Лабораторная работа № 7, страница 153, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Силы вокруг нас. Параграф 42. Лабораторные и исследовательские работы. Лабораторные работы - страница 153.

Условие.

Лабораторная работа № 7

Исследование силы трения скольжения. Определение коэффициента трения скольжения

Цель работы

Изучить зависимость силы трения скольжения от силы реакции опоры, измерить коэффициент трения скольжения дерева по дереву.

Оборудование и материалы

Динамометр, набор грузов, деревянный брусок, деревянная поверхность (доска).

Ход работы

• С помощью динамометра измерьте вес $\text{P}$ деревянного бруска.

• Положите брусок на горизонтальную деревянную поверхность и поместите на него груз массой 100 г.

• Прицепите к бруску крючок динамометра и с помощью динамометра приведите брусок в прямолинейное равномерное движение. Зафиксируйте показания динамометра при движении. Динамометр показывает силу, действующую на брусок, которая по модулю равна силе трения скольжения $F_{\text{тр}}$.

• Результаты измерений занесите в таблицу в своей тетради.

Номер опыта	Вес бруска $\text{P}$, Н	Вес грузов $P_{\text{гр}}$, Н	Сила реакции опоры $\text{N}$, Н	Сила трения скольжения $F_{\text{тр}}$, Н	Коэффициент трения $\mu$

• Повторите опыты по измерению силы трения скольжения, поставив на брусок дополнительные 2–3 груза.

• Сделайте рисунок, обозначив на нём все силы, действующие на брусок.

• Вычислите силу реакции опоры $\text{N}$, действующую на брусок в каждом случае: $N = P + P_{\text{гр}}$, где $P_{\text{гр}}$ — вес грузов.

• Вычислите коэффициент трения скольжения $\mu$ для каждого случая.

• Выбрав подходящий масштаб, нарисуйте оси координат и отметьте точки, соответствующие значениям силы трения $F_{\text{тр}}$ и силы реакции опоры $\text{N}$ в проведённых опытах. Проведите прямую линию через поставленные экспериментальные точки. Если точки не лежат на одной прямой, проведите прямую линию вблизи этих точек. Полученная линия — это график зависимости силы трения скольжения от силы реакции опоры.

• Выбрав на графике произвольную точку, вычислите среднее значение коэффициента трения скольжения $\mu_{\text{ср}}$.

• Найдите табличное значение коэффициента трения скольжения дерева по дереву и сравните его с полученным вами в лабораторной работе.

• Сделайте вывод.

Решение.

Цель работы

Изучить зависимость силы трения скольжения от силы реакции опоры и измерить коэффициент трения скольжения дерева по дереву.

Оборудование и материалы

Динамометр, набор грузов, деревянный брусок, деревянная поверхность (доска).

Ход работы и результаты измерений

Для выполнения работы были проведены измерения и расчеты, которые занесены в следующую таблицу. Сначала был измерен вес бруска $\text{P}$ с помощью динамометра. Затем было проведено три опыта с разным количеством грузов на бруске.

Вес бруска $P = 2,0 \text{ Н}$.

Номер опыта	Вес бруска $P, \text{ Н}$	Вес грузов $P_{гр}, \text{ Н}$	Сила реакции опоры $N, \text{ Н}$	Сила трения скольжения $F_{тр}, \text{ Н}$	Коэффициент трения $\mu$
1	2,0	1,0	3,0	0,90	0,30
2	2,0	2,0	4,0	1,25	0,31
3	2,0	3,0	5,0	1,45	0,29

Рисунок и действующие силы

На рисунке показан брусок, движущийся по горизонтальной поверхности. На него действуют четыре силы:

1. Сила тяжести ($P_{общ}$), направленная вертикально вниз. Она равна сумме веса бруска и веса грузов: $P_{общ} = P + P_{гр}$.
2. Сила реакции опоры ($\text{N}$), направленная вертикально вверх, перпендикулярно поверхности. По модулю она равна силе тяжести: $N = P_{общ}$.
3. Сила тяги ($F_{тяги}$), с которой динамометр тянет брусок, направленная горизонтально в сторону движения.
4. Сила трения скольжения ($F_{тр}$), направленная горизонтально против движения.

