Кинематика и динамика поступательного движения
Методическое пособие - Разное
Другие методички по предмету Разное
°на, т. е. снабжена электромагнитной муфтой-пускателем и автоматическим секундомером.
Трение в машине Атвуда сведено к минимуму, но для возможно полной компенсации сил трения масса правого груза делается немного больше массы левого (с помощью дроби или пластилина). Операция балансировки, выполняется с таким расчетом, чтобы грузы не перевешивали друг друга, но от легкого толчка вниз правого груза вся система приходила в равномерное движение. (При расчетах можно считать массы грузов одинаковыми).
Для выполнения работы машина Атвуда должна быть установлена строго вертикально, что легко проверить по параллельности шкалы и нити. Кроме того, в тех опытах, где используется кольцевая полочка, положение ее должно быть отрегулировано так, чтобы грузы проходили через кольцо не касаясь его, а перегрузок легко снимался и оставался на полочке.
Теория
Второй закон Ньютона для каждого из тел системы в предположении невесомости блока и отсутствия трения дает
, (1.2)
где Т1,2 силы натяжения нити, m масса каждого груза, m масса перегрузка, а ускорение системы.
В проекциях на вертикальную ось ОY получаем соотношения
(1.3)
Отсюда, так как Т1 = Т2, ускорение движения системы равно
. (1.4)
Из этого выражения видно, во-первых, что ускорение не зависит от времени, что доказывает равноускоренный характер движения грузов. Во-вторых, видно, что изменять ускорение можно, меняя массу перегрузка m.
В случае равноускоренного движения скорость грузов v и их перемещение S за время t определяются уравнениями
. (1.5)
Так как начальная скорость в опытах на машине Атвуда обычно равна нулю и движение условно начинается из начала координат, то
. (1.6)
Будем называть первое из этих соотношений законом скоростей, а второе законом пе-
ремещений.
Соотношения (1.6) могут быть проверены экспериментально.
Проведение эксперимента
Задание 1. Проверка закона скоростей
Измерения
1. Проверяют вертикальность установки машины Атвуда. Балансируют грузы.
2. Укрепляют на шкале кольцевую полочку П1. Регулируют ее положение.
3. Накладывают на правый груз перегрузок в 5-6 г.
4. Двигаясь равноускоренно из верхнего положения до кольцевой полочки, правый груз проходит путь S1 за время t1 и приобретает к концу этого движения скорость v (рис. 5). На кольцевой полочке груз сбрасывает перегрузок и дальше движется равномерно со скоростью, которую он приобрел в конце разгона. Для определения ее следует измерить время t2 движения груза на пути S2. Таким образом, каждый опыт состоит из двух измерений: сначала измеряется время равноускоренного движения t1, а затем груз повторно запускается для измерения времени равномерного движения t2.
5. Проводят 5-6 опытов при различных значениях пути S1 (с шагом 15-20 см). Путь S2 выбирается произвольно. Полученные данные заносят в таблицу 1.1. отчета
Обработка результатов.
1. По полученным данным строят график зависимости v = f(t). Точку (t=0, v=0) на графике не откладывают.
2. Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом и прямая проходит через начало координат, то можно сделать вывод о выполнении закона скоростей.
3. Для определения с помощью полученного графика ускорения движения сначала необходимо получить точное уравнение экспериментальной прямой. Для этого применяют метод наименьших квадратов (МНК). Угловой коэффициент прямой, т.е. значение коэффициента k в полученном уравнении, равен ускорению а.
4. По формулам МНК определяют погрешность измерения а.
Задание 2. Проверка закона перемещений
1. Снимают с машины кольцевую полочку.
2. На правый груз накладывают перегрузок в 5-6 г.
3. Измеряют время прохождения грузом расстояний в 20, 40, 60 и т.д. см всего 6-7 опытов. Полученные данные заносят в таблицу 1.2 отчета.
4. Зависимость S = f(t) квадратичная функция, а ее график парабола. Однако ее графическая идентификация (узнавание) невозможна. Поэтому строят график зависимости S = f(t2). Точку (t=0, S=0) на графике не откладывают. Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом и прямая проходит через начало координат, то можно сделать вывод о выполнении закона перемещений.
5. Как и в задании 1 для линеаризации зависимости применяют МНК. С помощью полученного уравнения находят ускорение движения и определяют погрешность его измерения.
6. Зная массы грузов и перегрузка, из формулы (1.4) находят ускорение свободного падения. Учитывая погрешности измерения масс грузов и перегрузка, находят относительную и абсолютную погрешность измерения ускорения свободного падения.
Задание 3. Проверка второго закона Ньютона.
Поскольку ускорение движения является функцией двух переменных силы и массы, то изучение второго закона Ньютона выполняется путем раздельного исследования двух зависимостей: 1) зависимости ускорения от действующей силы при постоянной массе системы и 2) зависимости ускорения от массы системы при постоянной действующей силе.
Исследование зависимости ускорения от силы при постоянной массе