|
|
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
Лабораторная работа №5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ
С ПОМОЩЬЮ МАШИНЫ АТВУДА
Цель работы: Определить ускорение свободного падения с помощью машины Атвуда. Убедиться в справедливости 2-го закона Ньютона.
Приборы и принадлежности: Модульный учебный комплекс МУК-М2: рабочий узел «наклонная плоскость», электронный секундомер ЭС1, два груза на нитях, дополнительные грузы.
Краткое теоретическое введение
Машина Атвуда представляет собой установку (рис.1), которая состоит из:
- легкого блока с неподвижной осью и вращающейся с малым трением;
- двух грузов разной массы (m1 > m2), подвешенных на нерастяжимой невесомой нити, перекинутой через блок.
рис. 1
Если грузы не удерживать, то они будут двигаться равноускоренно. Запишем основные уравнения движения грузов в векторной (1) и скалярной (2) формах:
 (1)
 (2)
Найдем силы натяжения нити N1и N2с учетом того, что ускорения грузов по модулю одинаковые (a1=a2=a):
 ; (3)
Величину ускорения грузов a можно найти экспериментальным путем. Для этого следует измерить время опускания груза t с определенной высоты h:
 (4)
В идеальном случае (когда блок невесомый и трение на оси блока отсутствует) эти силы должны быть равны между собой. В этом случае исходя из формулы (3) ускорение грузов можно вычислить как:
 (5)
Прировняв выражения (4) и (5) можно найти ускорение свободного падения  .
 (6)
Методика эксперимента
Установка представляет собой наклонную плоскость, которую с помощью винта 1 можно устанавливать под разными углами α к горизонту (рис.2). Для машины Атвуда необходимо установить плоскость под углом 90 градусов к горизонту. Через блок 3 перекинута нить 6 с грузами 2 и 8. Для удержания грузов используется электромагнит 9. Для окончания счета секундомера используется фотодатчик 5. Для остановки груза применяется отбойное устройство 4.
рис. 2
Для работы с машиной Атвуда необходимо перевести секундомер СЭ1 в режим работы №1. При этом включится электромагнит 9 и груз 8 будет зафиксирован. После нажатия кнопки «Пуск» секундомера электромагнит выключится, начнется отсчет времени, и грузы начнут равноускоренное движение.
После прохождения фотодатчика 5 произойдет остановка секундомера. Отбойное устройство 4 остановит груз.
Порядок выполнения работы
Нахождение ускорения свободного падения.
Приведите установку в рабочее положение. Груз m2 в работе остается постоянным.
Для трех различных масс опускающегося груза m1 (добавляя подгрузки) измерьте время опускания. С каждой массой проведите опыт трижды. Вычислите среднее время. Данные занесите в таблицу 1.
Рассчитайте ускорение свободного падения по формуле (6) для каждой массы. Сравните их между собой и с табличным значением 9,81 м/с2.
Подсчитайте абсолютную и относительную погрешности косвенного измерения , приняв массы тел за константы, тогда 
Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.
Таблица 1
№
|
m1, кг
|
t, с
|
 , с
|
h, м
|
,м/с2
|
 ,м/с2
|
|
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
3
|
|
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
3
|
|
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
3
|
|
|
Проверка основного закона динамики.
Вычислите теоретические значения ускорения системы а по формуле (4). Сравните их с данными, полученными экспериментально по формуле (5). Для вычисления ускорения по формуле (5) возьмите табличное значение  м/с2. Результаты занесите в таблицу 2.
Таблица 2
№
|
m1, кг
|
, с
|
h, м
|
a,м/с2
(эксп.)
|
a,м/с2
(теор.)
|
N1, Н
(эксп.)
|
N2, Н
(эксп..)
|
N1, Н
(теор.)
|
N2, Н
(теор.)
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассчитайте величины сил натяжения N1 и N2 по формуле (3) сначала для экспериментальных значений ускорения а, затем для теоретических значений а. Результаты расчетов занесите в таблицу 2.
Сравните теоретические и экспериментальные величины сил натяжения N1 и N2. Сделайте выводы о том выполняется ли основной закон динамики?
Контрольные вопросы
Запишите 2-й закон Ньютона для грузов машины Атвуда.
Запишите кинематическое уравнение движения грузов.
Как можно вычислить ускорение грузов? Выведите формулу (5).
Равны ли экспериментальные значения сил натяжения N1 и N2 для грузов m1 и m2? Чем это объясняется?
*Запишите систему уравнений 2-го закона Ньютона с учетом того что силы N1 и N2 не равны. Сколько в этой системе неизвестных? Добавьте необходимое уравнение движения для блока и решите систему, т.е. найдите ускорение системы а и силы N1 и N2.
Как находится в работе ускорение свободного падения ?
Совпадает ли найденное в работе ускорение с табличной величиной? В чем возможные причины расхождения значений?
Отчего зависит ускорение свободного падения?
Как изменится ускорение системы а и ускорение свободного падения, если учесть силы трения?
|
|
|
Скачать 0.7 Mb.