При равномерном прямолинейном движении силы скомпенсированы, поэтому $F_{тяги} = F_{тр}$ и $N = P + P_{гр}$.

Вычисление силы реакции опоры $\text{N}$ и коэффициента трения $\mu$

Сила реакции опоры $\text{N}$ вычисляется по формуле $N = P + P_{гр}$.
Коэффициент трения скольжения $\mu$ вычисляется по формуле $\mu = \frac{F_{тр}}{N}$.

Расчеты для опыта №1:

$N_1 = P + P_{гр1} = 2,0 \text{ Н} + 1,0 \text{ Н} = 3,0 \text{ Н}$
$\mu_1 = \frac{F_{тр1}}{N_1} = \frac{0,90 \text{ Н}}{3,0 \text{ Н}} = 0,30$

Расчеты для опыта №2:

$N_2 = P + P_{гр2} = 2,0 \text{ Н} + 2,0 \text{ Н} = 4,0 \text{ Н}$
$\mu_2 = \frac{F_{тр2}}{N_2} = \frac{1,25 \text{ Н}}{4,0 \text{ Н}} \approx 0,31$

Расчеты для опыта №3:

$N_3 = P + P_{гр3} = 2,0 \text{ Н} + 3,0 \text{ Н} = 5,0 \text{ Н}$
$\mu_3 = \frac{F_{тр3}}{N_3} = \frac{1,45 \text{ Н}}{5,0 \text{ Н}} = 0,29$

Построение графика зависимости силы трения от силы реакции опоры

Построим график, отложив по оси абсцисс (X) значения силы реакции опоры $\text{N}$ (в Н), а по оси ординат (Y) — значения силы трения $F_{тр}$ (в Н). Отметим на графике точки, соответствующие результатам трех опытов: (3,0; 0,90), (4,0; 1,25) и (5,0; 1,45). Проведем через эти точки прямую линию, которая наилучшим образом их аппроксимирует. Полученная линия является графиком зависимости $F_{тр}(N)$. Так как точки ложатся практически на одну прямую, проходящую через начало координат, можно сделать вывод о прямой пропорциональности между силой трения и силой реакции опоры.

Вычисление среднего значения коэффициента трения скольжения

Среднее значение коэффициента трения можно найти как среднее арифметическое полученных в опытах значений:

$\mu_{ср} = \frac{\mu_1 + \mu_2 + \mu_3}{3} = \frac{0,30 + 0,31 + 0,29}{3} = \frac{0,90}{3} = 0,30$

Также можно определить $\mu_{ср}$ из графика. Для этого выберем на построенной прямой произвольную точку, например, с координатой $N = 4,5 \text{ Н}$. Соответствующее значение силы трения на графике будет примерно $F_{тр} = 1,35 \text{ Н}$. Тогда:

$\mu_{ср} = \frac{F_{тр}}{N} = \frac{1,35 \text{ Н}}{4,5 \text{ Н}} = 0,30$

Ответ: Среднее значение коэффициента трения скольжения, полученное в ходе эксперимента, составляет $\mu_{ср} = 0,30$.

Сравнение с табличным значением

Табличное значение коэффициента трения скольжения для дерева по дереву (сухому) находится в диапазоне от 0,25 до 0,5. Полученное экспериментальное значение $\mu_{ср} = 0,30$ входит в этот диапазон. Небольшие расхождения могут быть вызваны погрешностями измерений (точность динамометра, неравномерность движения бруска), а также состоянием поверхностей (влажность, шероховатость).

Ответ: Экспериментальное значение коэффициента трения $\mu_{ср} = 0,30$ согласуется с табличными данными.

Вывод

В ходе выполнения лабораторной работы была экспериментально исследована зависимость силы трения скольжения от силы нормальной реакции опоры. Было установлено, что сила трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры, что подтверждается графиком зависимости $F_{тр}(N)$, который представляет собой прямую линию. Было рассчитано среднее значение коэффициента трения скольжения дерева по дереву.

Ответ: Экспериментально определено, что сила трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры. Коэффициент трения скольжения дерева по дереву составил $\mu_{ср} = 0,30$.