2732

Определение коэффициентов трения с помощью наклонного маятника

Лабораторная работа

Физика

Определение коэффициентов трения с помощью наклонного маятника Цель работы: ознакомиться со сложным механическим движением; определить коэффициенты трения различных пар материалов. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА На шарик, выведенный из положения равновесия, ...

Русский

2012-10-18

135 KB

23 чел.

Определение коэффициентов трения с помощью наклонного маятника

Цель работы: ознакомиться со сложным механическим движением; определить коэффициенты трения различных пар материалов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

На шарик, выведенный из положения равновесия, действуют следующие силы: тяжести , натяжения нити , реакции опоры  и трения  (рис.1). Под действием результирующей, являющейся геометрической суммой указанных сил , шарик совершает колебательное движение. Наличие силы трения между шариком и поверхностью качения приводит к уменьшения амплитуды колебаний шарика во времени. Работа сил трения может быть представлена в виде

где модуль силы трения Fmp =mN; путь, пройденный шариком , m - коэффициент трения; N – модуль силы реакции опоры; ; R - длина нити подвеса; α0 - начальный угол отклонения шарика; αn - конечный угол отклонения шарика; n - число полных колебаний, совершенных шариком при его движении.

Вследствие работы сил трения уменьшается механическая энергия шарика. Убыль механической энергии численно равна работе сил трения:

W0-Wn=Amp,   (2)

где W0,Wn - механическая энергия шарика в исходном и конечном состояниях.

В качестве начального и конечного состояний шарика наиболее удобно принимать положения его максимального отклонения, когда скорость движения шарика равна нулю, а механическая энергия численно равна потенциальной энергии шарика. В этом случае

Amp=П0-Пn=mg(h0-hn),   (3)

где h0, hn - начальная и конечная высота подъема шарика. Высота подъема шарика может быть выражена через угол наклона штанги β, угол отклонения шарика от положения равновесия в плоскости колебаний α и длину нити подвеса (рис.1)

h=Rcosβ(1-cosα),   (4)

В этом случае выражение (3) принимает вид

Amp=mgRcosβ(cosαn-cosα0)=

=

поскольку для малых углов (α≤5º0,09 рад) sinαα, то

и

Тогда

Сопоставляя соотношения (1) и (6), получаем выражение для коэффициента трения скольжения

где 0 и n выражены в радианах. Поскольку шкала для измерения углов 0 и n проградуирована в градусах, то рабочий вид формулы (7) имеет вид:

где углы a0 и an выражены в угловых градусах.

Установка, используемая в настоящей работе, представлена на рисунке 2 и включает в свой состав: основание 1, вертикальную стойку 2, верхний кронштейн 3 с панелью 4, маятник скольжения и маятник качения, которые устанавливаются на верхнем кронштейне 3 поочередно. Основание 1 снабжено тремя регулируемыми опорами 5 и зажимом 6 для фиксации вертикальной стойки 2. Вертикальная стойка 2 выполнена из металлической трубы, на которую нанесена риска, показывающая угол отклонения панели 4 от вертикального положения. Панель 4 имеет прямоугольное окно, в котором устанавливаются сменные образцы в виде пластин. В нижней части панели нанесена шкала отсчета угла отклонения маятников. С помощью винта 7 панель отклоняется от вертикального положения. Угол отклонения панели определяется с помощью шкалы 8, закрепленной в нижней части панели.

Маятник скольжения представляет собой металлический стержень 9, снабженный призматической опорой 10 и обоймой 11, в которую устанавливаются сменные образцы в виде усеченного шара.
Маятник качения представляет собой металлический шарик 12, подвешенный на капроновой нити 13. Шары являются сменными.


Определение коэффициентов трения качения и трения скольжения

1) Установить угол β наклона панели 4 равным 0 градусов. Используя маятник качения в качестве отвеса, при помощи регулировочных опор основания выставить стойку установки в строго вертикальном положении. Протереть исследуемые поверхности сменных пластин, усеченные шары и шары маятника качения этиловым спиртом и вытереть насухо.

2) Установить одну из сменных пластин на панель 4. Вставить усеченный стальной шар в обойму 11 маятника скольжения сферической поверхностью наружу. Повесить маятник скольжения при помощи призматической опоры 10 на верхний кронштейн 3 таким образом, чтобы усеченный шар соприкоснулся с установленной на панель пластиной, и ось маятника была параллельна лицевой поверхности панели. При необходимости подрегулировать положение основания так, чтобы указатель маятника оказался напротив нулевого деления шкалы отсчета угла отклонения маятника, но без нарушения вертикального положения стойки.

