Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 1-3

Изучение динамики поступательного движения

Цель работы: изучение законов динамики поступательного равномерного и равноускоренного движения, определение ускорения свободного падения.

Оборудование: измерительная установка.

Введение

Рассмотрим поступательное движение двух грузов, перекинутых через блок (рис. 1). Нить принимается нерастяжимой; массой нити, моментом инерции блока и трением в оси блока пренебрегаем.

Пусть m1 > m2. Уравнения движения для этого случая выглядят следующим образом:

m1g – Fнат = m1a, (1)

Fнат – m2g = m2a, (2)

где m1 и m2 – массы грузов; Fнат – сила натяжения нити; а – ускорение грузов; g – ускорение свободного падения.

Из (1) и (2) получаем

. (3) 

Описание установки

Экспериментальная установка (машина Атвуда) изображена на рис. 2.

На вертикальной колонке 1, закрепленной на основании 7, три кронштейна: неподвижный нижний 6 и два подвижных – средний 5 и верхний 4. Основание оснащено регулируемыми ножками 8, которые позволяют выравнивать положение прибора. Сверху на колонке закреплен ролик 3 и электромагнит (на рис. 2 не показан). Через ролик перекинута нить 2 с привязанными на ее концах одинаковыми грузами М. Электромагнит после подведения к нему питающего напряжения при помощи фрикционной муфты удерживает систему ролика с грузами в состоянии покоя.

Если на одну сторону блока прибавим небольшой груз массой m, тогда система грузов получит ускорение и, передвигаясь с этим ускорением, пройдет путь S1. На специальном кольце, закрепленном на среднем кронштейне, дополнительный груз будет отцеплен, и грузы пройдут уже равномерно путь S2.

На среднем и нижнем кронштейнах имеются фотоэлектрические датчики. При прохождении грузом положения датчика образуется электрический импульс, сигнализирующий о начале равномерного движения грузов и запускающий секундомер. После пересечения грузом линии фотоэлектрического датчика, закрепленного на нижнем кронштейне, соответствующий электрический импульс останавливает секундомер. Таким образом, автоматически определяется время прохождения t2 грузами расстояния S2.

К концу равноускоренного движения грузы имеют ускорение a и скорость V, связанные соотношением V = at1, отсюда

 . (4)

Время t1 можно определить из соотношения

 . (5)

Со скоростью V система грузов проходит расстояние S2 соответственно:

 . (6)

Из выражений (4) – (6) несложно получить:

 . (7)

Подставляя (7) в (3), получим результирующее расчетное соотношение для получения ускорения свободного падения:

 . (8)

Порядок выполнения работы

1. Проверить, находится ли система грузов М (без перегруза) в состоянии равновесия.

2. Установить верхний и средний кронштейны на заданные преподавателем положения (на кронштейнах имеются указатели положения).

3. Проверить, не задевают ли грузы М при движении кронштейны. Если задевают, то при помощи регулируемых ножек основания привести колонку прибора к вертикальному положению и отрегулировать положение кронштейнов.

4. Проверить визуально наличие и исправность заземления.

5. Подключить установку к сети питания. Переместить правый грузик в верхнее положение (нижний край груза на уровне риски на кронштейне). Нажать клавишу “Сеть”, при этом при ненажатых клавишах “Пуск” и “Сброс” электромагнит с помощью фрикционной муфты должен застопорить ролик 3.

Положить на правый груз дополнительный кольцевой грузик (“перегрузка”). Проверить, находится ли система в состоянии покоя (если система медленно перемещается, то можно слегка нажать на сердечник электромагнита).

6. Нажать на кнопку “Пуск” (система придет в движение). Записать измеренное значение времени движения грузика на пути S2. Нажать клавишу “Сброс”. Поднять груз в первоначальное положение. Нажать клавишу “Пуск” в “утопленном” положении, чтобы она перешла в нормальное (“неутопленное”) положение; ролик застопорится, и система готова к новым измерениям.

