Исследование прямолинейного движения тел в поле силы тяжести. (Лабораторная работа 5)

Приборы и принадлежности: машина Атвуда ФМ-11, электронный блок, набор грузов и перегрузков.

Теория метода и описание прибора

Машина Атвуда предназначена для исследования прямолинейного движения тел в поле силы тяжести. В данной работе используется лабораторная установка “Машина Атвуда ФМ 11”. Она состоит из укрепленного на вертикальной стойке 1 блока 2, через который перекинута нить с подвешенными на ней одинаковыми грузами 3 и 4 массами М (рис. 2.5).

Рис. 2.5

Масса этих грузов может быть увеличена добавочными небольшими грузами (перегрузками) 5 массой m. Если на один из грузов массой М положить перегрузок, то вся система начнет двигаться равноускоренно.

Чтобы выяснить, от чего зависит ускорение системы, рассмотрим силы, действующие на правый и левый грузы системы. На каждый из них действует сила тяжести и сила натяжения нити . В предположении, что масса блока пренебрежимо мала, а нить невесома и нерастяжима, силы натяжения T одинаковы для обоих грузов, а их ускорения одинаковы по величине (и противоположны по направлению), то есть T₁=T₂=T и . Применяя II закон Ньютона для каждого груза, получим

В проекциях на направления движения грузов будем иметь

Решая систему уравнений относительно ускорения a, получим

. (2.21)

Из соотношения (2.21) видим, что сила, сообщающая системе грузов с общей массой М_с = 2M + m ускорение, равна силе тяжести перегрузка.

Ускорение а системы всегда меньше ускорения свободного падения g и может быть определено экспериментально.

Если F=mg во время движения не изменяется, то движение системы будет равноускоренно, и для него справедливо уравнение

где S – расстояние, проходимое грузами за время t.

Измеряя S и t, можно определить ускорение:

. (2.22)

Из-за весомости блока и наличия сил трения в оси блока, ускорение, наблюдаемое на опыте, будет меньше, чем определяемое формулой (2.21).

Примечание. Если массы основных грузов на концах нити одинаковы, то сила, сообщающая ускорение системе грузов на нити, будет равна разности сил тяжести перегрузков, находящихся на разных концах нити: F = (m₂ - m₁)g.

Перекладывая перегрузки с одного конца нити на другой (но не снимая с нити), можно менять величину движущей силы F, не меняя общей массы системы М_с.

Меняя же массу основных грузов при неизменном положении перегрузков, можно менять общую массу системы М_с при постоянной движущей силе F.