Отримання знань

Лабораторна робота № 5

 

Теоретичні відомості

Другий закон Ньютона стверджує, що прискорення тіла  прямо пропорційне до прикладеної до тіла сили  і обернено пропорційне до маси тіла m:

(1)

Для експериментальної перевірки цього закону необхідно виміряти прискорення , з яким рухається тіло масою m під дією сили .

Рух тіла по колу радіусом R з постійною за модулем швидкістю  відбувається під дією постійної за модулем сили , яка направлена до центра кола. При цьому модуль доцентрового прискорення  зв’язаний з модулем лінійної швидкості  та радіусом кола R:

(2)

Якщо здійснити рух тіла відомої маси m по колу радіуса R з постійною швидкістю  і виміряти силу, яка надає тілу доцентрового прискорення, то можна експериментально перевірити виконання рівності:

 (3)

яке слідує з рівнянь (1) та (2).

 

Контрольні запитання

1)  Сформулюйте означення рівномірного руху. Назвіть відомі Вам параметри рівномірного руху по колу. Розкрийте фізичний зміст лінійної та кутової швидкостей.

2)   Сформулюйте означення періоду, та частоти рівномірного руху тіла по колу. Запишіть та доведіть такі формули зв’язку: а) між частотою ( або періодом) та кутовою швидкістю;    б) між частотою та лінійною швидкістю; в) між лінійною та кутовою швидкостями.

3)  Сформулюйте означення рівноприскореного руху та прискорення. Подайте математичний запис законів рівноприскореного руху. Яке прискорення називають доцентровим, що воно характеризує?

4)  Що називають інерціальними системами відліку. Які системи відліку можна вважати інерціальними. Наведіть приклади.

5)  Сформулюйте три закони Ньютона та наведіть їх математичний запис. За яких умов можна використовувати другий закон Ньютона?

 

Розв’яжіть тренувальні задачі

1)  Хлопчик масою 50 кг гойдається на гойдалці з довжиною підвісу  4 м. З якою силою він тисне на сидіння при проходженні положення рівноваги з швидкістю 6 м/с?

2)  Важок масою 100 г обертається на невагомій нерозтяжній нитці у горизонтальній площині по колу радіусом 0,1 м. Довжина нитки 1 м. Знайдіть силу натягу нитки, доцентрове прискорення важка та частоту його руху.

3)  Вантаж, який підвісили на мотузці довжиною 60 см, описує в горизонтальній площині коло. З якою швидкістю рухається вантаж, якщо під час його руху мотузка утворює з вертикаллю кут 30⁰.

4)  Горизонтально розташований диск програвача обертається з частотою 78 об/хв. На нього помістили невелике тіло. Найбільша відстань від тіла  до осі обертання, при якій тіло ще не зісковзує з диску 7 см. Який коефіцієнт тертя між тілом і диском? 

 

Хід роботи

І. Дослідження залежності прискорення від маси рухомого тіла при сталій діючій силі.

1.      Опрацюйте теоретичні відомості та інструкцію лабораторної роботи. Підготуйте у роботі таблицю даних 1.

2.      Визначте маси гумових пробок  та .

3.      Прив’яжіть пробку масою  до кінця нитки довжиною 30 – 40 см. Інший кінець нитки пропустіть через трубку, закріплену на планці динамометра та прив’яжіть до гачка динамометра.

4.      Почніть обертати пробку у  горизонтальній площині (рис 1) . Встановіть таку постійну швидкість руху пробки по колу, при якій сила пружності, яка є причиною виникнення доцентрового прискорення, дорівнює 2 Н. 5.      Виміряйте час  за який пробка здійснить 20 обертів по колу. 6.      Дослід (пункти 3 - 5) повторіть мінімум тричі і знайдіть середнє значення часу  . Результати вимірювань запишіть до таблиці даних 1. 7.      Повторіть дослід (пункти 3 - 6) з пробкою масою , визначивши середнє значення часу , за який пробка масою здійснить 20 обертів по колу під дією такої ж сили пружності (2 Н). Результати вимірювань запишіть до таблиці даних 1.

рис 1

8.      Обчисліть відношення доцентрових прискорень пробок  і  масами  і під дією однакових сил. При однакових числових значеннях сили пружності і однаковій довжині нитки обидві пробки рухаються по колам однакового радіуса R і за 20 обертів проходять однакові шляхи . Тоді відношення їх доцентрових прискорень дорівнює:

(4)

9.      На основі другого закону Ньютона модулі доцентрових прискорень пробок при однакових значеннях діючих сил дорівнює:

,  

    Звідки відношення доцентрових прискорень при однаковому числовому значенні діючих    

    сил дорівнює:

 (5)

10. Результати обчислень запишіть до таблиці даних 1.

