Цель работы: на примере свободного падения тел и движения системы связанных тел количественно изучить основные законы кинематики и динамики поступательного движения и познакомиться с методом определения основных кинетических характеристик (мгновенная скорость, ускорение).
Вопросы для допуска к работе:
1. Поступательное движение. Свободное и несвободное движение.
2. Неравномерное движение по прямой. Средняя и мгновенная скорости.
3. Ускорение, Его физический смысл. Единицы измерения. Равноускоренное движение.
4. Основные уравнения, описывающие движение тела при равнопеременном движении:
а) начальная скорость равна нулю;
б) начальная скорость отлична от нуля.
5. График зависимости скорости от времени при равнопеременном движении:
а) начальная скорость равна нулю;
б) начальная скорость отлична от нуля.
6. График зависимости пройденного пути и перемещения при равноускоренном движении;
7. Свободное падение. Основные кинематические уравнения, описывающие свободное падение.
8. Сила. Второй закон Ньютона.
9. Уравнения, описывающие движение системы связанных тел на машине Атвуда.
Описание приборов, используемых при выполнении работы:
Машина Атвуда настольная электрифицированная предназначена для изучения законов движения системы связанных тел и определения ускорения свободного падения.
Прибор состоит из следующих основных узлов и деталей: корпуса, узла блока, электромагнитного пускателя, подвижного кольца и системы связанных грузов.
Корпус 1 представляет собой вертикальную стойку со шкалой, градуированная часть которой составляет 86 см. Оцифровка делений произведена через каждые 10 см. На оборотной стороне корпуса имеется паз, который позволяет укреплять на нем подвижное кольцо. В нижней части корпуса на оборотной стороне имеется колодка, клеммы 1 -2 которой служат для подключения секундомера, а клеммы 3-4 для подключения источника постоянного тока, необходимого для работы электромагнитного пускателя. В верхней части корпуса с торцов имеются гнезда для подключения электромагнитного пускателя. Корпус опирается на подставку 7, которая имеет винты, необходимые для установки прибора в строго вертикальном положении.
Узел блока 2, установленный сверху стойки корпуса, состоит из блока диаметром 140 мм и кронштейна. На боковой части блока проставлена его масса. На оси блока имеется гайка, с помощью которой осуществляется перемещение диска блока вдоль оси. Для уменьшения трения в корпус блока вплавлен подшипник.
Электромагнитный пускатель 3 служит для пуска и остановки системы грузов при изучении законов кинематики и динамики поступательного движения, а
также для сброса шарика при проведении опытов по изучению законов свободного падения. Он представляет собой электромагнит с подвижным устройством (рис.2). Питание электромагнитного пускателя осуществляется либо от выпрямителя с рабочим напряжением 4 - 6 В, либо от источника, встроенного в секундомер-датчик СЭД-1М. Регулировка зазора между электромагнитом 1 и прижимом 2 осуществляется при помощи винта 3. Оптимальная величина зазора при работе с системой грузов 1 - 2 мм (она выбирается таким образом, чтобы леска или капроновая нить могли свободно перемещаться в зазоре между прижимом, и электромагнитом) и 0,5 - 1 мм при экспериментах по свободному падению. Пускатель устанавливается с правой стороны при изучении законов свободного падения и с левой при изучении законов поступательного движения системы грузов.
Подвижное кольцо 5 (рис. 1) предназначено для снятия перегрузков в экспериментах по определению мгновенной скорости.
Набор грузов 6 состоит из двух грузов, соединенных леской или капроновой нитью. Каждый из грузов, в свою очередь, составлен из двух свинчивающихся цилиндров. Это сделано для того, чтобы можно было при изучении зависимости ускорения от массы изменять массу движущейся системы в два раза. Цилиндры имеют полости, которые нужны для заполнения мелкой дробью при тарировании. На грузах имеются маркировки "П" - правый и "Л" - левый. В набор грузов входят также перегрузки массой 4 г и 2 г, которые используются при проведении опытов по изучению законов равноускоренного движения системы грузов при поступательном движении.
Секундомер-датчик времени СЭД-1М предназначен для работы в качестве измерителя временных интервалов длительностью до 12 с с дискретностью 0,01 с и датчика времени с длительностью выдержек от 0,25 до 11,75 с.
Прибор имеет две шкалы (рис. 3): внешнюю, по которой отсчитываются сотые доли секунды, и внутреннюю - для отсчета целых секунд. Прибор с лицевой стороны снабжен пусковыми зажимами "ВЫХОД", зажимами управления "ВХОД", тумблером для включения секундомера и тумблером выбора режима работы "СЕКУНДОМЕР"/"ДАТЧИК". На верхней крышке прибора имеются две кнопки. Одна из них ("ПУСК") служит для пуска секундомера, другая ("УСТАНОВКА НУЛЯ") - для возврата стрелок на нуль. На задней панели прибора имеются ручки управления контрольными стрелками, окрашенными в красный цвет, для задания желаемых временных интервалов (в режиме датчика).
Клеммы "ВЫХОД" служат для подключения приборов, работающих совместно с секундомером (в данной работе - машина Атвуда).
Список заданий:
Задание 1: Экспериментально проверить закон (формулу) пути равноускоренного движения.
Для выполнения данного задания используется оборудование из задания 2. Останавливая грузы в конце 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и 5-й секунд, определяют расстояния, пройденные грузами. По результатам проведения эксперимента сделать соответствующий вывод.
Задание 2: Измерить мгновенную скорость системы связанных тел в конце1-й, 2-й, 3-й, 4-й секунд. По результатам эксперимента построить график V = ¦(t) и определить ускорение, с которым двигалась система.
Для проведения данного опыта собирают установку, в которую входят машина Атвуда и секундомер-датчик СЭД-1М. Электромагнитный пускатель устанавливается с левой стороны корпуса машины Атвуда. Правый груз с перегрузком 4г устанавливают верхней поверхностью против нулевого деления шкалы и фиксируют включением электромагнитного пускателя. На секундомере-датчике, который подготовлен к работе в режиме "ДАТЧИК", устанавливают желаемый интервал времени Dt. Осуществляют запуск установки нажатием кнопки "ПУСК". Через заданный промежуток времени движение системы грузов прекратится. При этом правый груз пройдет некоторое расстояние S1. После остановки грузов установить на уровне перегрузка правого груза подвижное кольцо. Если теперь вновь пустить грузы от нулевого деления шкалы и остановить их через интервал времени, превышающий предыдущий на ¶t = 1 с, то пройденное правым грузом расстояние будет равняться S2. На последней секунде движения перегрузок снимается и грузы, двигаясь равномерно, проходят расстояние S = S2 – S1. Мгновенная скорость, достигнутая грузами в конце участка равноускоренного движения, определяется по формуле: nмгн = S/¶t.
Аналогичным образом можно определить мгновенную скорость и в другие моменты времени.
Задание 3: Экспериментально проверить зависимость ускорения, с которым двигаются связанные тела, от приложенной силы.
Для выполнения данного задания используется оборудование из задания 2 с полным набором перегрузков. Величина ускорения определяется по формуле:
По результатам проведения эксперимента сделать соответствующий вывод.
