Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Этой компанией tonerpark.ru осуществляется покупка новых картриджей по высокой цене. Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

Описание лабораторной работы 104

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ И КИНЕМАТИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА

Цель работы: проверка второго закона Ньютона и уравнений равноускоренного прямолинейного движения.

Приборы и принадлежности: автоматизированная машине Атвуда с грузами, снабженная фотоэлектрическими датчиками положения грузов, пусковым устройством, электронным секундомером; набор добавочных грузов.

Описание установки. Основные законы движения и кинематики поступательного движения могут быть проверены на машине Атвуда (рис. 1) Она состоит из вертикальной колонки 1 с миллиметровой шкалой. На верхнем конце установлен легкий блок 2, способный вращаться с малым трением. Через блок перекинута легкая нить с грузами Г1и Г2. Основание прибора опирается на регулируемые ножки 3, позволяющие установить колонку в вертикальное положение.

Для определения положения грузов в разные моменты движения на колонку надеты три кронштейна с указателем шкалы. Верхний кронштейн К1 имеет дополнительную метку (черту) для согласования положения верхнего груза Г2. Нижний неподвижный кронштейн К3 снабжен амортизирующей подставкой, останавливающей движение грузов на конце пути. Верхний и средний кронштейны можно перемещать вдоль колонки и фиксировать зажимом в любом положении, задавая таким образом длину пути грузов.

Время движения определяется по электронному секундомеру С. Для этого на кронштейнах К2 и К3 установлены фотоэлектрические датчики ФД положения, сигналами от которых запускается или останавливается секундомер.

Блок 2 соединен с пусковым устройством, позволяющим удерживать грузы в начальном положении, запускать движение и останавливать их после пересечения грузом Г2 светового луча одного их ФД.

Секундомер имеет кнопки «СЕТЬ», «ПУСК», «СБРОС» и справа тумблер Т переключения фотодатчика. Кнопка "СЕТЬ" при нажатии включает установку в электрическую сеть, "СБРОС" – убирает показания секундомера. При отжатом положении кнопки "ПУСК" блок с грузами удерживается пусковым устройством в начальном положении. С нажатием кнопки "ПУСК" блок освобождается и начинается поступательное движение грузов. В зависимости от положения тумблера Т секундомер отсчитывает время движения груза Г2 либо между метками верхнего К1 и среднего К2 кронштейнов (положение тумблера Т – вверх), либо между метками среднего К2 и нижнего К3 кронштейнов (тумблер Т – вниз).

Грузы Г1 и Г2 имеют одинаковую массу . Если на правый груз Г2 положить небольшой добавочный груз с массой , то под действием его силы тяжести  вся система грузов начнет двигаться равноускоренно. Ускорение  можно определить из решения уравнений движения двух грузов с массой  и  блока:

 (1)

где  и   – силы натяжения левой и правой частей нити,   – момент инерции блока,   – его радиус,  – момент силы трения относительно оси блока,  - угловое ускорение,  –ускорение свободного падения.

Определим силу трения, приложенную к нити,

 (2)

и, решив совместно уравнения (I) и (2), получим

 (3)

В этой формуле числитель представляет собой ускоряющую силу

 (4)

Поскольку сила трения в ходе опытов остается постоянной, то при условии << ускорение грузов можно считать пропорциональным весу добавочного груза .

Формула. (3) представляет собой второй закон Ньютона для движения грузов на блоке. Проверить справедливость формулы можно, изучив зависимость между ускорением  и силой тяжести добавочного груза . При этом ускорение системы определяется из формулы пути равноускоренного движения: .

График зависимости  должен представлять прямую линию.

Упражнение I. Проверка второго закона Ньютона

Проверка состоит в установлении пропорциональности между ускорением   и ускоряющей силой  (4). Ускоряющая сила может изменяться путем подбора добавочных грузов при неизменной массе всей системы. В качестве добавочных грузов используются три кольца с массами . Если все добавочные грузы положить на основные Г1 и Г2, то перекладывании их с одного груза на другой масса всей системы останется неизменной. Изменяться будут только внешняя сила  и ускорение грузов.

Необходимо выполнить работу в следующей последовательности:

1. Проверить нормальное положение колонки I. Груз Г2 при вертикальном перемещении должен свободно проходить сквозь кольцевую подставку КП. Положение прибора можно выровнять регулируемыми ножками 3.

2. Включить установку в сеть 220В и нажать кнопку "СЕТЬ". При этом загорятся лампочки фотоэлектрических датчиков, и на табло секундомера появятся цифры.

