Лабораторная работа № 22 экспериментальная проверка закона сохранения и превращения энергии

Цель работы: экспериментально проверить закон сохранения и превращения энергии на примере перехода механической энергии во внутреннюю энергию взаимодействующих тел. Для этого: а) экспериментально определить коэффициент трения скольжения; б) на основе закона сохранения энергии рассчитать путь, который соскользнувшая с наклонной плоскости шайба пройдет по горизонтальной поверхности. Сравнить расчетное значение с экспериментальным.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Сила трения скольжения в случае сухого трения вызывается механическим зацеплением между неровностями соприкасающихся поверхностей и сцеплением между молекулами обоих тел в областях непосредственного соприкосновения. В приближенных расчетах можно считать, что сила трения скольжения - F_тр прямо пропорциональна силе нормального давления - f, оказываемого телом на поверхность (закон Амонтона 1699 г.):

(1)

г де k - безразмерный коэффициент, зависящий от свойств материала тел. Из треугольника рисунка видно, что при равномерном

Плоскость с изменяемым углом наклона

движении шайбы составляющая силы тяжести в направлении наклонной плоскости, равна силе трения по абсолютной величине: . Составляющая силы тяжести в направлении, перпендикулярном наклонной плоскости, является силой нормального давления -f = и согласно (1)

(2)

Для шайбы, скатывающейся с высоты h-b (где b половина толщины шайбы), и при угле наклона плоскости, равном , запасенная потенциальная энергия расходуется на преодоление сил трения на наклонной плоскости и на горизонтальной поверхности:

(3)

Из этой формулы путь l₂, проходимый шайбой по горизонтальной поверхности, равен

(4)

где l₁ - путь, пройденный шайбой по наклонной поверхности, , - наименьший угол, при котором шайба начинает равномерно скользить по наклонной плоскости.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Для измерения угла , по которому рассчитывается коэффициент трения k, необходимо плавно увеличивать угол наклона плоскости, медленно двигая штатив 1 (рисунок) до тех пор, пока шайба не начнет равномерное скольжение. Значение этого угла измеряют 10 - 12 раз с помощью транспортира.

2. Шайбу кладут на наклонную плоскость на расстоянии l₁ (0,40,5) м от начала горизонтальной поверхности. Увеличивают угол наклона до значения , при котором путь l₂, проходимый шайбой по горизонтальной плоскости, был бы не менее 0,2 м. Значение l₂ измеряют 10 - 12 раз при одних и тех же l₁, h и . Высота h измеряется до середины центра масс шайбы с помощью прямоугольного треугольника, один из катетов которого опирается на продолжение горизонтальной поверхности. (Из-за конечной толщины шайбы нельзя выразить l₁ через h: и, таким образом, уменьшить число необходимых измерений).

3. Штангенциркулем измеряют толщину шайбы. Половина этого значения равно b. В таблицу измерений записываются: 10-12 значений угла и l₂, по одному значению , h и l₁ (погрешность , h и l₁ равна цене деления транспортира, треугольника и линейки соответственно).

Расчет пути - l₂, пройденного шайбой по горизонтальной поверхности и доверительной погрешности

По формуле (1.4) рассчитывается среднее значение l₂:

(5)

где .

Доверительная погрешность l_{2 рас} находится по формуле

(6)