11. Обчисліть похибки отриманих відношень (4) та (5). Зробіть висновок. У висновку опишіть свої здобутки, яких Ви набули, виконуючи дану роботу; порівняйте відношення доцентрових прискорень (4), отримане з досліду, з відношенням цих же прискорень (5), отримане на основі другого закону Ньютона, на основі проведеного порівняння зробіть висновок про залежність прискорення тіла від його маси при постійній діючій силі;  опишіть причини похибок;  що б Ви запропонували для покращення чи вдосконалення даної роботи, що зробило б  її більш цікавою для Вас.

 

ІІ. Дослідження залежності прискорення від діючої сили при постійній масі тіла.

1.      Опрацюйте теоретичні відомості та інструкцію лабораторної роботи. Підготуйте у роботі таблицю даних 2.

2.      Прив’яжіть до нитки пробку масою  і починайте обертати її рівномірно у горизонтальній площині. Встановіть таку постійну швидкість руху пробки по колу, при якій сила пружності, яка є причиною виникнення доцентрового прискорення, дорівнює   2 Н.

3.      Виміряйте час  за який пробка здійснить 20 обертів по колу та радіус кола , по якому рухається пробка. Радіус кола  виміряйте таким чином: підвісьте пробку до динамометра, як це описано в пункті 3 (завдання І); рукою відтягніть пробку вниз до тих пір, поки покази динамометра дорівнюватимуть 2 Н; в цьому положення виміряйте довжину нитки від трубки, через яку продіта нитка, до пробки – це і буде довжина кола , по якому рухається пробка.

4.      Дослід (пункти 3 - 5) повторіть мінімум тричі і знайдіть середнє значення часу  .

5.      Знайдіть середнє значення доцентрового прискорення пробки  за другим законом Ньютона:  (6). Результати вимірювань запишіть до таблиці даних 2.

6.      Обчисліть доцентрове прискорення пробки  за часом її руху по колу радіусом :

 (7)

7.      Результати обчислень запишіть до таблиці даних 2. Порівняйте прискорення , обчислене за другим законом Ньютона, і прискорення , отримане на основі досліду.

8.      Повторіть дослід (пункти 2 - 7) для будь-яких двох інших значень сили пружності. Результати вимірювань та обчислень запишіть до таблиці даних 2.

9.      На основі отриманих результатів на міліметровому папері побудуйте графіки залежності прискорення тіла від прикладеної сили для прискорень  та :  та .

10. Обчисліть похибки вимірювань та обчислень. Зробіть висновок. У висновку опишіть свої здобутки, яких Ви набули, виконуючи дану роботу; зробіть висновок про характер залежності прискорення від прикладеної до тіла сили при незмінній масі тіла;  опишіть причини похибок;  що б Ви запропонували для покращення чи вдосконалення даної роботи, що зробило б  її більш цікавою для Вас.

 

ІІІ.  Вивчення руху тіла по колу під дією сил пружності і тяжіння на прикладі конічного

        маятника.

1.      Опрацюйте теоретичні відомості та інструкцію лабораторної роботи. Підготуйте у роботі таблицю даних 3.

2.      Нитку завдовжки близько 45 см прив’яжіть до тягарця масою 100 г і підвісьте до кільця штатива (рис 2 а).

3.      Один з дослідників взявшись двома пальцями за нитку біля точки підвісу приводить важок в обертальний рух.

а)	б)
рис 2

4.      Другий дослідник вимірює мірною стрічкою радіус кола R, по якому рухається тягарець. Коло можна заздалегідь накреслити на папері і по цьому колу привести у рух маятник.

5.      Визначте час, за який маятник зробить 20 обертів та знайдіть період його обертання .

6.      Дослід (пункти 3 - 5 ) повторіть 3 - 5 разів не змінюючи радіус кола R, по якому рухається важок, та знайдіть середнє значення періоду обертання маятника .

7.      Обчисліть значення доцентрового прискорення за формулою: . Результати вимірювань та обчислень запишіть до таблиці даних 3.

8.      Виміряйте модуль рівнодійної F, зрівноваживши її силою пружності динамометра, відтягнувши з допомогою динамометра важок на відстань R від положення рівноваги, так як це показано на рис 2 б. Результати вимірювань запишіть до таблиці даних 3.

9.      Дослід (пункти 3 - 8) повторіть ще мінімум для двох кіл різного радіуса. Результати вимірювань та обчислень запишіть до таблиці даних 3. На основі отриманих результатів на міліметровому папері побудуйте графік залежності сили F  від радіуса кола R: F(R),  та встановіть цю залежність теоретично.

10. Обчисліть похибки вимірювань та обчислень. Зробіть висновок. У висновку опишіть свої здобутки, яких Ви набули, виконуючи дану роботу; порівняйте значення сили, отримане динамометром з добутком розрахованого доцентрового прискорення та маси тягарця;  що б Ви запропонували для покращення чи вдосконалення даної роботи, що зробило б  її більш цікавою для Вас.