Экспериментальная проверка законов Ньютона

Кинематика описывает движение, отвлекаясь от причин его вызвавших. Задачей кинематики является нахождение положения тела (материальной точки) в выбранной системе отсчета в любой момент времени. С точки зрения кинематики выбор системы отсчета произволен и здесь она используется как инструмент для описания движения. В этой связи в кинематике при выборе системы отсчета руководствуются лишь соображениями целесообразности и простоты получаемого решения.

Полное описание движения материальной точки относительно выбранной системы отсчета сводится к нахождению трех скалярных величин (координат) x, y, z или одной векторной величины (радиус- вектора) rкак функций времени t. Для нахождения этих зависимостей используются такие основные характеристики движения как скорость и ускорение.

Мгновенная скорость – это производная от вектора перемещения по времени:

υ =dr/dt.

Движение с постоянной скоростью называют равномерным.

Мгновенное ускорение – это производная от вектора скорости по времени:

a = dυ/dt

Движение с постоянным ускорением называют равнопеременным:

a = ∆υ/∆t.

Уравнение прямолинейного (одномерного) равнопеременного движения материальной точки записываются как

υ = υ₀ + at; (1)

x = x₀ + υ₀t + at²/2 (2)

Динамика изучает движение в связи с причинами (силами), его вызвавшими. Законы динамики выглядят по-разному в различных системах отсчета. В этой связи выделяют два класса систем, в каждой из которых законы движения одинаковs. Это инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

Инерциальными называются системы, в которых выполняется закон инерции или первый закон Ньютона: существуют такие системы отсчета, в которых тело движется равномерно и прямолинейно или покоится, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

Системы отсчета, в которых первый закон Ньютона не выполняется, называются неинерциальными. Ими являются все системы, движущиеся с ускорением относительно инерциальных систем отсчета.

Второй закон Ньютона – основной закон динамики поступательного движения устанавливает связь между ускорением, приобретаемым телом, его массой и действующей на него силой.

Масса – это мера инертности тела при поступательном движении. Она характеризует способность тела сохранять свою скорость при внешнем воздействии (чем больше масса, тем в меньшей степени при одинаковых условиях опыта изменяется скорость).

Силой называют векторную физическую величину, являющуюся мерой механического воздействия одного тела или поля на другое тело.

Ускорение, приобретаемое частицей под действием сил, равно отношению векторной суммы этих сил к массе частицы:

a = ∑F_i/m. (3)

Все три величины, входящие во второй закон Ньютона могут быть измерены независимо.

Важно, что второй закон Ньютона действует только в инерциальных системах отсчета.

Идея метода

Рассматривается два вида движения тележки по треку: свободное, когда тележка перемещается по треку по инерции, и ее движение под действием внешней силы. В последнем случае тележка перемещается по треку под действием силы натяжения нити с грузами, перекинутой через блок. С помощью датчика светового барьера измеряются значения скорость тележки на разных участках движения и зависимость перемещения S тележки от времени t.

В первом упражнении реализуется ситуация, когда при разных начальных скоростях свободно движущейся тележки характер ее движения не изменяется. Во втором упражнении изменяется сила и масса тележки и измеряется ее ускорение. Исходя из зависимости S = f(t), при различных условиях эксперимента убеждаются в применимости второго закона Ньютона. Из законов динамики определяют коэффициент трения.