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

294 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

44545. Средства обработки бумажных документов 31.5 KB
  Поэтому говоря о концепции построения КИС нельзя не упомянуть такую актуальную на сегодняшний день проблему как совмещение в документообороте предприятия электронных и бумажных документов. Практически все современные СУД хранящие документы предоставляют те или иные функции по обработке бумажных документов. Обычно они реализуются с помощью специального модуля который позволяет автоматизировать сканирование и сохранение образов многостраничных документов а также их распознавание и аннотирование.
44546. Системы поддержки принятия решений 32 KB
  В этом случае на помощь старым методам приходит оперативная обработка данных OnLine nliticl Processing OLP. Сила OLP заключается в том что в отличие от классических методов поиска запросы здесь формируются не на основе жестко заданных или требующих для модификации вмешательства программиста и следовательно времени т. OLP обеспечивает выявление ассоциаций закономерностей трендов проведение классификации обобщения или детализации составление прогнозов т. Не останавливаясь на тонкостях организации различных моделей OLP например...
44547. Системы, основанные на применении Internet-технологий 31 KB
  Рассматривая вопрос применения Internetтехнологий нельзя не затронуть такую важную проблему как обеспечение информационной безопасности. В дополнение к ним на стыке сегментов локальных сетей и Internet желательна установка брандмауэров средств контроля за внешними входящими и исходящими соединениями. Они позволяют отслеживать передачу информации практически всех известных на сегодняшний день протоколов Internet.
44548. Средства стратегического планирования 31.5 KB
  Как известно для решения подобных задач применяются системы управления проектами например Microsoft Project Symntec Time Line. Практически все системы управления проектами СУП берут за основу некий план проекта составляемый на предварительном этапе. Чисто технически интеграция современных САДП и СУП не вызывает вопросов поскольку обе системы как правило соответствуют стандартам межпрограммного взаимодействия и могут разделять данные.5 позволяет получать доступ к данным о проекте используя внешние приложения в том числе и...
44549. Понятие КИС. Основные этапы и принципы построения 30 KB
  Основные этапы и принципы построения Комплексная информационная система это совокупность технических и программных средств предприятия реализующих идеи и методы автоматизации. И использование специальных программных средств обеспечивающих информационную поддержку бизнеспроцессов в качестве основы КИС представляется наиболее оправданным и эффективным. Среди преимуществ такого подхода следует отметить возможность внесения изменений в отдельные программные компоненты расположенные в одном слое без необходимости коренных переделок на...
44550. Использование языка функиональных блоков ТехноIL, FBD при программирование алгоритмов в КИС 41 KB
  Программа созданная на этом языке называется FBDпрограммой. Для разработки FBDпрограмм в редакторе базы каналов предусмотрены два окна – FBD программы и LD программы. Для входа в первое из них нужно выполнить команду FBD программы меню Окна или нажать сочетание клавиш LT3 или нажать ЛК на иконке панели инструментов.
44551. Понятие КИС и её основные части 32 KB
  Современные системы управления деловыми процессами позволяют интегрировать вокруг себя различное программное обеспечение формируя единую информационную систему. Основными функциями управления являются как известно планирование организация активизация координация контроль и анализ которые осуществляются в многомерном пространстве различных областей деятельности предприятия. Очевидно что в состав КИС должны войти средства для документационного обеспечения управления информационной поддержки предметных областей коммуникационное...
44552. Проблемы защиты информации в современных КИС 30.5 KB
  Достаточно сложно решить и проблему надежной аутентификации пользователей. При аутентификации пользователей локальной сети успешно решить эту задачу помогают организационные меры отсечение посторонних пользователей от клиентских компьютеров и терминалов контроль за подключениями к кабельной системе здания и т. Новые проблемы создает проблема аутентификации пользователей при ведении бизнеса через Internet. Число пользователей вырастает настолько что количество переходит в качество и старые методы аутентификации на основе индивидуальных...
44553. Обеспечение иерархии скоростей и качества обслуживания 31.5 KB
  Возможность поэтапного внедрения новой технологии в существующие сети не требующего чрезмерных разовых вложений. Все работы по созданию технологий удовлетворяющих этим требованиям можно разделить на три большие группы: Создание масштабируемой по скорости технологии на основе технологии Ethernet: линия Ethernet FstEthernet GigbitEthernet. Создание технологии с масштабируемой скоростью частично совместимой с Ethernet и имеющей встроенные возможности для обеспечения начального уровня качества обслуживания для трафика реального...