Упражнение 2. Проверка второго закона Ньютона к ситуации движения тележки по горизонтально установленному алюминиевому треку. Расчет коэффициента трения системы

1. Установите тележку на горизонтально расположенный трек, придвинув ее вплотную к его правой части. Компенсацию сил трения при этом не производите. Закрепите блок в правой части трека и перекиньте через него нить. Один конец нити привяжите к тележке, а к другому подвесьте держатель грузов. Длину нити подберите такой, чтобы держатель грузов при крайне правом положении тележки на треке касался пола. Сдвиньте тележку влево, насколько позволит нить, и заблокируйте движение тележки с помощью какого-нибудь предмета (рис. 7). Зафиксируйте это положение. При проведении всех последующих экспериментов движение тележки должно начинаться именно с данного положения.

2. Установите световой барьер в правой части трека и соедините световой барьер с установкой Кобра 3 в соответствии со схемой (рис. 8). Второй световой барьер на время снимите с трека. Запустите программу Phywe Мeasure 4. В меню «Прибор» выберите «Перемещение / Вращение». Установите параметры измерения, указанные на рис. 8.

Рис. 7. Общий вид установки (для упражнения 2)

Рис. 8. Схема подключения и соединения светового барьера
с установкой Кобра 3 (для упражнения 2)

Рис. 9. Окно программы для выполнения упражнения 2

3. Установите на держателе груз массой 10 г.

4. Приведите тележку в движение и проведите измерение зависимости S(t). Значения используемых в опыте масс грузов и угла наклонной плоскости a (рис. 3) записывайте в таблицу 1. Здесь m_т – масса тележки с дополнительным грузом (если они установлены), m_гр – масса грузов с держателем.

5. Постройте график зависимости S(t) и проанализируйте его. Это, например, можно сделать с помощью программы Exel. Осуществите следующую последовательность действий. Сохраните полученные данные путем их экспорта в буфер обмена «ппппп». Затем экспортируйте данные в Exel (вставка из буфера обмена в ячейку A1) и в соответствии с уравнением равноускоренного движения с начальной нулевой скоростью (4) постройте график S = f(t²). Из этого графика рассчитайте a_эксп – экспериментальное значение ускорения, воспользовавшись формулой (5), или возможностями программы Exel. Полученные значения ускорения занесите в таблицу 1. Эту же процедуру можно выполнить, воспользовавшись возможностями программы Phywe Measure. Осуществите следующую последовательность действий. С помощью опции «Анализ / Изменение каналов» постройте график зависимости S(t²). Для этого введите
f: = х*х, где х = (t) – первый канал. Убедитесь, что в координатах S от t² анализируемая функция является линейной, т. е. движение тележки равноускоренное. Выведенное на экране значение ускорения a_эксп запишите в таблицу 1. Проведите измерения 3—5 раз, не меняя масс грузов и тележки.

6. Рассчитайте по формуле (7) теоретическое значение ускорения a_теор без учета силы трения в системе и запишите его в таблицу 1. Сравните теоретическое и экспериментальное значения ускорений. Их отличие обусловлено силами трения, действующими в системе (главным образом, трением скольжения поверхностей валов тележки о детали тележки). По формуле (11) рассчитайте коэффициент трения μ.

Таблица 1.

7. Проведите измерения п.п. 3-6, изменяя массу грузов и/или добавляя груз на тележку, при 3 – 5 других различных комбинациях грузов. Проведите анализ результатов, для чего установите, выполняются ли зависимости (9) и (11). Выполнение зависимости (11) означает постоянство коэффициента трения μ.

Другой способ определения ускорения тележки (для студентов специальности «физика» это задание выполняется после упражнения 3).

8. Установите оба световых барьера на треке на расстоянии 30-40 см друг от друга и соедините их с установкой Кобра, как в упражнении 1. Установите на держателе груз массой 10 г.

9. Отпустите тележку. Измерьте значения скоростей с помощью двух световых барьеров. В предположении о равноускоренном характере движения тележки, зная расстояние между барьерами, определите ее ускорение (формулу для расчета получите самостоятельно).

10. Повторите опыт 2-4 раза для разных расстояний между световыми барьерами. Оцените погрешность определения ускорения тележки.

11. Сравните полученное значение ускорения с данными таблицы 1.