механика_лабораторные работы. Контрольные вопросы для самопроверки. Пособие содержит методические указания по теории погрешностей. Работы расположены в последовательности изложения материала курса Общая физика, раздел Механика

• Название: Контрольные вопросы для самопроверки. Пособие содержит методические указания по теории погрешностей. Работы расположены в последовательности изложения материала курса Общая физика, раздел Механика
• Дата: 03.02.2023
• Размер: 0.7 Mb.
• Имя файла: механика_лабораторные работы.docx
• Тип: Контрольные вопросы; #918524
• страница: 12 из 19

Лабораторная работа №11
СКАТЫВАНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА С НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Цель работы: Проверить закон сохранения механической энергии при скатывании твердого тела с наклонной плоскости.

Приборы и принадлежности: Модульный учебный комплекс МУК-М2: рабочий узел «наклонная плоскость», два ролика разной массы, электронный секундомер СЭ1.

Краткое теоретическое введение

Рассмотрим скатывающееся тело с наклонной плоскости (рис.1). Оно участвует в двух видах движений: поступательном движении центра масс О и вращательном движении относительно оси, проходящей через центр масс. Скатывание тела без проскальзывания возможно при условии:

(1)

где μ - коэффициент трения скольжения тела о наклонную плоскость (коэффициент трения качения пренебрежимо мал); k – коэффициент, входящий в формулу момента инерции твердого тела правильной геометрической формы относительно оси, проходящей через его центр масс (для диска k=0.5, для шара k=0.4, для обруча k=1)

,

где m – масса тела; R – его радиус.



рис. 1

Поскольку сила трения качения мала, то полная механическая энергия скатывающегося тела постоянна. В начальный момент времени, когда тело покоится на вершине наклонной плоскости на высоте h, его полная механическая энергия равна потенциальной.

(2)

где L – путь, пройденный центром масс; α – угол наклона плоскости.

Кинетическая энергия катящегося тела складывается из кинетической энергии поступательного движения центра масс и вращательного движения относительно оси, проходящей через центр масс:



Учитывая, что (где t – время скатывания тела) получим:

(3)

Методика эксперимента

Исследовать движение тела скатывающегося с наклонной плоскости можно с помощью узла «плоскость» и секундомера СЭ1, входящих в состав модульно учебного комплекса МУК-М2.

Установка представляет собой наклонную плоскость 1, которую с помощью винта 2 можно устанавливать под разными углами α к горизонту (рис.2). Угол α измеряется с помощью шкалы 3. На плоскость может быть помещен ролик 4 массой m. Предусмотрено использование двух роликов разной массы. Ролики закрепляются в верхней точке наклонной плоскости с помощью электромагнита 5, управление которым осуществляется с помощью электронного секундомера СЭ1. Пройденное роликом расстояние измеряется линейкой 6, закрепленной вдоль плоскости. Время скатывания ролика измеряется автоматически с помощью датчика 7, выключающего секундомер в момент касания роликом финишной точки.



рис. 2

Порядок выполнения работы

1. 
   Ослабив винт 2 (рис.2), установите плоскость под некоторым углом α к горизонту. Поместите ролик 4 на наклонную плоскость.
   
2. 
   Переключите тумблер управления электромагнитами механического блока в положение «плоскость».
   
3. 
   Переведите секундомер СЭ1 в режим 1.
   
4. 
   Нажмите кнопку «Пуск» секундомера. Измерьте время скатывания.
   
5. 
   Повторите опыт пятикратно. Проведите математическую обработку результатов. Результаты измерений занесите в таблицу.
   

Таблица

№	m, кг	L, м	α	t, с	, с	W1, Дж	W2, Дж	Q, Дж
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5

6. 
   Вычислите значение механической энергии до, и после скатывания. Сравните их.
   
7. 
   *Если энергии до и после скатывания не равны, то определите, какая часть энергии перешла во внутреннюю энергию Q? Запишите результаты вычислений в таблицу.
   
8. 
   Повторите п.п. 1-7 для других углов наклона плоскости.
   
9. 
   Повторите п.п. 1-8 для второго ролика.
   
10. 
    Сделайте выводы.
    
11. 
    *Вычислите работу силы трения. Сравните ее с величиной энергии перешедшей во внутреннюю энергию. Сделайте выводы.
    

Контрольные вопросы

1. 
   В каких видах движения участвует скатывающееся с наклонной плоскости тело?
   
2. 
   При каком условии тело скатывается без проскальзывания?
   
3. 
   Чему равен коэффициент k для ролика, используемого в работе?
   
4. 
   *Докажите что для диска k=0.5, для шара k=0.4, для обруча k=1. Из чего это следует?
   
5. 
   Из чего складывается кинетическая энергия катящегося тела?
   
6. 
   Определите направление угловой скорости и углового ускорения ролика в работе? Запишите уравнения изменения линейной скорости и угловой скорости скатывающегося тела.
   
7. 
   Какие силы действуют на тело? Запишите основное уравнение динамики поступательного движения для скатывающегося тела.
   
8. 
   Какие моменты сил действуют на скатывающееся тело? Куда они направлены?
   
9. 
   Запишите основное уравнение динамики вращательного движения скатывающегося с плоскости тела?
   
10. 
    *Как найти работу силы трения?
    
11. 
    Запишите закон сохранения механической энергии для скатывающегося с плоскости тела.
    
12. 
    Запишите закон сохранения импульса в векторном и скалярном виде для тела, скатывающегося с плоскости?