3685

Проверка второго закона Ньютона на машине Атвуда

Лекция

Физика

Проверка второго закона Ньютона на машине Атвуда ЦЕЛЬ: установить зависимость ускорения системы от действующей силы; определить из полученной зависимости массу системы. ОБОРУДОВАНИЕ: экспериментальная установка FRM, электронный секундомер с фотоэлек...

Русский

2012-11-05

82 KB

312 чел.

Проверка второго закона Ньютона на машине Атвуда

ЦЕЛЬ: установить зависимость ускорения системы от действующей силы; определить из полученной зависимости массу системы.

ОБОРУДОВАНИЕ: экспериментальная установка FRM; электронный секундомер с фотоэлектрическими датчиками, линейка.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Сила. При рассмотрении взаимодействия тел сила выступает как векторная количественная мера интенсивности взаимодействия. Вектор F указывает направление взаимодействия. Воздействие, оказываемое на некоторое тело, может вызвать явления двоякого рода: изменить его скорость или вызвать деформацию (напр., растянуть или сжать пружину). Оба эти эффекта поддаются измерениям. Поэтому любой из них может быть использован для количественной оценки воздействий, т.е. для сравнения сил.

Второй закон Ньютона. Основной закон динамики был сформулирован Ньютоном в форме

dp/dt = F.  (1)

где р = m v  импульс тела,

Если на тело действует одна или несколько сил, импульс тела будет изменяться. Скорость изменения импульса тела равна геометрической сумме сил F, действующих на тело. Формулу (1) можно записать в виде

.  (2)

Для малых скоростей массу можно считать постоянной и вынести из-под знака дифференциала:

a = F/m.  (3)

Эта форма второго закона Ньютона выражает пропорциональность между приложенной к телу силой и ускорением тела. Если на тело массы m действует сила F, тело приобретает ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональное массе.

Масса. Опыт показывает, что одинаковые воздействия вызывают у разных тел различные изменения скорости. Одному и тому же телу различные силы сообщают различные ускорения. Однако отношение силы к ускорению для каждого тела всегда равно одной и той же величине:

F/a = const = m. (4)

Следовательно, масса является количественной мерой инертности тел. Под инертностью понимается свойство тел противиться изменению скорости. Отношение F/a = const справедливо только при достаточно малых скоростях.

Сумма величин р = m v. имеет свойство сохраняться в замкнутых системах. При скоростях, сравнимых со скоростью света, сохраняться будет релятивистский импульс

(5)

где m0 – константа, называемая массой покоя (масса тела при при v = 0),

с  скорость света в вакууме.

Определенная в формуле (5) масса тела m является функцией его скорости:

. (6)

При v « c масса тела мало отличается от m0 и соотношение (4) можно считать справедливым. Уравнения (1) и (3) формально эквивалентны. Однако это имеет место только при малых скоростях движения. Оказалось, что в релятивисткой динамике уравнения (1) и (2) остаются справедливыми, если массу определять в соответствии с выражением (6). Соотношение (3) при больших скоростях перестает быть справедливым.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Машина Атвуда схематически представлена на рис.1. Через блок перекинута нить, к концам которой подвешены грузы m1 и m2.

Рассмотрим случай, когда m2 > m1 . Если груз m1 привести в крайнее нижнее положение и отпустить, система грузов придет в движение под действием сил тяжести. Проанализируем это движение. При анализе примем следующие допущения:

  •  Инертные свойства блока настолько малы, что их можно не учитывать.  Трение при вращении блока очень мало и им можно пренебречь.
  •  Нить, на которой подвешены грузы, невесома и нерастяжима. Силы, действующие на тела системы, указаны на рис.1. В силу нерастяжимости нити модули ускорений грузов m1 и m2 будут одинаковы.

Рис. 1. Машина Атвуда.

P1 сила тяжести груза m1, P2  сила тяжести груза m2 , T1 и T2  силы натяжения нитей.

