Лабораторный практикум

Лабораторная работа №1.
Изучение законов поступательного движения твердых тел

Упражнение №1. Определение ускорения силы тяжести по времени падения тел с заданной высоты

Цель работы: изучение законов кинематики и динамики поступательного движения твердых тел и методов определения ускорения силы тяжести.

Литература: §§1-8, 23.

Приборы и материалы: установка, секундомер, транспортир, масштабная линейка.

Установка для определения ускорения силы тяжести состоит из диска 1, насаженного на ось мотора, заключенного в кожух 2. На кожух опирается штатив 3, несущий на себе два электромагнита 4. Электромагниты удерживают тела 5 с заостренными концами. Электромагниты питаются постоянным током от выпрямителя ВС-12, подключенного к клеммам 6. Выключатель 7 служит для размыкания цепи электромагнитов. Мотор, вращающий диск, питается переменным током от сети 220 В. Пуск и остановка мотора производится выключателем 8. При размыкании электромагнитов тела будут свободно падать на поверхность диска.

При этом

(1.1)

где h₁ и h₂ - расстояния, пройденные соответственно 1 и 2 телами; t₁ и t₂ - время падения 1 и 2 тел; g - ускорение силы тяжести. Зная h₁ и t, по формулам (1.1) можно определить ускорение силы тяжести. Расстояния h₁ и h₂ измеряются масштабной линейкой от концов заостренных тел до поверхности диска. Время падения тел t₁ и t₂ определяется по углу поворота диска за время падения тел: φ₁ = ωt₁; φ₂ = ωt₂, где ω - угловая скорость равномерно вращающегося диска; φ₁, φ₂ - углы поворота диска за время падения 1 и 2 тел. Определим разность этих углов

(1.2)

Подставив в равенство (1.2) значения t₁ и t₂ из формул (1.1), найдем g:

(1.3)

Разность углов Δφ определяем следующим образом: электромагниты закрепляем на разных высотах. Замыкаем ключом 7 цепь электромагнитов. К центрам сердечников электромагнитов подвешиваем тела. На диск накладываем белый лист бумаги. Размыкаем цепь электромагнитов. Тела падают на неподвижный диск, оставляя при этом следы на бумаге. Следы отмечаем карандашом и соединяем их с центром диска. С помощью транспортира измеряем угол φ₀. Опыт производим 5 раз. Из полученных данных определяем средний угол φ_{0 ср}. Далее диск приводим во вращение и наблюдаем падение тел на вращающийся диск. Полученные на диске отметки от этого падения тоже соединяем с центром диска и измеряем угол φ. Опыт производим 5 раз и определяем средний угол φ_ср. Разность этих углов и является тем изменением поворота, которое объясняется падением тел с разных высот. Разность углов Δφ_ср = (φ_ср - φ_{0 ср}) выражаем в радианах. Затем определяем частоту вращения диска n: измерьте секундомером время t, в течение которого совершается некоторое число N оборотов диска. Опыт по определению частоты производим 3 раза. Зная частоту вращения диска, рассчитываем угловую скорость диска φ и определяем среднюю угловую скорость φ_ср. Таким образом, зная h₁, h₂, Δφ_ср, по формуле (1.3) рассчитываем ускорение силы тяжести.

Таблица 1

Контрольные вопросы

1. Дайте определения векторов средней скорости и среднего ускорения, мгновенной скорости и мгновенного ускорения. Каковы их направления?
2. Что характеризует тангенциальная составляющая ускорения? Нормальная составляющая ускорения? Каковы их направления?
3. Возможны ли движения, при которых отсутствует нормальное ускорение? Тангенциальное ускорение? Приведите примеры.
4. Сформулируйте три закона Ньютона, покажите, какова взаимосвязь между этими законами.
5. Какова физическая сущность трения? В чем отличие сухого трения от жидкого? Какие виды внешнего (сухого) трения Вы знаете?
6. Какое движение называется свободным падением?