Лабораторная работа. Изучение движения тела по окружности под действием силы упругости и силы тяжести. Изучение движения тела по окружности под действием сил Изучение движения тела по окружности лабораторная
Дата__________ ФИ_____________________________________ Класс 10_____
Лабораторная работа № 1 по теме:
«ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ПО ОКРУЖНОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛ УПРУГОСТИ И ТЯЖЕСТИ».
Цель работы: определение центростремительного ускорения шарика при его равномерном движении по окружности.
Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, лента измерительная, циркуль, динамометр
лабораторный, весы с разновесами, груз на нити, лист бумаги, линейка, пробка.
Теоретическая часть работы.
Эксперименты проводятся с коническим маятником. Небольшой шарик движется по окружности радиуса R. При этом нить АВ, к которой прикреплен шарик, описывает поверхность прямого кругового конуса. На шарик действуют две силы: сила тяжести
и натяжение нити (рис. а). Они создают центростремительное ускорение , направленное по радиусу к центру окружности. Модуль ускорения можно определить кинематически. Он равен:
.
Для определения ускорения надо измерить радиус окружности и период обращения шарика по окружности.
Центростремительное (нормальное) ускорение можно определить также, используя законы динамики.
Согласно второму закону Ньютона
. Разложим силу на составляющие и , направленные по радиусу к центру окружности и по вертикали вверх.
Тогда второй закон Ньютона запишется следующим образом:
.
Направление координатных осей выберем так, как показано на рисунке б. В проекциях на ось О 1 у уравнение движения шарика примет вид: 0 = F 2 - mg. Отсюда F 2 = mg: составляющая уравновешивает силу тяжести
, действующую на шарик.
Запишем второй закон Ньютона в проекциях на ось О 1 х: ma n = F 1 . Отсюда
.
Модуль составляющей F 1 можно определить различными способами. Во-первых, это можно сделать из подобия треугольников ОАВ и FBF 1:
.
Отсюда
и
.
Во-вторых, модуль составляющей F 1 можно непосредственно измерить динамометром. Для этого оттягиваем горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу R окружности (рис. в), и определяем показание динамометра. При этом сила упругости пружины уравновешивает составляющую .
Сопоставим все три выражения для а n:
,
,
и убедимся, что они близки между собой.
Ход работы.
1. Определите массу шарика на весах с точностью до 1 г.
2. Шарик, подвешенный на нити, закрепите в лапке штатива, используя кусок пробки.
3 . Вычертите на листе бумаги окружность радиусом 20 см (R = 20 см = ________ м).
4. Штатив с маятником располагаем так, чтобы продолжение шнура проходило через центр окружности.
5 . Взяв нить пальцами у точки подвеса, приведите маятник во вращательное движение
над листом бумаги так, чтобы шарик описывал такую же окружность, как и начерченная на бумаге.
6. Отсчитываем время, за которое маятник совершает 50 полных оборотов (N = 50).
7. Рассчитайте период обращения маятника по формуле: T = t / N .
8 . Рассчитайте значение центростремительного ускорения по формуле (1):
=
9 . Определите высоту конического маятника (h ). Для этого измерьте расстояние по вертикали от центра шарика до точки подвеса.
10 . Рассчитайте значение центростремительное ускорение по формуле (2):
=
11. Оттяните горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу окружности, и измерьте модуль составляющей .
Затем вычисляем ускорение по формуле (3): =
12. Результаты измерений и вычислений заносим в таблицу.
Радиус окружности R , м | Число оборотов N | t , с | Период обращения T = t / N | Высота маятника h , м | Масса шарика m , кг | Центр-ое ускорение м/с 2 | Центр-ое ускорение м/с 2 | Центр-ое ускорение м/с 2 |
13 . Сравните полученные три значения модуля центростремительного ускорения.
__________________________________________________________________________ ВЫВОД:
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Дополнительно :
Найдите относительную и абсолютную погрешность косвенного измерения а ц (1) и (3):
Формула (1). ________ ; Δа ц = · а ц = ________;
Формула (3). _________; Δа ц = · а ц = _______.
.
I Подготовительный этап
На рисунке схематически показаны качели, известные под названием «гигантские шаги». Найдите центростремительную силу, радиус, ускорение и скорость обращения человека на качелях вокруг столба. Длина веревки равна 5 м, масса человека равна 70 кг. Столб и веревка при обращении образуют угол 300. Определите период, если частота обращения качелей равна 15 мин-1.