7. Повторить измерения с одним перегрузом 4 – 5 раз. Найти среднее значение времени движения <t2>.

8. Найти массу перегруза m на аналитических весах (если он не маркирован). Измерить и записать значения S1 и S2.

9. Рассчитать g по формуле (8).

10. Повторить измерения с другими перегрузами (по указанию преподавателя).

11. Найти среднее значение <g>.

12. Рассчитать погрешность определения g как погрешность косвенных измерений.

.

Дополнительное задание

Определить величину силы трения при измерении ускорения свободного падения на машине Атвуда.

Контрольные вопросы

Сформулировать законы Ньютона.

Какое движение называется равномерным, равноускоренным? Нарисовать графики зависимостей ускорения, скорости, пути от времени для равномерного и равноускоренного движения.

Как влияет на точность измерений величина расстояний S1 и S2? Величина перегрузки? Трение в блоке?

Почему измеренное ускорение свободного падения меньше чем 9,8 м/с2.

Список рекомендуемой литературы

 1. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 1. – М.: Наука, 1989. – 352 с.

 2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Механика: В 5 т. Т. 1. – М.: Наука, 1979. – 519 с.

 3. Каленков С.Г., Соломахо Г.И. Практикум по физике. Механика. – М.: Высш. шк., 1990. – 112 с.

Порядок выполнения работы

1. Определите по термометру комнатную температуру Тк. По справочным данным найдите значения для постоянных Планка h,Больцмана kb, Стефана-Больцмана s, скорости света в вакууме c. Эти и другие необходимые данные (см. информацию на установке) записать в табл.1.1

Таблица 1.1

Тк, К

kb×10-23,

Вт×К-1

s×10-8,

Вт×м-2×К-4

c×108,

м×с-1

l×10-6,

м

d×10-3,

м

l×10-3,

м

S×10-6,

м2

1,38

5,67

3,0

0,65

2. Навести оптический пирометр на исследуемую вольфрамовуюспиральтак, чтобы нить накала эталонной лампочки совпадала со средней частью исследуемой спирали, как это показано на рис. 2. Светофильтры (красный и дымчатый) должны быть выведены из поля зрения.

3. Включить ток накала исследуемой спирали, при этом она начинает светиться. Показания амперметра I и вольтметра U записать в табл.1.2.

Таблица 1.2

п/п

I, A

U,B

P, Вт

Тя, К

Т, К

lnAl,T

T4 – Tк4,

К4

s×108,

Вт×м-2×К-4

1

...

5

4. Включить ток накала эталонной лампочки, медленно увеличивая его поворотом кольца по часовой стрелке.

ВНИМАНИЕ! Включать эталонную лампочку только в крайнем левом положении реостата!

5. Ввести красный светофильтр и, изменяя ток накала эталонной лампы, добиться, чтобы нить «исчезла» на фоне исследуемой спирали. По верхней шкале пирометра определить яркостную температуру Тя. Измерение температуры повторить не менее трех раз, изменяя накал нити лампы пирометра и вновь отыскивая условие ее исчезновения. Из трех значений температуры взять среднее и записать в табл. 1.2.

6. Аналогичные измерения провести для четырех-пяти различных температур. Выключить ток накала исследуемой спирали и эталонной лампочки.

7. Для каждой температуры, используя зависимость поглоща-тельной способности вольфрама от температуры (см. рис.1.6) и метод аппроксимации, определить значение натурального логарифма lnAl,T. По формуле (1.15) рассчитать истинные температуры Т. Результаты занести в табл.1.2.

8. По формуле (1.16) вычислить мощность, подводимую к исследуемой лампе. Построить график зависимости Р от (T 4 – Tк4), определить тангенс угла наклона полученного графика к оси абсцисс. Используя уравнение (1.18) вычислить постоянную Стефана-Больцмана, которая будет равна:

s = tga/S  (1.19)

9. Сравнить полученные в опыте и теоретически рассчитанные для постоянной Стефана-Больцмана значения. По формуле   оценить отклонение s от его табличного значенияsT.


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты