Лабораторные работы по общему курсу физики

Измерения и погрешности измерений
Построение и оформление графиков
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
Определение ускорения свободного падения
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
МЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕЛ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ КОНВЕКЦИИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА

Приборы и принадлежности: машина Атвуда, довески грузов различной массы.

Цель работы: экспериментальная проверка законов равномерного и равноускоренного движения, а также определение ускорения свободного падения тел.

Краткая теория

Подпись:  
Рис. 2.1


Рис. 2.1.














Рис. 2.1
Рассмотрим движение системы, состоящей из двух грузов, соединенных нитью, перекинутой через блок (рис. 2.1). Сделаем допущения, что блок невесомый, в блоке отсутствует трение и нить нерастяжима. Данные условия могут иметь место на практике, когда масса блока намного меньше массы грузов, блок установлен на шарикоподшипниках с малым коэффициентом трения и используется слабокрученая шелковая нить, которая имеет незначительную вытяжку под нагрузкой. В этом случае поправки, вносимые в расчет указанными факторами, настолько малы, что ими можно пренебречь.

Если массы грузов одинаковы, то силы, действующие на систему, взаимно уравновешиваются и она находится в покое. Если же масса одного из грузов больше другого, то система под действием постоянной силы  будет двигаться с постоянным ускорением a.

Таким образом, на участке s, где масса правого груза больше массы левого на величину довеска m, система будет двигаться р а в н о у с к о р е н н о. В точке О довесок m снимается с груза М и удерживается специальным приспособлением. В результате суммарная сила, действующая на систему, равна нулю. Но так как к этому моменту система двигалась со скоростью  то в соответствии с первым законом Ньютона она будет продолжать двигаться по инерции с постоянной скоростью, т. е. на участке  движение системы будет р а в н о м е р н ы м.

На рис. 2.1 обозначено: 1-стойка; 2-грузы системы массой М; 3-нить; 4-блок; 5-довесок; 6-устройство, снимающее довесок с системы.

На участке s движение системы описывается уравнениями

 (2.1)

так как  Решая систему (2.1) относительно  получим

 (2.2)

На участке  движение системы описывается уравнением  где  Отсюда

 (2.3)

Но так как конечная скорость движения на участке s в дальнейшем при движении по участку  остается постоянной и  то после подстановки выражения (2.3) в формулу (2.2) имеем

 (2.4)

Решая систему (2.1) относительно t, получим  а после подстановки  из (2.3)

 (2.5)

Таким образом, измерив  и  можно вычислить  и построить зависимости    

С другой стороны, движение системы на участке s осуществляется в соответствии со вторым законом Ньютона:

где  – масса системы, равная  Fс - равнодействующая внешних сил, действующих на систему. Очевидно, что  Fс = mg, откуда

 (2.6)

где  определяется по формуле (2.4).

Описание лабораторной установки

Подпись:  
Рис. 2.2




Рис. 2.2
Машина Атвуда (рис. 2.2) состоит из вертикальной стойки 4, закрепленной на основании 1. В верхней части стойки закреплена втулка 8, на которой установлены ролик 9 и электромагнит, который в заторможенном положении удерживает систему в неподвижном состоянии. Через ролик перекинута нить 5, на концах которой закреплены грузы 11 одинаковой массы М. На правый груз устанавливается довесок 10 массой m. Верхний кронштейн 7 и средний 6 могут перемещаться вдоль стойки и фиксироваться в любом положении. На среднем кронштейне установлено кольцо 12, снимающее с системы довесок. На среднем 6 и нижнем 2 кронштейнах установлены фотоэлектрические датчики 13 и 14, входящие в систему отсчета времени. На блоке 15, расположенном на основании, имеются секундомер и клавиши управления:

секундомер 17 представляет собой табло с высвечивающимися цифрами времени;

клавиша ''Сеть'' 16, при нажатии клавиши напряжение подается на систему управления и электромагнит, который тормозит систему; высвечивается табло секундомера и загораются лампочки фотоэлектрических датчиков;

клавиша ''Пуск'' 18, при нажатии на клавишу электромагнит растормаживает систему; при отжатии клавиши включается электромагнит и тормозит систему;

клавиша ''Сброс'' 19, при нажатии на клавишу обнуляется табло секундомера, а если при этом нажата клавиша ''Пуск'', то система растормаживается и начинается движение.