Подсказка: На тело, обращающееся по окружности, действуют сила тяжести и сила упругости веревки. Их равнодействующая сообщает телу центростремительное ускорение.
Результаты расчетов внесите в таблицу:
Время обращения, с
Число оборотов
Период обращения, с
Радиус обращения, м
Масса тела, кг
центростремительная сила, Н
скорость обращения, м/с
центростремительное ускорение, м/с2
II . Основной этап
Цель работы:
Приборы и материалы:
1. Перед опытом подвешивают на нити к лапке штатива груз, предварительно взвешенный на весах.
2. Под висящим грузом положите лист бумаги с начерченной на нем окружностью радиусом 15-20 см. Центр окружности расположите на отвесной линии, проходящей через точку подвеса маятника.
3. У точки подвеса нить берут двумя пальцами и аккуратно приводят маятник во вращательное движение , так чтобы радиус вращения маятника совпадал с радиусом нарисованной окружности.
4. Приведите маятник во вращение и подсчитывая число оборотов замерьте время, за которое эти обороты произошли.
5. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
6. Равнодействующая силы тяжести и силы упругости, найденная в ходе эксперимента, рассчитывается из параметров кругового движения груза.
С другой стороны, центростремительную силу можно определить из пропорции
Здесь масса и радиус уже известны из предыдущих измерений и, чтобы определить центробежную силу вторым способом надо измерить высоту точки подвеса над вращающимся шариком. Для этого оттягивают шарик на расстояние, равное радиусу вращения и измеряют расстояние по вертикали от шарика до точки подвеса.
7. Сравните результаты, полученные двумя разными способами и сделайте вывод.
III Контрольный этап
При отсутствии в домашних условиях весов цель работы и оборудование может быть изменено.
Цель работы: измерение линейной скорости и центростремительного ускорения при равномерном движении по окружности
Приборы и материалы:
1. Возьмите иголку с двойной ниткой длиной 20-30 см. Острие иголки воткните в ластик, маленькую луковицу или пластилиновый шарик. Вы получите маятник.
2. Поднимите свой маятник за свободный конец нити над листом бумаги, лежащим на столе, и приведите его в равномерное вращение по окружности, изображенной на листе бумаги. Измерьте радиус окружности, по которой движется маятник.
3. Добейтесь устойчивого вращения шарика по заданной траектории и по часам с секундной стрелкой зафиксируйте время для 30 оборотов маятника. По известным формулам рассчитайте модули линейной скорости и центростремительного ускорения.
4. Составьте для записи результатов таблицу и заполните ее.
Использованная литература:
1. Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе . Пособие для учителей под редакцией. Изд. 2-е. - М., «Просвещение», 1974 г.
2. Шилов работы в школе и дома: механика.-М.: «Просвещение», 2007
Изучение движения тела по окружности под действием сил упругости и тяжести.
Цель работы: определение центростремительного ускорения шарика при его равномерном движении по окружности.
Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, лента измерительная, циркуль, динамометр лабораторный, весы с разновесами, шарик на нити, кусочек пробки с отверстием, лист бумаги, линейка.
1. Приведем груз во вращение по нарисованной окружности радиуса R= 20 см. Измеряем радиус с точностью 1 см. Измерим время t, за которое тело совершит N=30 оборотов.
2. Определяем высоту конического маятника h по вертикали от центра шарика до точки подвеса. h=60,0 +- 1 см.
3.Оттягиваем горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу окружности и измеряем модуль составляющей F1 F1= 0,12 Н, масса шарика m=30 г +- 1 г.
4.Результаты измерений заносим в таблицу.
5.Вычислим аn по формулам, приведенным в таблице.
6.Результат вычисления заносим в таблицу.
Вывод: сравнивая полученные три значения модуля центростремительного ускорения, убеждаемся, что они примерно одинаковы. Это подтверждает правильность наших измерений.
3. Рассчитайте и занесите в таблицу среднее значение промежутка времени <t >, за который шарик совершает N = 10 оборотов.
4. Рассчитайте и занесите в таблицу среднее значение периода вращение <T > шарика.
5. По формуле (4) определите и занесите в таблицу среднее значение модуля ускорения.
6. По формулам (1) и (2) определите и занесите в таблицу среднее значение модулей угловой и линейной скорости.
Опыт | N | t | T | a | ω | v |
1 | 10 | 12.13 | — | — | — | — |
2 | 10 | 12.2 | — | — | — | — |
3 | 10 | 11.8 | — | — | — | — |
4 | 10 | 11.41 | — | — | — | — |
5 | 10 | 11.72 | — | — | — | — |
Ср. | 10 | 11.85 | 1.18 | 4.25 | 0.63 | 0.09 |
7. Вычислите максимальное значение абсолютной случайной погрешности измерения промежутка времени t .