Запишем второй закон Ньютона для груза m1:

m1 a1 =  P1 +T1

Спроецируем его на ось x1: 

m1 a1 = - P1 +T1 (7)

Аналогично для груза m2:

m2 a2 = P2 +T2

В проекциях на ось x2::

m2 a2 = P2 - T2  (8)

В силу принятых выше допущений

a1 = a2 ,   T1 = T2

Складывая уравнения (7) и (8), получим:

(m1 + m2) a = P2 - P1.  (9)

Введем обозначения для суммарной массы системы:

M = m1 + m2 ,

и эффективной силы, численно равной разности сил тяжести грузов:

F = P2 - P1 = g(m2 - m1) - (10)

Тогда формула (9) примет вид:

M a = F. (11)

Таким образом, рассмотренная нами система будет двигаться с таким же ускорением, как одно тело массы М под действием силы F. В работе необходимо экспериментально показать, что между a и F существует прямо пропорциональная зависимость:

a = (1/M) F  (12)

с коэффициентом пропорциональности, обратным полной массе системы:

k = 1/M.  (13)

В экспериментальной установке (рис. 2) груз m1 состоит из основного груза m0 и перегрузка mл, аналогично груз m2 - из основного груза m0 и перегрузка mn, причем mn > mл.

Тогда выражение (10) примет вид:

F = g (mn - mл). (14)

Рис. 2 . Схема экспериментальной установки.

Т – миллисекундомер, Л – линейка, ФД - фотоэлектрические датчики

Логическая схема эксперимента

Для проверки пропорциональности между a и F каждая из этих величин должна быть определена независимым способом.

  1.  Перекладывая перегрузки с левого груза на правый, изменяем эффективную силу при неизменной полной массе системы М = const. Эффективная сила F определяется как разность сил тяжести левого и правого грузов по формуле (14).
  2.  Ускорение вычисляется из соотношения кинематики через S  путь, пройденный одним из грузов за t  время движения грузов.

a = 2S/t2.  (15)

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Определите взвешиванием массы грузов и перегрузков.

2. Установите левый груз в крайнее нижнее положение.

3. Поместите на правый груз большой перегрузок, на левый груз все маленькие перегрузки.

4. Отпустите левый груз и измерьте время движения грузов, а также путь, пройденный одним из них.

5. Перенося по одному перегрузку с левого груза на правый, повторяйте опыт до тех пор, пока на левом грузе не останется ни одного перегрузка. Результаты измерений занесите в таблицу.

Таблица

№ п/п

mл, г

mт, г

S, см

t, c

F, H

a, м/с2

1

2

6. Рассчитайте эффективную силу и ускорение системы по формулам (14) и (15).

ЗАМЕЧАНИЕ: поскольку формула (15) для ускорения предполагает движение с нулевой начальной скоростью, нижний край правого груза следует располагать непосредственно над окном фотоэлемента. Секундомер включится в момент затемнения окна фотоэлемента, т.е. в момент начала движения.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Обработка результатов вручную.

1.1. Начертить координатные оси. По оси абсцисс отложить эффективную силу, а по оси ординат - ускорение. Изобразить точками значения ускорений при соответствующих им значениях эффективной силы.

1.2. По точкам построить график зависимости a = f(F), учитывая, что осредняющая прямая должна проходить через начало координат и по обе ее стороны должно находиться примерно одинаковое количество точек.

1.3. Определить по графику коэффициент пропорциональности прямой (k) и его обратную величину (1/k).

1.4. Найти полную массу системы из параметров графика.

2. Обработка результатов на ЭВМ.

2.1. Выполнить п. 1.1.

2.2. В соответствии с инструкцией к программе обработки линейных зависимостей методом наименьших квадратов ввести в ЭВМ экспериментальные значения Fi и аi и вычислить параметры прямой a = f(F).

2.3. На графике нанести контрольные точки и по вычисленным параметрам провести на графике оптимальную прямую.

2.4. Определить полную массу системы из параметров зависимости a= f(F) и погрешности ее измерения.

ВЫВОДЫ

1. Какой характер имеет полученная Вами экспериментальная зависимость a=(F)?

2. Сравните результаты определения массы системы из параметров графика и методом взвешивания.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните, что такое ускорение, сила, масса, импульс.

2. Запишите две формулировки II закона Ньютона, укажите области их применения.

3. Начертите схему установки. На схеме укажите все силы, действующие на систему. Выведите закон, определяющий ускорение системы.

4. Объясните, почему в данной работе можно принять допущения а1 = а2 , Т1 = Т2, описанные в методике эксперимента.

ЛИТЕРАТУРА

[1: §§ 8,9]; [2: §§ 7,8]; [4: § 6]; [4: §12]; [6: 1,2].


