Задание 1, страница 114 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

Лабораторная работа № 5

Исследование силы трения скольжения

Цель работы: определение модуля силы трения скольжения древесины по древесине, а также древесины по шлифовальной бумаге.

Приборы и материалы: динамометр, набор грузов, трибометр (плоская доска), деревянный брусок, лист шлифовальной бумаги (шкурки).

Задание 1. Определение модуля силы трения скольжения древесины по древесине.

Ход работы

1. Определите цену деления шкалы динамометра, а также инструментальную ошибку ($h_i$) прибора.

2. Положите деревянный брусок на расположенный горизонтально трибометр (плоскую доску). Измерьте модуль силы трения скольжения ($F_{тр}$) древесины по древесине с помощью динамометра, прикрепленного к бруску. Обратите внимание на то, что при измерении силы трения скольжения динамометр должен находиться в горизонтальном положении параллельно плоскости трибометра и перемещаться вместе с бруском равномерно и прямолинейно.

3. На брусок поставьте один груз из набора, а затем два груза. Повторите предыдущий опыт с одним грузом, а затем с двумя грузами.

1. Определите цену деления шкалы динамометра, а также инструментальную ошибку (hᵢ) прибора.

Для определения цены деления (ЦД) шкалы динамометра необходимо выполнить следующие действия:

1. Найти на шкале два ближайших штриха, возле которых написаны числовые значения. Пусть это будут значения $F_1$ и $F_2$.

2. Сосчитать количество делений (промежутков) $n$ между этими штрихами.

3. Рассчитать цену деления по формуле: $ЦД = \frac{|F_2 - F_1|}{n}$.

Например, если на шкале есть отметки 1 Н и 2 Н, а между ними 10 делений, то цена деления составит:

$ЦД = \frac{2\ Н - 1\ Н}{10} = 0.1\ Н$

Инструментальная ошибка измерения $h_i$ для аналоговых приборов (к которым относится пружинный динамометр) обычно принимается равной половине цены деления:

$h_i = \frac{ЦД}{2}$

Для нашего примера инструментальная ошибка будет равна:

$h_i = \frac{0.1\ Н}{2} = 0.05\ Н$

Ответ: Цена деления динамометра определяется по его шкале путем деления разности значений двух соседних оцифрованных штрихов на количество делений между ними. Инструментальная ошибка принимается равной половине цены деления. Для гипотетического прибора: цена деления – $0.1\ Н$, инструментальная ошибка – $0.05\ Н$.

2. Положите деревянный брусок на расположенный горизонтально трибометр (плоскую доску). Измерьте модуль силы трения скольжения ($F_{тр}$) древесины по древесине с помощью динамометра, прикрепленного к бруску. Обратите внимание на то, что при измерении силы трения скольжения динамометр должен находиться в горизонтальном положении параллельно плоскости трибометра и перемещаться вместе с бруском равномерно и прямолинейно.

Процесс измерения модуля силы трения скольжения основан на втором законе Ньютона. Когда брусок перемещается равномерно и прямолинейно, его ускорение равно нулю ($a=0$). Это означает, что сумма всех сил, действующих на брусок, также равна нулю.

В горизонтальном направлении на брусок действуют две силы:

1. Сила тяги $F_{тяги}$, создаваемая динамометром и направленная в сторону движения.

2. Сила трения скольжения $F_{тр}$, направленная в сторону, противоположную движению.

Условие равномерного движения в проекции на горизонтальную ось записывается так:

$F_{тяги} - F_{тр} = ma = 0$

Отсюда следует, что модуль силы тяги равен модулю силы трения скольжения:

$F_{тяги} = F_{тр}$

Таким образом, для измерения модуля силы трения скольжения необходимо тянуть брусок с помощью динамометра так, чтобы он двигался с постоянной скоростью, и в процессе этого движения считать показания прибора. Показание динамометра и будет искомой величиной $F_{тр}$. Важно держать динамометр строго горизонтально, чтобы его показания не искажались составляющей силы тяжести.

Ответ: Модуль силы трения скольжения измеряется с помощью динамометра. Для этого брусок тянут равномерно и прямолинейно по горизонтальной поверхности. Показание динамометра в этом случае численно равно модулю силы трения скольжения.

3. На брусок поставьте один груз из набора, а затем два груза. Повторите предыдущий опыт с одним грузом, а затем с двумя грузами.

Эксперимент повторяется дважды по методике, описанной в пункте 2. Сначала на деревянный брусок помещается один груз, и измеряется сила трения скольжения $F_{тр2}$. Затем на брусок устанавливаются два груза, и снова измеряется сила трения $F_{тр3}$.

Цель этого шага — исследовать зависимость силы трения от силы нормальной реакции опоры. Сила трения скольжения связана с силой нормальной реакции опоры $N$ через коэффициент трения скольжения $\mu$:

$F_{тр} = \mu N$

На горизонтальной поверхности сила нормальной реакции опоры $N$ по модулю равна силе тяжести $F_{тяж}$, действующей на систему (брусок + грузы):

$N = F_{тяж} = (m_{бруска} + m_{грузов})g$

При добавлении грузов общая масса системы увеличивается. Это приводит к пропорциональному увеличению силы нормальной реакции опоры и, следовательно, силы трения скольжения. Поэтому результаты измерений должны показать, что сила трения растет с увеличением нагрузки:

$F_{тр3} > F_{тр2} > F_{тр1}$

(где $F_{тр1}$ — сила трения для бруска без грузов, измеренная в п.2).

Например, если масса бруска $m_б = 0.2\ кг$, масса одного груза $m_г = 0.1\ кг$, а коэффициент трения $\mu \approx 0.3$, то при $g \approx 9.8\ м/с^2$ теоретические значения сил трения будут:

1. Брусок: $N_1 = 0.2 \cdot 9.8 = 1.96\ Н \implies F_{тр1} = 0.3 \cdot 1.96\ Н \approx 0.59\ Н$.

2. Брусок + 1 груз: $N_2 = (0.2 + 0.1) \cdot 9.8 = 2.94\ Н \implies F_{тр2} = 0.3 \cdot 2.94\ Н \approx 0.88\ Н$.

3. Брусок + 2 груза: $N_3 = (0.2 + 0.2) \cdot 9.8 = 3.92\ Н \implies F_{тр3} = 0.3 \cdot 3.92\ Н \approx 1.18\ Н$.

Эти значения считываются с динамометра в каждом из опытов.

Ответ: Опыт по измерению силы трения повторяется сначала с одним, а затем с двумя грузами на бруске. В каждом случае показания динамометра при равномерном прямолинейном движении будут соответствовать силе трения. Ожидается, что с увеличением веса (количества грузов) измеряемая сила трения будет увеличиваться.