Урок 38. Лабораторная работа «Движение тела по окружности под действием силы тяжести и упругости»

РАЗДЕЛ II. Поурочные разработки по физике к учебнику Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева, Н. Н. Сотского

ВВЕДЕНИЕ

ФИЗИКА В ПОЗНАНИИ ВЕЩЕСТВА, ПОЛЯ, ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Урок 38. Лабораторная работа «Движение тела по окружности под действием силы тяжести и упругости»

Цель: убедиться в том, что при движении тела по окружности под действием нескольких сил их равнодействующая равна произведению массы тела на ускорение F = ma (на примере конического маятника).

Оборудование: 1) динамометр; 2) часы с секундной стрелкой или секундомер; 3) линейка измерительная; 4) груз из набора по механике массой 100 г; 5) штатив лабораторный с кольцом; 6) прочная нить; 7) лист бумаги с начерченной на нем окружностью радиусом 15-20 см; 8) транспортир.

Инструкция

На конический маятник действуют две силы: сила тяжести mg и сила упругости F_упр. Их равнодействующая равна F = mg + F_упр. Сила F сообщает маятнику центростремительное ускорение . (R - радиус окружности, по которой движется груз, Т - период его вращения).

Таким образом, в работе необходимо сравнить силу F с произведением

Для выполнения работы собирают установку с коническим маятником. К концу штатива подвешивают на нити груз. Для этого верхний конец нити продевают в отверстие кольца штатива и заклинивают заостренной спичкой.

На столе под маятником располагают лист бумаги с начерченной на нем окружностью. Центр окружности располагают на отвесной линии, проходящей через точку подвеса маятника. Затем маятник приводят во вращательное движение в горизонтальной плоскости, взявшись двумя пальцами за нить у точки подвеса. Радиус вращения маятника подбирают равным радиусу окружности.

Период вращения маятника измеряют часами с секундной стрелкой. При этом один ученик следит за секундной стрелкой, другой - вращает маятник и ведет счет оборотов за одну или две минуты. Зная время и число оборотов, вычисляют период вращения:

Подставляют полученные данные (R, m, Т) в приведенную выше формулу и находят величину mа.

Равнодействующую сил тяжести и упругости можно найти несколькими способами, например:

1. Из соотношения h = l cos α, где l - длина маятника; α - угол отклонения маятника от положения равновесия.

2. Измерением силы F c помощью динамометра. В этом случае маятник оттягивают от положения равновесия на расстояние, равное радиусу окружности R, и снимают показания динамометра. Последний способ измерения силы дает наименьшую погрешность, так как в этом случае она определяется только погрешностями динамометра и отсчета.

Сопоставляя результаты измерения F и mа, убеждаются, что они близки между собой. Относительную погрешность косвенного измерения силы выявляют на основе соотношения

Находят по формуле

Здесь е_m = 2 % - относительная погрешность, с которой нам известна масса груза по механике; граница случайной погрешности измерения времени

При малых углах отклонения маятника можно считать, что е_R = 0, так как период его не зависит от угла отклонения. При достаточно длинной нити можно уменьшить е_сист. до такого значения, что суммой (е_сист. + е_m) можно пренебречь по сравнению со случайной погрешностью   (формула, которая вносит основной вклад в погрешность). Поэтому

Граница случайной погрешности составляет: при однократном проведении опыта - 17 %, при двукратном - 12 %, при трехкратном - 10 %.

В зависимости от числа опытов по вычисленному значению произведения та находят границы абсолютной погрешности ΔF = е_F(mа)