Лабораторный практикум лабораторная работа №1

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ НЬЮТОНА НА МАШИНЕ АТВУДА.

Цель: Изучение экспериментальных способов проверки законов равноускоренного движения и II закона Ньютона.

Принадлежности: машина Атвуда с приспособлениями: кольцевой и сплошной платформами, набором основных и дополнительных грузов; секундомер СЭД-1М; выпрямитель; ключ; соединительные провода; весы с разновесками; штангенциркуль.

Описание установки.

Машина Атвуда (рис.1) состоит из вертикального стержня 1, на котором нанесена шкала деления с ценой в 1см. На верхнем конце стержня 1 закреплен легкий блок 2, вращающийся с малым трением. Через блок перекинута тонкая нить с грузами 3 и 3’ (основные грузы) одинаковой массы.

Для остановки движения нити с грузами служит электромагнит 6 с подвижной, прижимающей нить, пластиной 7. Регулировочный винт 8 должен быть зафиксирован в таком положении, чтобы подвижная пластина 7 при выключении электромагнита не препятствовала движению нити и касалась винта 8 внешней стороной.

Масса грузов 3 и 3’ может быть увеличена небольшими добавочными грузами (перегрузками) типа 9. При наличии перегрузка на одном из основных грузов вся система будет двигаться ускоренно, если сила тяжести перегрузка превышает сумму сил трения и инерции блока 2. Поэтому перед началом работы к грузу 3 необходимо подобрать небольшой перегрузок, сила тяжести которого компенсирует силы, препятствующие движению груза 3 вниз (в этом случае при малейшем толчке система движется равномерно).

Для остановки груза 3 служит сплошная платформа 5 с подвижным дном, представляющая собой электровыключатель. Груз 3, падая на поднятое дно платформы 5 и опуская его, замыкает тем самым электрическую цепь. В отсутствие на стержне 1 кольцевой платформы 4 схема электрической цепи, предназначенной для определения времени ускоренного движения груза 3 с некоторой высоты до платформы 5, изображена на рис. 2.

При замыкании ключа К, включается цепь электромагнита, и система грузов неподвижна. При размыкании ключа К электромагнит выключается; система приходит в движение и одновременно автоматически включается секундомер. Секундомер останавливается, когда груз 3, ударяя о дно платформы, опускает его.

Кольцевая платформа 4 служит для снятия перегрузка с груза 3 и устанавливается выше сплошной платформы 5. В этом случае секундомер включается в момент снятия перегрузка и выключается в момент удара груза 3 о дно платформы 5. Схема включения приборов в электрическую цепь приведена для этого случая на рис. 3.

Измерения и вычисления.

1. Проверка закона пути: s = at²/2.

1. Собрать цепь по схеме на рис.2 (платформа отсутствует).

2. Для определенного перегрузка измерить время t₁ прохождения грузом 3 некоторого расстояния s₁ (от нижнего основания груза 3 до платформы 5). Измерения для данного s₁ повторить три раза и найти среднее значение <t₁>.

3. Для того же перегрузка (чтобы ускорение системы было неизменным) найти аналогично время <t₂>, <t₃>, <t₄>, <t₅> для расстояний s₂, s₃, s₄, s₅ соответственно.

4. Сделать вывод выполняетсся ли соотношение

т.е. выполняется ли закон пути s = at²/2

5. Сравнить величину а из формулы (1) с величиной a = mg/M, (2)

где т – масса перегрузков, М – масса всей системы грузов и перегрузков. Объяснить возможное совпадение или несовпадение результатов.

6. Оценить погрешность величины а в формуле (1).

7. Результаты измерений и вычислений представить в виде таблицы и графика зависимости s от t.

2. Проверка второго закона Ньютона: F = Ma.

Электрическая цепь такая же, как и в предыдущем случае. Если перекладывать добавочные грузы с 3’ на 3, то масса всей системы не изменится, но результирующая внешняя сила, приложенная к системе, будет меняться, а с ней и ускорение системы. Для двух различных случаев имеем:

F₁ = Ma₁, F₂ = Ma₂,

s₁ = ½a₁t₁², s₂ = ½a₂t₂².

и отсюда

и что дает (3)

Это выражение и подлежит проверке, проводимой так же, как и в предыдущем случае.

1. Положить на грузы 3 и 3’ перегрузки известных масс т₁ и т₂ соответственно. При т₂>т₁ F₁ = ( т₂ – т₁)g. Определить для трех значений s₁ соответствующие им значения t₁ (каждое t₁ – среднее из трех значений).

2. Положить оба перегрузка на груз 3. В этом случае F₂ = ( т₂ + т₁)g. Определить для трех значений s₂ соответствующие им значения t₂.

3. Проверить равенство выражений типа: s₁t₂²/s₂t₁² между собой и равенство их выражению F₁/F₂. Сделать вывод.

4. Оценить погрешность величины F₁/F₂.

5. Результаты представить в виде таблицы.

3. Проверка закона скорости: υ = at.

1. Собрать цепь по схеме на рис.3 (платформа 4 выше платформы 5).

2. Измерить время t₁ равномерного прохождения грузом 3 расстояния между кольцевой и сплошной платформами. Зная расстояние между платформами, и измерив штангенциркулем высоту груза 3, вычислить скорость равномерного движения υ₁. Проделать не менее трех измерений и взять среднее значение <υ₁>.

3. υ₁ – конечная скорость равноускоренного движения, время которого t₁ измеряется как и в двух первых опытах, если снять кольцевую платформу и на ее место поставить сплошную. Определить t₁ (среднее из трех измерений).

4. Аналогично для других расстояний определить υ₂, υ₃, υ₄, υ₅ и соответствующие им t₂, t₃, t₄, t₅.

5. Сделать вывод выполняется ли соотношение

т.е. выполняется ли закон скорости υ = at.

6. Оценить погрешность величины в формуле (4).

7. Сравнить а из (4) с а из (2). Объяснить результат сравнения.

8. Результаты представить в виде таблицы и графика зависимости υ от t.

Дополнение: Масса перегрузков:

I – 6.32 г.

II – 5.31 г.

III – 39.25 г.