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53026. Об'ємна форма у відкритому просторі. «Камінь, що оживає» 122 KB
  Мета: ознайомити з творчістю українського художника – скульптора Олега Пінчука; створити оригінальний скульптурний образ на основі узагальнення, стилізації й трансформації реальних об'єктів з урахуванням розташування скульптури в місцях відпочинку та розваг дітей; учити передавати основний характер об'ємної форми; розвивати асоціативно-образне та просторове мислення, уяву, фантазію...
53027. Формули скороченого множення та узагальнення на основі квадрата двочлена 908 KB
  Мета: Узагальнити і систематизувати знання, вміння та навички у застосуванні формул квадрата двочлена і різниці квадратів. Вивести формули квадрата тричлена, куба двочлена. Розвивати вміння узагальнювати, робити висновки. Сприяти розвитку логічного мислення, математичної мови.
53028. Формула коренів квадратного рівняння. Розв’язування вправ 87 KB
  Мета: удосконалити вміння розвязувати квадратні рівняння за допомогою формули коренів квадратного рівняння; розвивати математичну мову; виховувати активність інтерес до нових знань і прагнення їх набути. Очікувані результати: учні на кінець уроку повинні: обчислювати дискримінант квадратного рівняння; розвязувати квадратні рівняння за допомогою формули коренів квадратного рівняння; Хід уроку І. Яка з наведених формул є формулою коренів квадратного рівняння А Б В Г 3.
53029. Формули подвійного аргументу 178.5 KB
  Мета: - на основі формул додавання вивести формули подвійного аргументу; - закріпити знання цих формул під час розвязування вправ; - розвивати вміння порівнювати, самостійно мислити; - виховувати інтерес до математики, удосконалювати навички самоконтролю.
53030. Формулы сокращенного умножения 49.5 KB
  Учитель математики Сегодня наш урок посвященный формулам сокращенного умножения не совсем обычный: мы будем его проводить вместе с вашим учителем русского языка. Учитель русского языка Для начала я хочу представить наше справочное бюро группа учащихся. Учитель математики А сейчас мы назначим несколько человек из класса экспертами. Учитель русского языка Что же такое эксперт Обратимся к нашему справочному бюро.
53031. Формули зведення 171.5 KB
  Тригонометричні функції зв’язані між собою великою кількістю співвідношень. Але не завжди їх треба зазубрювати, можливо достатньо володіти ланцюжком міркувань, тобто певним алгоритмом, щоб спростити даний вираз. Алгебра щедра, вона часто дає більше, ніж у неї просять, так стверджував великий математик Д′Аломберг. Сподіваюсь, що наш урок буде тому підтвердженням.
53032. Методичні рекомендації щодо вивчення математичних формул 987.5 KB
  У педагогіці існує різна класифікація методів навчання залежно від вибору основи класифікації а саме: за джерелом здобування знань словесні наочні практичні за способами організації навчальної діяльності методи здобування нових знань методи формування умінь та навичок і застосування знань на практиці методи перевірки й оцінювання знань умінь та навичок за характером навчальнопізнавальної діяльності І. Останні три методи використовують під час проблемного навчання як дидактичної системи. Проілюструю застосування методів навчання...
53033. Формулы сокращенного умножения 2.97 MB
  Слайд 1 У математиков существует свой язык это формулы Это слова известного математика Софьи Ковалевской и наш сегодняшний урок посвящен формулам сокращенного умножения. Слайд 2 Формулы сокращенного умножения Представим себе что сегодня наш класс отправляется в межгалактическое путешествие и мы посетим различные планеты. Слайд 3 Изображение планет Вас всех пригласили принять участие в путешествии чтобы обсудить с вами тему Многочлены. Планета упорного труда 6 6 Планета ошибок Итог: ____________ Оценка: __________ Достиг ли ты...
53034. Формування особистості шляхом самопізнання, самовизначення і самовиховання 101.5 KB
  Вправа Життєві цінності Учитель роздає по 10 папірців кожному учневі. Напишіть на кожному папірці своє імя. Протягом наступних кількох хвилин ці 10 папірців будуть уособлювати вас і гратимуть роль символічних грошей тобто засобу за який можна купити певний товар. Через хвилину перед кожним постане вибір: витратити чи заощадити свої папірці.