ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
ПО ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
Учебно-методическое пособие по лабораторным работам содержит 38 лабораторных работ по всему курсу физики.
Каждая работа включает название, цель работы, приборы и принадлежности, краткую теорию, описание хода выполнения, расчета, выводы и перечень контрольных вопросов.
Номера лабораторных работ по модулям определяются преподавателям, используя кредитно-рейтинговую систему.
После выполнения работы студент представляет отчет по лабораторной работе и отвечает на контрольные вопросы, приведеные в конце каждой лабораторной работы.
Перечень лабораторных работ приведен в таблице.
| № | Наименование лабораторных работ |
| Модуль 1 Механика. Жидкости и газы. Молекулярная физика и термодинамика. Статистическая физика. | |
| 1. Проверка основного закона динамики поступательного движения на машине Атвуда 2. Определение модуля Юнга по изгибу балки 3. Исследование законов соударения тел 4. Изучение законов вращения на крестообразном маятнике Обербека 5. Определение момента инерции тела методом крутильных колебаний 6. Изучение законов колебательного движения 7. Изучение механических затухающих колебаний | |
| Модуль 2 Жидкости и газы. Молекулярная физика и термодинамика. Статистическая физика. | |
| 1. Определение отношения теплоемкостей газа методом адиабатического расширения 2. Определение изменения энтропии реальных систем 3. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом капиллярных волн | |
| Модуль 3 Электростатика. Постоянный ток. | |
| 1. Изучение электростатического поля 2. Определение электродвижущей силы источника тока методом компенсации 3. Исследование законов постоянного тока 4. Определение емкости конденсатора с помощью электронного вольтметра 5. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли 6. Изучение магнитного гистерезиса ферромагнетиков 7. Определение коэффициента самоиндукции катушки индуктивности 8. Изучение сегнетоэлектриков 9. Исследование температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников 10. Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона 11. Изучение электромагнитных процессов в простых линейных цепях при действии гармонической ЭДС 12. Изучение затухающих колебаний в колебательном контуре | |
| Модуль 4 Магнетизм. Электромагнитные колебания и волны. | |
| 4 . Изучение полупроводниковых выпрямителей 5. Исследование температурной зависимости сопротивления полупроводников | |
| Модуль 5 Волновая и квантовая оптика. | |
| 3. Изучение дифракции Фраунгофера на щели 4. Определение постоянной Стефана-Больцмана при помощи оптического пирометра 5. Изучение интерференционного опыта Юнга с помощью лазера 6. Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона 7. Изучение дифракционной решетки и определение длин волн 8. Изучение законов Малюса и Брюстера 6. Опыт Франка и Герца 7. Определение теплоемкости твердых тел 9. Изучение законов теплового излучения 10. Изучение внешнего фотоэффекта | |
| Модуль 6 Атомная физика. Ядерная физика. | |
| 1. Изучение спектра атома водорода 2. Определение длин световых волн неона методом спектрального анализа 3. Изучение квантовых чисел на спектре атома ртути 8. Изучение взаимодействия γ-излучения радионуклидов |
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ К МОДУЛЮ 1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ
ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА
Цель работы: проверка основного закона динамики поступательного движения.
Приборы и принадлежности: машина Атвуда с электромагнитным пускателем и приемным столиком, набор грузов и перегрузков, электронный счетчик-секундомер.
Теоретические сведения
Основной закон динамики поступательного движения (второй закон Ньютона) выражается следующим соотношением
,
где 
- ускорение, приобретаемое телом под действием силы; m - масса движущегося тела; 
, - результирующая всех внешних сил, действующих на тело.
Если результирующие силы, действующие на одно и то же тело, различны, то ускорения, приобретаемые телом под действием этих сил, различны, а отношение их равно отношению соответствующих сил
. (1.1)
Законы Ньютона экспериментально достаточно точно проверить нельзя, т.к. трудно учесть действие всех сил. Однако следствия, вытекающие из этих законов, проверить можно. Установив проверкой правильность следствий, мы утверждаем справедливость законов Ньютона.
Описание установки
Машина Атвуда (рис. 1.1) состоит из корпуса (1) с сантиметровыми делениями, на оборотной стороне которого существует паз с токоведущими шинами, через которые с помощью приемного столика выключается счетчик-секундомер.
К клеммам, расположенным в нижней части корпуса, подключены счетчик-секундомер и через ключ замыкания выпрямитель. В верхней части корпуса с левой стороны установлен электромагнитный пускатель (3) который служит для пуска и остановки грузов. Узел блока (2) состоит из блока с эквивалентной массой mБ и кронштейна; по диаметру блока сделана проточка, по которой перемещается леска с системой грузов. Приемный столик (4) в момент удара груза по его чашке разрывает цепь счетчика-секундомера и прекращает отсчет времени.
