Краткая теория эксперимента

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Утверждено

на заседании кафедры физики

20 мая 2011 г.

 

 

Методические указания

к лабораторной работе № 4

 

ИЗУЧЕНИЕ ВТОРОГО ЗАКОНА НЬЮТОНА

С ПОМОЩЬЮ МАШИНЫ АТВУДА»

 

 

Ростов-на-Дону

 

 

УДК 531.383

Методические указания к лабораторной работе № 4 «Изучение второго закона Ньютона с помощью машины Атвуда». – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. – 8 с.

 

Методические указания содержат краткую теорию метода, порядок выполнения лабораторной работы, требования техники безопасности, требования к оформлению результатов, а также перечень контрольных вопросов и тестов.

Предназначены для выполнения лабораторной работы по программе курса общей физики для студентов всех специальностей РГСУ.

 

УДК 531.383

Составители: проф. Н.Н. Харабаев,

проф. А.Н. Павлов

Рецензент доц. Ю.И. Гольцов

 

Редактор Н.Е. Гладких

Темплан 2011 г., поз. ___

Подписано в печать ____). Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л 0,5. Тираж 100 экз. Заказ

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета.

334022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

 

© Ростовский государственный

строительный университет, 2011

Лабораторная работа №4

 

ИЗУЧЕНИЕ ВТОРОГО ЗАКОНА НЬЮТОНА

С ПОМОЩЬЮ МАШИНЫ АТВУДА

 

Цель работы: на опыте изучить действие основного закона динамики поступательного движения.

Приборы и принадлежности: установка «машина Атвуда», набор грузов, секундомер, линейка.

 

Краткая теория эксперимента

 

Основной закон динамики поступательного движения (второй закон Ньютона): если на тело массой действует сила , то это тело приобретает ускорение , величина которого прямо пропорциональна величине действующей силы и обратно пропорциональна массе данного тела.

Согласно этому закону для какого-либо тела с неизменной массой величина ускорения линейно зависит от величины действующей силы , то есть . Линейная зависимость величины ускорения от величины действующей силы может быть проверена экспериментально с помощью «машины Атвуда» (рис.1).

 

 

 

Рис.1. Принципиальная схема «машины Атвуда»

 

Через легкий блок перекинута тонкая нить, на концах которой подвешены грузы массой M каждый. На левый и правый грузы помещают перегрузки массами и , причем ¹ (например, ). В этом случае система грузов массой придет в движение.

Результирующая сила, вызывающая ускорение движения этой системы грузов, равна разности сил тяжести перегрузков m₁ и m₂, лежащих на правом и левом грузах M: . Это выражение справедливо, если пренебречь массой блока и трением в оси блока (в этом случае силы натяжения для нитей слева и справа одинаковы по величине). Изменяя массы перегрузков m₁ и m₂ так, чтобы их сумма сохранялась и соответственно сохранялась масса всей системы грузов , получим несколько значений силы , вызывающей ускорение системы. Для каждого значения силы определим ускорение движения и найдем зависимость величины от величины . Величину ускорения грузов можно определить опытным путем с помощью формулы , полученной из , где h – путь, пройденный телом за время t после начала равноускоренного движения с ускорением .

По зависимости величины ускорения для системы грузов массой от величины результирующей силы проверим справедливость 2-го закона Ньютона.

 

Порядок выполнения работы

1. Подготовим таблицы для результатов измерений (таблицы 1, 2).

Таблица 1

№	F	t1 , с	t2 , с	t3 , с	t4, с	t5, с	tср , с	Dt, с	dt
	2 mg
	4 mg
	6 mg
	8 mg

 

Таблица 2

№	F	h, м	tср, с	a, м/с2	dа	Da, м/с2	a±Da, м/с2
	2 mg
	4 mg
	6 mg
	8 mg

2. Расположим сначала из восьми одинаковых перегрузков массой пять перегрузков на правом грузе M, а три перегрузка - на левом грузе M. Тогда результирующая сила, действующая на систему грузов, , где - масса одного перегрузка.

 

3. С помощью линейки измерим h – расстояние, которое проходят грузы. Время движения грузов t измерим с помощью секундомера, причем для уменьшения погрешности измерения времени t повторим эксперимент пять раз и вычислим среднее значение времени движения грузов под действием данной силы F, как среднее арифметическое значение пяти последовательных измерений: .

 

4. Перекладывая по одному перегрузку с правого груза на левый, получаем результирующую силу последовательно равной после силам . Измерим по пять раз время движения грузов под действием каждой силы , найдем средние значения и вычислим соответствующие значения ускорения , используя формулу .

 

5. Оценим погрешности определения ускорений .

Поскольку определение величины ускорения следует из косвенных измерений, то используем зависимость относительной погрешности da от относительных погрешностей d h и d t, где

- относительная погрешность измерения расстояния;

- относительная погрешность измерения времени;

- абсолютная погрешность измерения расстояния h (за абсолютную погрешность принимаем половину цены наименьшего деления линейки); - абсолютная погрешность измерения времени.

Вычислив относительные погрешности , находим для каждого значения ускорения абсолютные погрешности .

 

 

6. По точкам с учетом погрешностей экспериментального определения ускорения построим график (рис. 2).

 

 

 

F

4 mg

 

 

Рис. 2. График экспериментальной зависимости

 

Контрольные вопросы

 

1. Дать определения пути, перемещения, скорости и ускорения.

2. Дать определения силы и массы.

3. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

4. Первый, второй и третий законы Ньютона.

5. Основной закон динамики поступательного движения в дифференциальной форме.

6. Как с помощью построенного графика определить общую массу системы?

7. График зависимости в данной работе не проходит через начало координат! Почему?

8. Прямые и косвенные измерения.

9. Абсолютная и относительная погрешности прямых измерений.