3) При помощи штангенциркуля измерить расстояние А (см. рис.2). Установить угол наклона панели β равным 2 градуса. Отвести рукой маятник в одно из крайних положений и записать начальный угол отклонения a0 по шкале отсчета угла отклонения маятника. Отпустить маятник и записать угол отклонения a при совершении маятником n полных колебаний.

4) Определить коэффициент трения скольжения по формуле:

Формула (8) верна при условии, что угол  градусам.

При установке сменной пластины из другого материала маятник
необходимо подвешивать на том же расстоянии А.

5) Снять маятник скольжения. Установить маятник качения (стальной шарик) в такое положение, чтобы указатель маятника оказался напротив нулевого деления шкалы отсчета угла отклонения маятника. При заданном угле наклона панели β отклонить шарик 12 от положения равновесия на угол a0  (например, пять градусов). Записать выбранный угол. Угол наклона панели и угол отклонения шарика выбираются таким образом, чтобы шарик катался по пластине без проскальзывания. Затем без толчка отпустить маятник и с этого момента начать отсчет колебаний. После того, как маятник совершит n полных колебаний, записать угол отклонения колебания маятника a,. Определить коэффициент трения качения по формуле:

где r = 0,01 м - радиус шара.

6) Оценить погрешности косвенных измерений коэффициентов трения качения и трения скольжения по формулам:

    (10)

     (11)

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое сила нормального давления? Запишите уравнение, связывающее силу трения с силой нормального давления.

3. Какие виды трения вы знаете?

4. Чем обусловлены силы трения?

5. В каких случаях силы трения играют положительную роль?

6. В каких случаях силы трения играют отрицательную роль?

7. Как можно изменить силу трения?

 


Рис.2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12860. НАЧИНАЕМ РАЗГОВОР Игра для учащихся пятых классов 37.5 KB
  НАЧИНАЕМ РАЗГОВОР Игра для учащихся пятых классов В одном из номеров Школьного психолога за этот год читатели имели возможность познакомиться с моделью психологопедагогического сопровождения школьников на этапе перехода из начальной школы в среднюю см. ст
12861. ПЕРВЫЙ КЛАССНЫЙ ЧАС В 5 КЛАССЕ 31.5 KB
  ПЕРВЫЙ КЛАССНЫЙ ЧАС В 5 КЛАССЕ Возраст 10 11 12 лет. Дети этого возраста обучаются у нас в пролицейском отделении. Поступают после начальной школы и переходят от нас во взрослый лицей через 3 года. Поступают из всех школ района умные замечательные с огромным желанием...
12862. Большая игра «По дороге из желтого кирпича» 52.5 KB
  Большая игра По дороге из желтого кирпича Гончарова Жанна Викторовна педагогпсихолог Как показывает практика большинство детей переходящих в пятый класс особенно в случаях поступления в другое учебное заведение испытывает двойственные чувства. С одной стор...
12863. Программа адаптации выпускников начальной школы к среднему звену 32 KB
  Программа адаптации выпускников начальной школы к среднему звену Каминская Ольга Николаевна педагогпсихолог Из года в год возникает проблема адаптации учащихся при переходе из начального в среднее звено школы. Несмотря на то что ученики уже привыкли к школе...
12864. Путешествие в страну Детства 54.5 KB
  Занятие для учащихся 5х классов Путешествие в страну Детства Цель: развитие эмоциональноволевой сферы детей. Задачи: развитие способности понимать эмоциональное состояние другого человека; развитие умения справляться с чувством страха; развитие ко
12865. Репортаж от одноклассника. Психологическая игра-проект 307.5 KB
  Психологическая играпроект Репортаж от одноклассника Психологическая служба любого образовательного учреждения ставит перед собой задачу выстраивания взаимодействия на решение комплексных задач школы которые реализуются всеми специалистами. Это взаимодействи...
12866. Тренинговые занятия. Я И МЫ 277.5 KB
  Я И МЫ Тренинговые занятия по формированию социальных навыков для учащихся 5го класса Начало учебы в 5м классе особый этап в школьной жизни ребенка. Перед каждым учеником стоит задача адаптации к непривычным условиям обучения: к множеству учебных предметов к новы
12867. ВОЛШЕБНЫЕ ПРИКЛЮЧЕНИЯ 34 KB
  ВОЛШЕБНЫЕ ПРИКЛЮЧЕНИЯ СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЙ Тренинг Волшебные приключения строится как интерактивное игровое общение ровесников. Включает активнодвигательные упражнения и творческие задания направленные на переосмысление и открытие новых способов самовыражен
12868. Невероятное путешествие 44.5 KB
  Большая психологическая игра Невероятное путешествие При переходе в старшее звено могут возникнуть проблемы: в классе сложилось несколько группировок постоянно происходят конфликты учащиеся не могут найти общий язык нельзя провести коллективное мероприятие