В нижней левой части корпуса укреплен ограничитель (5) так, чтобы при опускании левого груза на ограничитель нижняя плоскость правого груза находилась против нулевого деления шкалы.
Набор грузов включает: два груза, соединенные леской, каждый из которых состоит из двух цилиндров массой m с полостями и двух перегрузков массами m1 и m2.
| Перед проведением опытов прибор следует установить в строго вертикальное положение с помощью ножек-винтов подставки. Регулировка считается достаточной, если правый груз располагается в центре чашки столика. При движении системы в узле блока возникает сила трения, пренебречь которой нельзя, т.к. по величине она сравнима с теми силами, которые приводят в движение систему. Однако действие ее может быть компенсировано добавочным грузом массой μ, помещенным на груз, который движется вниз. |
Рис. 1.1
Если после компенсации силы трения на грузы: левый - массой m и правый - массой m+μ, положить перегрузки m1 и m2 (m2 > m1),то система будет двигаться равноускоренно. Равнодействующая сила при этом будет равна разности сил тяжести правого и левого перегрузков
F1=P2-P1=(m2-m1)g. (1.2)
Соотношение (1.2) справедливо только в том случае, если масса движущейся системы не меняется. Чтобы осуществить это, изменяя, однако, при этом силу, сообщающую ускорение, следует перегрузок m1 переложить на перегрузок m2 на правой стороне лески. В этом случае равнодействующая сила
F2=P2+P1=(m2+m1)g. (1.3)
Отношение сил
. (1.4)
Так как равнодействующие силы F1 и F2 в обоих случаях отличны от нуля, движение системы равноускоренное: при этом она проходит равные пути, имея каждый раз нулевую начальную скорость. Используя формулу пути равноускоренного движения с нулевой начальной скоростью
, (1.5)
получим, что отношение ускорений равно обратному отношению квадратов соответствующих времен:
. (1.6)
В настоящей работе предлагается по результатам опытов определить отношение сил по формуле (1.4) и отношение ускорений по формуле (1.6), а затем сравнить эти результаты.
Порядок выполнения работы
1. Уравновесить силу трения, добавляя в полость правого цилиндра, укрепленного на нити, песок. Силу трения можно считать скомпенсированной, если оба груза - цилиндра, теперь уже с несколько разными массами, самопроизвольно не приходят в движение; в то же время при подталкивании одного из них они будут двигаться равномерно с той скоростью, которую им сообщили.
Компенсацию силы трения нужно провести тщательно, т.к. от этого зависит точность выполнения соотношения (1.1).
2. На левый и правый грузы положить соответственно перегрузки m1 и m2.
3. Нижнюю плоскость правого груза установить против нулевого деления шкалы. Зафиксировать высоту, с которой падает груз, включением электромагнита.
4. Разомкнуть ключом цепь электромагнита, при этом одновременно включается счетчик-секундомер. При ударе груза по чашке приемного столика размыкается цепь секундомера. Отсчет времени прекращается, а показание секундомера дает время движения системы t1.
Перед началом следующего опыта возвратить правый груз к нулевой отметке и включить цепь электромагнита.
Опыт повторить 5 раз.
5. Переложить перегрузок m1 с левого груза на правый (теперь на правом грузе находятся оба перегрузка m1 и m2), изменив тем самым силу, сообщающую ускорение системе.
Аналогично, как указано в п. 4, определить время движения системы t2. Результаты измерений занести в таблицу.
6. По формуле (1.4) вычислить среднее отношение сил, обозначенное как 
, по формуле (1.6) - отношение ускорений 
, подставляя в формулу (1.6) средние значения времен 
и 
.
Таблица
| i | m1, кг | m2, кг | t1, с | 
| 
| t2, с | 
| 
|
|
| 
|
| 
| |||||
7. За абсолютную ошибку измерения массы Δm принять систематическую ошибку для измерения массы.
8. Вычислить границы общих погрешностей для X и X' по формулам
; где 
;
; где 
.
Очень часто численные значения полученных отношений X и X' не совпадают, но если разность между их численными значениями лежит в пределах допущенных в процессе работы ошибок, т.е. выполняется неравенство
,
то соотношение (1.1) справедливо.
Контрольные вопросы
1.Что называется массой, весом тела? Какой смысл вкладывается в понятие силы?
2.Сформулировать законы Ньютона. Какова зависимость между этими
законами? В каких случаях они справедливы?
3.Дать определения единицы силы в системе СИ.
4. Подсчитать силу натяжения нити, на которой подвешен груз, при равноускоренном и равнозамедленном движении груза вверх и вниз.
5.Что называется средней и мгновенной скоростями?
6.Какое следствие второго закона Ньютона проверяется в этой работе?
7.Почему перегрузок m1 перекладывают с одной стороны на другую, а
не вносят извне?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2