2. Лабораторный практикум по физике / Под ред. А.С. Ахматова. – М.: Высш. шк., 1980. – 326 с.
3. Физический практикум. Механика и молекулярная физика / Под ред. В.И. Ивероновой. – М.: Наука, 1967. – 352 с.
Лабораторная работа № 1-3
Изучение динамики поступательного движения
Цель работы: изучение законов динамики поступательного равномерного и равноускоренного движения, определение ускорения свободного падения.
Оборудование: измерительная установка.
Введение
Рассмотрим поступательное движение двух грузов, перекинутых через блок (рис. 1). Нить принимается нерастяжимой; массой нити, моментом инерции блока и трением в оси блока пренебрегаем.
Пусть m1 > m2. Уравнения движения для этого случая выглядят следующим образом:
m1g – Fнат = m1a, (1)
Fнат – m2g = m2a, (2)
где m1 и m2 – массы грузов; Fнат – сила натяжения нити; а – ускорение грузов; g – ускорение свободного падения.
Из (1) и (2) получаем
. (3)
Описание установки
Экспериментальная установка (машина Атвуда) изображена на рис. 2.
На вертикальной колонке 1, закрепленной на основании 7, три кронштейна: неподвижный нижний 6 и два подвижных – средний 5 и верхний 4. Основание оснащено регулируемыми ножками 8, которые позволяют выравнивать положение прибора. Сверху на колонке закреплен ролик 3 и электромагнит (на рис. 2 не показан). Через ролик перекинута нить 2 с привязанными на ее концах одинаковыми грузами М. Электромагнит после подведения к нему питающего напряжения при помощи фрикционной муфты удерживает систему ролика с грузами в состоянии покоя.
Если на одну сторону блока прибавим небольшой груз массой m, тогда система грузов получит ускорение и, передвигаясь с этим ускорением, пройдет путь S1. На специальном кольце, закрепленном на среднем кронштейне, дополнительный груз будет отцеплен, и грузы пройдут уже равномерно путь S2.
На среднем и нижнем кронштейнах имеются фотоэлектрические датчики. При прохождении грузом положения датчика образуется электрический импульс, сигнализирующий о начале равномерного движения грузов и запускающий секундомер. После пересечения грузом линии фотоэлектрического датчика, закрепленного на нижнем кронштейне, соответствующий электрический импульс останавливает секундомер. Таким образом, автоматически определяется время прохождения t2 грузами расстояния S2.
К концу равноускоренного движения грузы имеют ускорение a и скорость V, связанные соотношением V = at1, отсюда
. (4)
Время t1 можно определить из соотношения
. (5)
Со скоростью V система грузов проходит расстояние S2 соответственно:
. (6)
Из выражений (4) – (6) несложно получить:
. (7)
Подставляя (7) в (3), получим результирующее расчетное соотношение для получения ускорения свободного падения:
. (8)
Порядок выполнения работы
1. Проверить, находится ли система грузов М (без перегруза) в состоянии равновесия.
2. Установить верхний и средний кронштейны на заданные преподавателем положения (на кронштейнах имеются указатели положения).
3. Проверить, не задевают ли грузы М при движении кронштейны. Если задевают, то при помощи регулируемых ножек основания привести колонку прибора к вертикальному положению и отрегулировать положение кронштейнов.
4. Проверить визуально наличие и исправность заземления.
5. Подключить установку к сети питания. Переместить правый грузик в верхнее положение (нижний край груза на уровне риски на кронштейне). Нажать клавишу “Сеть”, при этом при ненажатых клавишах “Пуск” и “Сброс” электромагнит с помощью фрикционной муфты должен застопорить ролик 3.
Положить на правый груз дополнительный кольцевой грузик (“перегрузка”). Проверить, находится ли система в состоянии покоя (если система медленно перемещается, то можно слегка нажать на сердечник электромагнита).
6. Нажать на кнопку “Пуск” (система придет в движение). Записать измеренное значение времени движения грузика на пути S2. Нажать клавишу “Сброс”. Поднять груз в первоначальное положение. Нажать клавишу “Пуск” в “утопленном” положении, чтобы она перешла в нормальное (“неутопленное”) положение; ролик застопорится, и система готова к новым измерениям.
7. Повторить измерения с одним перегрузом 4 – 5 раз. Найти среднее значение времени движения < t2>.
8. Найти массу перегруза m на аналитических весах (если он не маркирован). Измерить и записать значения S1 и S2.
9. Рассчитать g по формуле (8).
10. Повторить измерения с другими перегрузами (по указанию преподавателя).
11. Найти среднее значение < g >.
12. Рассчитать погрешность определения g как погрешность косвенных измерений.
.
Дополнительное задание
Определить величину силы трения при измерении ускорения свободного падения на машине Атвуда.