Порядок выполнения работы

!!! ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ !!! Чтобы не сломать электро-магнитное сцепление, все перемещения грузов M производить только тогда, когда на циферблате горят одни нули и нажата клавиша “Пуск”.

Упражнение №1. Экспериментальная проверка законов

равномерного и равноускоренного движений

1. Установите и зафиксируйте средний кронштейн на 100-200 мм ниже верхнего. При этом правый груз M должен свободно проходить через кольцо 12 среднего кронштейна, не задевая его.

2. Запишите массу грузов системы 2М=124,2 г и массу довеска m=15,3 г.

3. Включите установку в сеть и нажмите клавишу ''Сеть''. При этом должны загореться табло секундомера, лампочки фотоэлектрических датчиков и включиться электромагнит, затормозив систему. Если один из элементов не сработал, сообщите об этом лаборанту.

4. Нажмите на клавишу ''Пуск''. Поднимите правый груз в крайнее положение и отпустите клавишу ''Пуск''. Система при этом затормозится, а счетчик времени начнет отсчет. Нажмите на клавишу ''Сброс'' и обнулите систему. Установите на правый груз довесок.

5. По нижнему обрезу прорезей на кронштейнах определите в сантиметрах положение верхнего  среднего  и нижнего  кронштейнов. По формулам  и  вычислите длину участков равноускоренного и равномерного движения и результаты занесите в табл. 2.1.

6. Отрегулируйте правый груз с довеском так, чтобы нижний край груза М находился строго на уровне риски на верхнем кронштейне.

7. Нажмите на клавишу ''Пуск''. При этом система растормаживается и правый груз с довеском опускается. При прохождении через средний кронштейн довесок снимается с груза и система продолжает двигаться по инерции, а фотоэлектрический датчик включает секундомер. При пересечении грузом светового луча нижнего датчика секундомер выключается и система тормозится.

8. Занесите показания секундомера в табл. 2.1. Нажмите на клавишу ''Сброс''. При этом обнулится секундомер и растормозится система.

9. Поднимите правый груз довеском вверх и отожмите клавишу ''Пуск'', чтобы затормозить систему. Замеры времени  повторите 3 раза (выполняя пп. 6-9) при данном положении среднего кронштейна и рассчитайте

10. Сдвигая средний кронштейн вниз на 20-60 мм, замерьте новое время опускания груза  повторяя пп. 5-9. Данные пяти замеров занесите в табл. 2.1.

 Таблица 2.1

Номер

замера

Время, с

1

2

3

4

5

 

11. По любому из замеров табл. 2.1 произведите оценочный расчет  по формуле (2.4).

12. При оформлении отчета для всех замеров табл. 2.1 по формулам (2.4), (2.5), (2.1) и (2.3) вычислите  и  рассчитайте  Результаты расчетов занесите в табл. 2.2.

 Таблица 2.2

Номер

замера

1

2

3

4

5

 13. Для одного из замеров табл. 2.2 постройте на одном графике две зависимости s(t) длины пути от времени – для равноускоренного и равномерного движений. Сделайте выводы.

 14. Для этого же замера табл. 2.2, постройте на одном графике две зависимости  скорости от времени – для равноускоренного и равномерного движений. Сделайте выводы.

Упражнение № 2. Определение ускорения свободного падения

1. Используя значение  из оценочного расчета упражнения № 1, по формуле (2.6) произведите оценочный расчет g .

2. При оформлении отчета, используя значения  из табл. 2.2, вычислите g для всех замеров, определите по методу Стьюдента абсолютную погрешность результата. Используя табличное значение g, оцените точность расчетов и эксперимента.

Техника безопасности

При выполнении работы соблюдайте общие требования безопасности в соответствии с инструкцией для лаборатории механики.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение поступательного движения.

2. Дайте определение равномерного, равнопеременного движения.

3. Приведите уравнения равномерного, равнопеременного движения.

4. Как (за счет чего) движется система в эксперименте на участке ?

5. Дайте определение ускорения свободного падения.

6. Как в условиях эксперимента в данной лабораторной работе убедиться, что движение на участке  равномерное?

7. Какие должны быть углы наклона касательных к функциям  и  в месте их соединения?