Файл: Учебнометодическое пособие для направлений подготовки 44. 03. 01 Педагогическое образование и 44. 03. 05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки).docx

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Изучение законов движения на машине Атвуда

Принадлежности: машина Атвуда, сплошная платформа, кольцевая платформа, электромагнит, основные грузы и набор добавочных грузов, капроновая нить, электрический секундомер, выпрямитель (ВС 4-12), соединительные провода.

Введение

Машина Атвуда состоит (смотрите рисунок) из вертикально прикрепленного к основанию 1 стержня 2, на котором нанесена шкала 3, разделенная на сантиметры (в основании 1 имеются корректирующие винты 11 вращением которых, добиваются установки стержня 2 именно в вертикальной плоскости). На вертикальном стержне сверху имеется легкий блок 4, вращающийся с малым трением. Через блок перекинута тонкая капроновая нить 5 с грузами одинаковой массы M. Нить вместе с подвешенными к ней грузами может удерживаться электромагнитом 6.

Массу системы можно изменять небольшими добавочными грузами – перегрузками (2 г, 4 г).

Если на груз M положить перегрузок массой m₁, то вся система начнет двигаться равноускоренно.

Величину ускорения можно определить из следующих соображений. На каждый груз будут действовать две силы – сила тяжести и сила натяжения нити, под действием которых грузы и начнут двигаться (если пренебрегать силами трения и считать нить невесомой). Если предположить, что нить нерастяжима, то ускорение правого и левого грузов будут равны по величине и противоположны по знаку. Так как нить невесома, то силы натяжение нити справа и слева будут одинаковы. На основании 2-го закона Ньютона можно написать:

,

,

где а – ускорение системы, T – натяжение нити, g – ускорение свободного падения.

Решение этих уравнений дает величину ускорения и величину натяжения нити:

,



Более точное определение ускорения системы требует учета момента инерции блока. Записанные ранее уравнения должны быть дополнены уравнением, определяющим закон вращательного движения блока.

---

На машине Атвуда можно проверить законы равноускоренного движения а также второй закон Ньютона, что и является целью работы. Эта проверка носит, однако, приближенный характер из-за наличия сил трения.



Задание № 1. Проверка закона пути.

Порядок выполнения задания

1. 
   Соберите электрическую схему для Задания № 1 (смотрите рисунок).
   
2. 
   Установите сплошную платформу 7 на некоторой высоте и зафиксируйте ее с помощью винта крепления (внимание: максимальная высота –85 см; минимальная высота –40 см; расстояние между ближайшими положениями сплошной платформы не должно быть менее 15 см и более 20 см; рекомендуемый набор высот – 70 см, 55 см, 40 см).
   
3. 
   Подайте напряжение от сети переменного тока на секундомер и выпрямитель.
   
4. 
   Установив тумблер секундомера 9 в положение «ВКЛ» включите секундомер. Единичным нажатием кнопки «Установка нуля» установите секундомер в нулевое положение (внимание: самостоятельно выявить систематическую ошибку секундомера; если таковая существует – учитывать ее при измерениях).
   
5. 
   Установите систему грузов соединенных нитью таким образом, чтобы нижний край правого груза M находился на уровне нулевого деления шкалы.
   
6. 
   Установив тумблер выпрямителя 8 в положение «ВКЛ» зафиксируйте нить с грузами с помощью электромагнита в начальном неподвижном положении (внимание: электромагнит должен включаться на очень короткий промежуток времени).
   
7. 
   Добавьте на правый груз M некоторое количество добавочных перегрузков (внимание: масса добавочных перегрузков m₁ не должна быть менее 4 г и более 14 г).
   
8. 
   Приподнимите (не перемещая) сплошную платформу.
   
9. 
   Установка готова к работе.
   

Принцип работы установки. Когда цепь электромагнита будет разомкнута, то система, как было сказано выше, начнет двигаться равноускоренно, при этом одновременно, секундомер, начнет отсчитывать время движения. В момент удара груза о сплошную платформу (и ее опускании), ток в цепи секундомера исчезнет

---

, и секундомер остановится. Его показания дадут время движения t грузов.

Изменяя положение сплошной платформы на стержне, получают для разных высот S различные времена движения груза t, но при одной и той же массе добавочного перегрузка m₁ ускорение системы будет оставаться неизменным, и, поэтому, должно выполняться (приближенно) соотношение:

,

проверку правильности которого, и ставит целью первое задание.

Примечание. Проверку данного соотношения провести для трех различных по массе добавочных перегрузков (m₁, m₂ m₃,) и для трех положений сплошной платформы. Время для каждого положения платформы для одного добавочного перегрузка измерить три раза и взять среднее арифметическое значение (всего 27 измерений времени). Результаты измерений занести в таблицы (3 таблицы). Сделать подробный вывод по проделанной работе.

Таблица (масса добавочного перегрузка m₁)

S, м
t, c

---

Таблица (масса добавочного перегрузка m₂)

S, м
t, c

Таблица (масса добавочного перегрузка m₃)

S, м
t, c

---

Задание № 2. Проверка закона скорости .

Порядок выполнения задания

1. 
   Соберите электрическую схему для Задания № 2 (смотрите рисунок).
   
2. 
   Установите сплошную платформу на некоторой высоте и зафиксируйте ее с помощью винта крепления.
   
3. 
   Установите кольцевую платформу 10 на некоторой высоте, несколько выше сплошной платформы, и, также зафиксируйте ее с помощью винта крепления (внимание: в данном задании кольцевая платформа ставиться на те же самые высоты, на которых в первом задании находилась сплошная платформа, а расстояние между платформами не должно быть менее 15 см и более 20 см).
   
   4. 
      Подайте напряжение от сети переменного тока на секундомер и выпрямитель.
      
   5. 
      Установив тумблер секундомера 9 в положение «ВКЛ» включите секундомер. Единичным нажатием кнопки «Установка нуля» установите секундомер в нулевое положение (внимание: самостоятельно выявить систематическую ошибку секундомера; если таковая существует – учитывать ее при измерениях).
      
   6. 
      Установите систему грузов соединенных нитью таким образом, чтобы нижний край правого груза M находился на уровне нулевого деления шкалы.
      
   7. 
      Добавьте на правый груз M некоторое количество добавочных перегрузков (внимание: в данном задании масса добавочных перегрузков m₁ должна быть такой же, как и в первом задании).
      
   8. 
      Приподнимите (не перемещая) сплошную платформу.
      
   9. 
      Установка готова к работе.
      

Принцип работы установки. Когда цепь электромагнита будет разомкнута, то система, как было сказано выше, начнет двигаться равноускоренно. При прохождении грузом кольцевой платформы добавочные перегрузки замыкают цепь секундомера, и секундомер начинает отсчитывать время движения груза, между платформами. В момент удара груза о сплошную платформу (и ее опускании), ток в цепи секундомера исчезнет, и секундомер остановится. Его показания дадут время движения t грузов.

Изменяя положения сплошной и кольцевой платформ на стержне (не меняя при это расстояние между самими платформами), получают для различных положений платформ, различные времена движения груза t. Но, как и в первом задании, при одной и той же массе добавочного перегрузка m₁ ускорение системы будет оставаться неизменным, и, поэтому, должно выполняться (приближенно) соотношение:

---