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: 3 из 19

Лабораторная работа №2
ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ
ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Цель работы: Убедиться в справедливости основного закона динамики поступательного движения.

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

Краткое теоретическое введение

Основной закон динамики (или второй закон Ньютона) выражает соотношение между силой и изменением скорости (ускорением ) взаимодействующих тел:

, (1)

где m – масса тела.

С помощью основного закона динамики можно определить силы, действующие на тело, либо характер движения (ускорение) по заданным силам. При составлении уравнения движения необходимо пользоваться следующим алгоритмом:

• вначале нужно найти все силы, действующие на данную материальную точку (включая силы реакции);

• затем следует найти равнодействующую этих сил;

• применить основной закон динамики и решить уравнение относительно неизвестной величины.

В данной лабораторной работе предлагается рассмотреть основной закон динамики на примере движения бруска массой m₁по наклонной плоскости (рис.1).



рис. 1

Для создания силы тяги на невесомую, нерастяжимую нить, перекинутую через невесомый, вращающийся с малым трением блок подвешен груз массой m₂. Груз под действием силы тяжести опускается, натягивает нить и заставляет брусок скользить равноускоренно по поверхности наклонной плоскости вверх. На брусок будут действовать: сила тяжести сила тяги , сила трения , сила реакции опоры .На груз будут действовать сила натяжения нити и сила тяжести .

Для описания движения бруска введем инерциальную систему отсчета, ось X1, которой сонаправим с ускорением , а ось Y1 – перпендикулярно к наклонной плоскости. Движение груза будем рассматривать относительно системы отсчета, ось X2 которой направим по направлению ускорения .

Запишем уравнения движения бруска и груза в векторной форме:

(2)

Для решения полученной системы уравнений необходимо знать коэффициент трения μ, входящий в формулу для определения модуля силы трения . Для нахождения этого коэффициента удобнее расположить наклонную плоскость под углом 0° к горизонту. В этом случае:

(3)

Если считать, что блок невесомый и трение на оси блока отсутствует, то эти силы должны быть равны между собой по модулю. Поскольку нить нерастяжима, то ускорения a₁=a₂=a.Модуль ускорения aможно найти, зная длину пути L, пройденную бруском и время его движения:

(4)

Таким образом, решая уравнения (3), можно получить выражения для нахождения коэффициента трения скольжения:

. (5)

Рассмотрим общий случай, при котором α≠0. Систему уравнений (2) в скалярном виде можно представить:

(6)

Если выполняются условия F₁=F₂=F и a₁=a₂=a, то

. (7)

Методика эксперимента

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



рис. 2

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 брусок 4. Для удержания бруска используется электромагнит 5. Пройденное бруском расстояние можно измерить с помощью линейки 6. На нить 10, перекинутую через блок 8 подвешивается груз 9.

В комплект узла «плоскость» входят два бруска и 2 груза различной массы. Каждый брусок состоит из двух частей, изготовленных из различных материалов: дерево-дюраль и дерево-сталь.

Порядок выполнения работы

1. 
   Ослабив винт 2 (рис.2), установите плоскость под углом 0 к горизонту. Поместите брусок 4 (алюминий-дерево) на наклонную плоскость в положении деревом вниз.
   
2. 
   Переключите тумблер управления электромагнитами механического блока в положение «плоскость».
   
3. 
   Переведите секундомер СЭ1 в режим 1.
   
4. 
   Нажмите кнопку «Пуск» секундомера. Измерьте время опускания груза.
   
5. 
   Повторите опыт пятикратно.
   
6. 
   Найдите ускорение бруска по формуле (4) и коэффициент трения по формуле (5). Сравните полученный в опыте результат с табличным значением коэффициента трения скольжения. Результаты всех измерений и расчетов занесите в таблицу №1.
   
7. 
   Измените угол наклона. Опыт проведите пятикратно, взяв среднее время для расчета ускорения по формуле (4).
   
8. 
   Минимум для пяти углов наклона повторите пункт 7. Результаты всех измерений и расчетов для дерева занесите в таблицу.
   
9. 
   Постройте экспериментальную зависимость a(α).
   
10. 
    Сравните полученный результат с теоретическим, найденным по формуле (7). Для расчета теоретического ускорения возьмите значение коэффициента трения скольжения μ из приложения.
    

Таблица

	№	α	L, м	t, с	, с	a, м/с2 (эксп.)	а, м/с2 (теор)	μ
дерево	1	0
	2
	3
	4
	5
	1
	2
	3
	4
	5
	1
	2
	3
	4
	5
	1
	2
	3
	4
	5
	1
	2
	3
	4
	5

11. 
    Постройте на одном графике теоретическую и экспериментальную зависимость a(α).
    
12. 
    Повторите п. 1 - 9, повернув брусок в положение алюминием вниз.
    
13. 
    Результаты всех измерений и расчетов для алюминия занесите в аналогичную таблицу.
    
14. 
    Выведите формулы для абсолютной и относительной погрешности косвенного измерения экспериментального ускорения .
    
15. 
    Вычислите погрешности измерений.
    
16. 
    Сделайте выводы.
    

Контрольные вопросы

1. 
   Сформулируйте основной закон динамики поступательного движения?
   
2. 
   Каков алгоритм при составлении уравнения 2-го закона Ньютона?
   
3. 
   Какие силы рассматриваются в динамике?
   
4. 
   Запишите уравнения движения бруска и груза в векторном и скалярном виде?
   
5. 
   Как в данной работе вычисляется ускорение? Выведите формулу (4).
   
6. 
   Как в данной работе находят коэффициент трения скольжения? Выведите формулу (5).
   
7. 
   Решите систему уравнений (6).
   
8. 
   *Как изменилось бы ускорение бруска и груза, если учесть трение в блоке?
   
9. 
   Какими силами пренебрегли в данной работе?
   
10. 
    Отличается ли экспериментальная зависимость а(α) от теоретической зависимости?
    
11. 
    Какие погрешности присутствуют в работе?