8. Определите абсолютную систематическую погрешность промежутка времени t .
9. Вычислите абсолютную погрешность прямого измерения промежутка времени t .
10. Вычислите относительную погрешность прямого измерения промежутка времени.
11. Запишите результат прямого измерения промежутка времени в интервальной форме.
Ответьте на контрольные вопросы
1. Как изменится линейная скорость шарика при его равномерном вращательном движении относительно центра окружности?
Линейная скорость характеризуется направлением и величиной (модулем). Модуль — величина постоянная, а направление при таком движении способно изменяться.
2. Как доказать соотношение v = ωR ?
Так как v = 1/T, связь циклической частоты с периодом и частой 2π = VT, откуда V = 2πR. Связь линейной скорости и угловой 2πR = VT, отсюда V = 2πr/T. (R — радиус описанной, r — радиус вписанной)
3. Как зависит период вращения T шарика от модуля его линейной скорости?
Чем выше показатель скорости, тем меньше показатель периода.
Выводы: научился определять период вращения, модули, центростремительного ускорения, угловую и линейную скорости при равномерном вращении тела и рассчитывать абсолютную и относительную погрешности прямых измерений промежутка времени движения тела.
Суперзадание
Определите ускорение материальной точки при её равномерном вращении, если за Δt = 1 с она прошла 1/6 длины окружности, имея модуль линейной скорости v = 10 м/с.
Длина окружности:
S = 10 ⋅ 1 = 10 м
l = 10⋅ 6 = 60 м
Радиус окружности:
r = l/2π
r = 6/2 ⋅ 3 = 10 м
Ускорение:
a = v2
/r
a = 1002
/10 = 10 м/c2
.
№ 1. Изучение движения тела по окружности
Цель работы
Определить центростремительное ускорение шарика при его равномерном движении по окружности.
Теоретическая часть
Эксперименты проводятся с коническим маятником. Небольшой шарик движется по окружности радиусом R. При этом нить АВ, к которой прикреплён шарик, описывает поверхность прямого кругового конуса. Из кинематических соотношений следует, что аn = ω 2 R = 4π 2 R/T 2 .
На шарик действуют две силы: сила тяжести m и сила натяжения нити (рис. Л.2, а). Согласно второму закону Ньютона m = m + . Разложив силу на составляющие 1 и 2 , направленные по радиусу к центру окружности и по вертикали вверх, второй закон Ньютона запишем следующим образом: m = m + 1 + 2 . Тогда можно записать: mа n = F 1 . Отсюда а n = F 1 /m.
Модуль составляющей F 1 можно определить, пользуясь подобием треугольников ОАВ и F 1 FB: F 1 /R = mg/h (|m| = | 2 |). Отсюда F 1 = mgR/h и a n = gR/h.
Сопоставим все три выражения для а n:
а n = 4 π 2 R/T 2 , а n =gR/h, а n = F 1 /m
и убедимся, что числовые значения центростремительного ускорения, полученные тремя способами, примерно одинаковы.
Оборудование
Штатив с муфтой и лапкой, лента измерительная, циркуль, динамометр лабораторный, весы с разновесами, шарик на нити, кусочек пробки с отверстием, лист бумаги, линейка.
Порядок выполнения работы
1. Определите массу шарика на весах с точностью до 1 г.
2. Нить проденьте сквозь отверстие в пробке и зажмите пробку в лапке штатива (рис. Л.2, б).
3. Начертите на листе бумаги окружность, радиус которой около 20 см. Измерьте радиус с точностью до 1 см.
4. Штатив с маятником расположите так, чтобы продолжение нити проходило через центр окружности.
5. Взяв нить пальцами у точки подвеса, вращайте маятник так, чтобы шарик описывал такую же окружность, как и начерченная на бумаге.
6. Отсчитайте время, за которое маятник совершает заданное число (например, в интервале от 30 до 60) оборотов.
7. Определите высоту конического маятника. Для этого измерьте расстояние по вертикали от центра шарика до точки подвеса (считаем h ≈ l).
9. Оттяните горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу окружности, и измерьте модуль составляющей 1 .
Затем вычислите ускорение по формуле
Сравнивая полученные три значения модуля центростремительного ускорения, убеждаемся, что они примерно одинаковы.