3. Освободить блок с грузами от пускового устройства и очистить табло секундомера, последовательно нажимая кнопки "ПУСК" и ''СБРОС²*.

4. Привести систему грузов в начальное положение. Для этого левый груз Г1 опустить вниз до упора на подставку и отжатием кнопки "ПУСК" зафиксировать блок.

5. Задать путь равноускоренного движения грузов. Для этого верхний кронштейн К1, освободив от зажима, подвести под нижнюю кромку правого груза Г2 по метке и закрепить в этом положении. Средний кронштейн К2 установить на расстоянии  от верхнего К1 и закрепить. Значение выбранного пути записать в таблицу 1.

6. Установить величину перегрузки . Для этого на левый груз Г1 положить добавочный груз массой , на правый Г2 – массой .Тогда на правом грузе Г2 образуется избыточная масса всей системы , что создаст перегрузку . Величину  и  записать в таблицу 1.

7. Определить время равноускоренного движения грузов. Тумблер Т с правой стороны секундомера поставить в крайнее верхнее положение (тумблер имеет три позиции) и нажать кнопку "ПУСК". При этом вся система грузов приходит в равноускоренное движение. После прохождения грузом Г2 заданного пути  система автоматически затормозится. Секундомер отсчитает время движения. Опыт с данной перегрузкой проделать три раза , вычислить среднее время движения  и результаты записать в таблицу1.

8. Проделать опыты по пунктам 3, 4, 6 и 7 с перегрузкам , определяемыми избыточными массами:

9. Для каждой перегрузки по средним значениям времени движения по одному и тому же пути  вычислить ускорение . Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.

10. Составить график зависимости  и убедиться в справедливости второго закона Ньютона. По графику найти силу трения , численно равную длине отрезка, отсекаемого по оси абсцисс прямой . Значение силы трения  записать в таблицу 1.

Упражнение 2. Изучение законов равноускоренного прямолинейного движения

Проверка уравнений равноускоренного движения, закона пути  и закона скорости  сводится к установлению постоянства отношений  и .

Работу необходимо выполнить в следующей последовательности:

1. Выполнить пункты 1–4 из упражнения 1.

2. Задать путь равноускоренного движения грузов. Для этого средний кронштейн К2 установить на расстоянии  от верхнего К1 и закрепить.

3. Установить величину перегрузки . Для этого на правый груз Г2 положить добавочный груз массой .

4. Определить время  равноускоренного прохождения груза Г2 пути  по пункту 7 упражнения 1. Опыт проделать три раза;  и   записать в табл.1

5. Определить время  равномерного прохождения груза Г2 пути . Для этого привести систему в начальное положение по пунктам 3, 4 упражнения 1, и пункту 3 упражнения 2. Перевести тумблер Т с правой стороны секундомера в крайнее нижнее положение и нажать кнопку "ПУСК". При этом секундомер покажет время равномерного прохождения грузов после снятия перегрузки кольцевой подставкой КП пути  между средним К2 и нижним К3 кронштейнами. Опыт проделать три раза, и значения  и  записать в таблицу 2.

6. Проделать пункты 3-5 настоящего упражнения, установив средний кронштейн К2 на расстоянии  от верхнего К1.

7. По средним значениям времени равноускоренного движения грузов вычислить отношения и . Результаты записать в таблицу 2.

Убедиться в том, что .

8. По средним значениям времени движения грузов вычислить скорость равномерного движения  и . Полагая конечную скорость равноускоренного движения   равной скорости равномерного движения грузов после снятия дополнительного груза, найти отношения  и . Результаты записать в таблицу 2.

Убедиться, в том, что .

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какое движение называется равномерным; равноускоренным? Каковы уравнения этих движений?

Сформулируйте второй закон Ньютона. Как выразить его математической формулой?

Выведите формулу (3) для ускорения грузов на машине Атвуда.

Можно ли пренебречь силой трения в условиях упражнения 1 и 2?

Литература: [1, c.30,49]; [2, c.46]; [3, c.43].

