Описание экспериментальной установки

Изучение законов динамики

Поступательного движения

Методические указания по физике к лабораторной работе №1-5

для студентов технических специальностей ДГТУ,

адаптивный курс

(Раздел «Механика»)

Ростов-на-Дону

УДК 537.8

Составители: Н.В. Дорохова, В.С. Ковалева, В.В. Шегай

Изучение законов динамики поступательного движения: – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2013. – 8 c.

Методические указания предназначены для студентов первого курса ДГТУ технических специальностей в лабораторном практикуме по физике (раздел «Механика»). Указания имеют целью помощь студентам в переходе от школьного к вузовскому курсу общей физики.

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор

доктор технических наук, профессор В.С. Кунаков

Изучение законов динамики

Поступательного движения

Цель работы:	Теоретическое и экспериментальное изучение законов динамики поступательного движения. Определение зависимости ускорения материальной точки от ее массы и действующей внешней силы.
Оборудование:	Экспериментальная установка (машина Атвуда), электронный секундомер, набор грузов разной массы.

Теоретические сведения

Динамика изучает причины, вызывающие механическое движение.

Инерция — способность тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, если на это тело не действуют другие тела.

Масса m (кг) — количественная мера инертности тела.

Первый закон Ньютона:

Существуют такие системы отсчета, в которых тело находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения, если на него не действуют другие тела.

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными.

Сила (Н) — векторная величина, характеризующая взаимодействие между телами или частями тела.

Принцип суперпозиции сил:

Если на материальную точку действуют одновременно силы и , то их можно заменить равнодействующей силой :

Импульс тела (кгм/с) — векторная величина, равная произведению массы m материальной точки на его скорость :

Второй закон Ньютона:

где — равнодействующая сила, действующая на материальную точку.

Замечание. Если масса тела постоянна, то второй закон Ньютона принимает вид:

где — ускорение, приобретаемое телом массой m под действием силы .

Сила тяжести — сила, действующая на тело вследствие его притяжения к Земле или другим небесным телам.

Вблизи поверхности Земли тело массой m под действием силы тяжести движется с ускорением свободного падения . Поэтому по второму закону Ньютона сила тяжести равна:

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (машина Атвуда) представляет собой вертикальную деревянную рейку со шкалой 1, прикрепленную к стене (рис.1). На верхнем конце рейки имеется легкий блок 2, вращающийся с малым трением. Через блок перекинута нить, на концах которой подвешиваются грузы массами М₁ и М_{2 .}Масса правого груза М₂ складывается из массы основного М₁и добавочных грузиков (перегрузков) m.

Рис. 1

Если одновременно с началом движения системы грузов включить секундомер, а в конце движения его выключить, то можно получить зависимость времени движения t от пройденного грузами расстояния S.

Рис.2

Рассмотрим движение грузов массой М₁ и М₂на машине Атвуда (рис.2). Каждый из грузов находится под действием двух сил: силы тяжести M и силы натяжения нити .Применяя второй закон Ньютона для каждого груза, получим:

(1)

Если считать, что нить и блок невесомы, то сила натяжения нити по всей длине одинакова

Вследствие нерастяжимости нити, ускорения обоих грузов равны по величине и противоположны по направлению:

Тогда уравнение (1) можно переписать (в проекциях векторов на ось Х) в виде:

Решая эту систему уравнений относительно а находим:

. (2)

Ускорение системы а можно определить экспериментально, измеряя расстояние S, пройденное грузом за время t , по формуле:

(3)

Из-за инерционности блока и наличия сил трения в оси блока, ускорение, наблюдаемое на опыте и найденное по формуле (3), должно быть меньше, чем ускорение, определяемое по формуле (2).

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение зависимости ускорения системы грузов от действующей внешней силы.

1. Установить на правый груз перегрузок заданной массы m и определить время, за которое груз проходит заданное преподавателем расстояние S. Время прохождения расстояния измерить три раза. Данные измерений записать в таблицу 1.

2. Повторить измерения п.1 для других перегрузков.

3. Рассчитать ускорения системы грузов по формуле , где - среднее время.

4. Рассчитать теоретическую зависимость ускорения от силы тяжести перегрузка по формуле .

5. Построить в одной системе координат графики зависимости экспериментальных и теоретических значений ускорения системы грузов от величины силы тяжести перегрузка .

Система движущихся грузов массы М
кг	s, м	t₁,c	t₂,c	t₃,c	t_ср, c	а_эксп, м/с²	a_теор, м/с²

Таблица 1

Задание 2. Определение зависимости ускорения системы грузов от их массы.

1. Уменьшить массу системы грузов вдвое (для этого необходимо отвинтить нижнюю половину каждого из грузов).

2. Повторно провести измерения с новой системой грузов для одного перегрузка (см. задание 1). Занести результаты измерений в таблицу 2.

Система движущихся грузов массы
кг	s, м	t₁,c	t₂,c	t₃,c	t_ср, c	а_эксп, м/с²	a_теор, м/с²

Таблица 2

3. Рассчитать ускорение системы грузов по формуле .

4. Рассчитать теоретическое значение ускорения от силы тяжести перегрузка по формуле .

5. Сделать вывод на основе сравнения значений ускорений в задании 1 и 2.

Контрольные вопросы

1. Что изучает динамика?

2. Что такое инерция?

3. Дайте определения массы, силы и ускорения.

4. Сформулируйте принцип суперпозиции сил.

5. Сформулируйте первый закон Ньютона.

6. Какие системы отсчета называют инерциальными?

7. Что такое импульс тела?

8. Сформулируйте второй закон Ньютона.

9. Что такое сила тяжести?

10.Выведите формулу зависимости ускорения системы грузов от их массы на машине Атвуда.

Рекомендуемая литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1 / И.В. Савельев. – СПб.: Лань, 2006.

2. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк, 2008.

3.Федосеев В. Б. Физика / В. Б. Федосеев. – Ростов н/Д: Феникс, 2009.

Составители: Н.В. Дорохова, В.С. Ковалева, В.В. Шегай

Изучение законов динамики

Поступательного движения

Методические указания по физике к лабораторной работе №1-5

для студентов технических специальностей ДГТУ,

адаптивный курс

(Раздел «Механика»)

Редактор Т.В. Колесникова

________________________________________________________

В печать

Объём 0,5 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ № .Тираж 60 экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1