обработка результатов

Упражнение 1. Графический метод определения ускорения свободного падения

1. Привести установку в рабочее состояние (использовать инструкцию «Правила работы с установкой для определения ускорения свободного падения»).

2. Измерить время падения шарика с различных высот (изменять высоту, меняя положение электромагнита каждый раз на 20 см). Время падения с каждой высоты измерить не менее 3-х раз. Данные измерений занести в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

№ опыта	Высота H, м	Время падения шарика				, с^2
		t1, с	t2, с	t3, с	tср, с
1
2
3
4
5

3. Построить график зависимости H от (t_ср)².

4. По данным графика и по формуле (6.2) вычислить ускорение свободного падения g_граф. Сравнить полученное значение с табличным.

Упражнение 2. Аналитический метод определения ускорения свободного падения

1. Используя экспериментальные данные для высоты и времени падения, полученные в упражнении 1, вычислить ускорения свободного падения g₁,g₂,g₃,g₄,g₅ по формуле (6.2).

2. Определить среднее значение ускорения g_сри среднеарифметическую погрешность Δg_срего измерения:

,

здесь индекс iсоответствует номеру измерения, аn– общее число измерений.

3. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 6.2.

Таблица 6.2

№ опыта	H, м	g, м/с^2	Δg, м/с^2
1
2
3
4
5
ср.	–

4. Записать результат с учётом погрешности в следующем виде:

g=g_ср± Δg_ср.

5. Сравнить полученное значение ускорения свободного падения с табличным.

Упражнение 3. Оценка справедливости метода измерений.

1. Определить в % отношении для стального шарика, где

mg– сила тяжести;

F_сопр= 6πηrυ– сила сопротивления воздуха (формула Стокса);

η= 2 ∙ 10^-5кг/(м∙с) – коэффициент вязкости воздуха;

υ – скорость падения шарика;

r – радиус шарика.

2. Сделать вывод, о том является ли падение шарика в опыте свободным.