Метод отрыва кольца

Сущность метода состоит в том, что измеряют силу, которую необходимо приложить, чтобы оторвать от поверхности жидкости смачиваемое тонкое металлическое кольцо. Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения  представляет собой торсионные весы Т (рис. 4), у которых вместо чашечки на крючок коромысла подвешено тонкое металлическое кольцо O. С помощью кронштейна к стойке весов крепится делительная воронка А с краном К, заполненная исследуемой жидкостью (водой). Если подвести уровень воды под кольцо так, чтобы оно нижним основанием коснулось поверхности воды, то в результате взаимодействия молекул воды и кольца вода начнет подниматься по стенкам смачиваемого кольца, а само кольцо немного втянется внутрь жидкости. При медленном опускании поверхности воды между кольцом О и поверхностью образуется цилиндрическая пленка П (рис.4, б). Увеличивающая поверхность жидкости стремится сократиться. Сила поверхностного натяжения, действующая на внешнюю и внутреннюю поверхности пленки, тянет кольцо вниз, закручивая пружину торсионных весов. Сила упругости пружины возрастает с закручиванием пружины по мере понижения уровня воды, и в момент отрыва кольца от поверхности воды будет равна силе F  поверхностного натяжения. Разрыв поверхности жидкости происходит по внешней и внутренней окружностям кольца, общая длина которых для тонкого кольца близка к величине , где D – диаметр кольца. Коэффициент поверхностного натяжения найдем по формуле (2)

                .                                                                     

Уровень воды в делительной воронке опускают и поднимают с помощью резиновой груши (рис. 4) при открытом кране К.

Порядок выполнения работы

1. При арретированной весовой системе (рычаг R арретира отведен влево) установить весы по уровню с помощью винтов так, чтобы пузырек уровня находился в центре кружка.

2. Привести весы к нулевому положению. Для этого повесить на крючок добавочный грузик 100 мг, указательную стрелку поставить на нулевую отметку шкалы, освободить арретир, совместить нулевой штрих подвижной шкалы с положением контрольной стрелки.

3. Отведя рычаг R влево, арретировать весовую систему, снять добавочный грузик в 100 мг.

4. Отведя рычаг вправо, освободить весовую систему, открыть кран К и, слегка нажимая на резиновую грушу, медленно подвести уровень воды под нижнее основание кольца. Контрольная стрелка М должна быть немного правее нулевого штриха подвижной шкалы.

5. Для измерения силы поверхностного натяжения открыть кран настолько, чтобы вода очень медленно убывала из делительной воронки, и когда контрольная стрелка М совместится с нулевым штрихом подвижной шкалы, удерживать ее в этом положении, закручивая рычагом S пружину весов. Зафиксировать положение указательной стрелки (показание весов ), при котором кольцо отрывается от поверхности воды. Измерение повторить не менее 10 раз и вычислить среднее значение.

6. Так как оторвавшееся от поверхности воды кольцо остается покрытым пленкой воды, оно будет несколько тяжелее сухого, вес которого соответствовал нулевому положению весов. Поэтому среднее значение силы поверхностного натяжения

,

где < f > – средний вес мокрого кольца. Поскольку вес мокрого кольца мало изменяется при отдельных измерениях, его можно определить один раз в конце измерений. Для этого арретировать весы, повесить на крючок добавочный грузик в 100 мг, освободить весовую систему и зафиксировать показание весов f.

Кольцо из делительной воронки не вынимать!

7. Вычислить среднее значение коэффициента поверхностного натяжения

                                                       

Удвоенная длина окружности кольца м.

8. Вычислить абсолютную погрешность среднего значения коэффициента поверхностного натяжения.

9. Записать окончательный результат

σ = < σ > + Δσ.                                                     

Б. Метод отрыва капель

Второй метод определения коэффициента поверхностного натяжения заключается в следующем. При истечении жидкости из узкой трубки при малом расходе образующиеся капли непосредственно перед отрывом висят на шейке (рис. 5), при этом сила тяжести Р, действующая на каплю, уравновешивается силами поверхностного натяжения, действующими по контуру , ограничивающему поперечное сечение шейки и ее узкой части (D – диаметр шейки в этом месте). Равнодействующую F сил поверхностного натяжения, действующих по контуру , можно представить в виде произведения коэффициента поверхностного натяжения  на длину контура , т.е.

                .                                                                               

Непосредственно перед отрывом капли выполняется соотношение

  или ,                                

где т – масса капли. Пользуясь этим соотношением, можно определить коэффициент поверхностного натяжения

                .                                                                   (3)

Массу одной капли определяют по общей массе n капель. Для этого используют трубку с делениями, имеющую сужение на конце, и кран (бюретку). Бюретка наполняется жидкостью. Если объем жидкости при вытекании из бюретки изменился на величину V  и при этом сосчитано число капель n, то масса m одной капли равна массе вытекшей жидкости  (где  – плотность), деленной на число капель,

                .                                

Подставляя значение m в формулу (3), получим формулу для вычисления коэффициента поверхностного натяжения:

  (4)


Изучение цепи переменного тока