Омск – 2007
Рекомендовано к изданию ученым советом физического факультета26 декабря 2006 года
Механика: Лабораторный практикум. ч. 1. (для студентов физического факультета) / Сост.: Сычёв С.А., Серопян Г.М., Скутин А.А., Югай К.Н., Муравьев А.Б.
Практикум включает 4 лабораторные работы. Материал соответствует Государственному образовательному стандарту по специальности «Физика». Может использоваться студентами других специальностей.
Лабораторная работа № 1
Изучение законов движения тел в поле тяжести Земли
на машине Атвуда.
Цель работы: исследовать законы движения в поле земного тяготения.
Приборы и принадлежности: машина Атвуда с платформами, грузами и перегрузками, электромагнит, электросекундомеры, тумблер-переключатель.
Устройство машины Атвуда изображено на рисунке 1.
Машина Атвуда имеет вертикальную стойку 1, с сантиметровой шкалой. На верхнем конце стойки имеется легкий алюминиевый блок 2, вращающийся с малым трением. Через блок перекинута тонкая нить, на концах которой висят цилиндрические грузы 3 и 4, имеющие равные массы m. На груз 3 и 4 могут надеваться один или несколько перегрузков 6 и 7. Система грузов в этом случае выходит из равновесия и начинает двигаться равноускоренно. При этом включается электрический секундомер, по которому производят отсчет времени движения системы от начала движения до момента пересечения грузом 3 фотодиода на платформе 5, секундомер автоматически выключается в этот момент.
Для точного определения ускорения движения системы необходимо учитывать момент инерции блока. Натяжение нити по обе стороны блока в этом случае будет различным. Запишем уравнения поступательного движения груза с перегрузком M+m (справа), пренебрегая скольжением нити по блоку:
(M+m)g – T1 = (M+m)a, (1)
уравнение для левого груза массы M:
Mg – T2 = – Ma, (2)
где а – ускорение системы, Т1 – натяжение правой нити, Т2 – натяжение левой нити, g – ускорение свободного падения.
Уравнение вращательного движения диска имеет вид:
T1r – T2r = J 
, (3)
где r – радиус блока 2 на рис. 1, J = 
- момент инерции диска. Объединяя (1), (2) и (3), получим
, (4)
где m – масса перегрузка; mб – масса блока. Учет силы трения уменьшает величину ускорения.
 |
2 6
3
1
5
 | |||
 | |||
7
4
 |  | ||
 | |||
 |
Рис. 1. Машина Атвуда.
Из формулы видно, что система будет двигаться с ускорением меньшим, чем ускорение свободного падения. Увеличивая перегрузок m можно увеличить и ускорение системы. Если перегрузок m во время движения снять, то дальнейшее движение системы будет происходить с постоянной скоростью, равной скорости в момент снятия перегрузка.
На стержне платформа с фотодиодом может быть закреплена при помощи зажимного винта в любом месте стойки.
Упражнение 1.
Проверка зависимости пути от времени.
1. На правый груз положить добавочный перегрузок 6, разомкнуть цепь электромагнита и установить систему в начальном положении так, чтобы левый груз 4 находился внизу. Затем установить платформу 5 на некотором расстоянии от нижнего основания правого груза. После этого разомкнуть кнопкой «Пуск» цепь электромагнита и удерживать кнопку до момента пересечения груза с перегрузком линии фотодиода, при этом одновременно запускается электросекундомер, который останавливается в момент пересечения линии фотодиода. Цифровая шкала дает показание времени движения системы. Для достижения большей точности измерений необходимо учитывать силу трения в оси блока. Для этого на правый груз кладут листочки бумаги или картона до тех пор, пока система не будет двигаться равномерно и прямолинейно. После этого их можно разместить внутри правого груза.
2. Выбрать три значения расстояния от груза до платформы и для каждого расстояния провести измерение времени движения для пяти перегрузков разной массы. Результаты занести в таблицу.
3. Вычислить пять значений ускорения, соответствующие пяти перегрузкам и трем положениям платформы, по формуле равноускоренного движения:
. (5)
4. Вычислить значения ускорений по формуле (4) и сравнить значения ускорений, полученных из опыта с расчетным значением. Оценить погрешность проведенных экспериментов.
5. Начертить график зависимости пути от времени.
Упражнение 2.
