Ход работы, страница 62 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Генденштейн, Булатова

Лабораторная работа № 8. Исследование трения скольжения - страница 62.

Условие.

Ход работы

1. Проверьте справедливость гипотезы: «Сила трения скольжения практически не зависит от площади соприкосновения тел».

• Положите брусок гранью наибольшей площади на доску (или линейку). На брусок положите два груза массой по 100 г.

• С помощью горизонтально расположенного динамометра равномерно тяните брусок по доске: при этом показание динамометра равно силе трения скольжения, действующей на брусок со стороны доски. Запишите показание динамометра с указанием погрешности.

• Повторите опыт, положив брусок на доску гранью наименьшей площади. Запишите результат измерения с указанием погрешности.

• Сравните результаты¹ первого и второго опытов. Запишите вывод: подтвердили или опровергли результаты опыта сформулированную гипотезу (с учётом погрешности измерений)?

2. Измерение коэффициента трения скольжения.

• Измерьте динамометром вес бруска с одним грузом, а также силу трения скольжения, действующующую на брусок с грузом при его равномерном движении по горизонтальной доске под действием горизонтально направленной силы. Запишите результаты измерений с указанием погрешностей в первую строку таблицы.

Число грузов	Сила нормальной реакции опоры $N, H$	Сила трения $F_{\text{тр}}, H$
1
2
3

• Повторите измерения, используя два, а затем три таких же груза.

• Нанесите экспериментальные точки на координатную плоскость с осями $\text{N}$ и $F_{\text{тр}}$. Используя прозрачную линейку, постройте по отмеченным точкам график зависимости силы трения скольжения от силы нормальной реакции опоры в предположении, что сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции (поэтому график должен проходить через начало координат).

• Запишите формулу для расчёта коэффициента трения. Используя построенный график, найдите коэффициент трения скольжения дерева по дереву. Запишите результат без указания погрешности.

• Сделайте и запишите вывод о том, как связаны между собой коэффициент трения и угол наклона графика зависимости $F_{\text{тр}}(N)$.

3. Вывод:

Решение.

1. Проверьте справедливость гипотезы: «Сила трения скольжения практически не зависит от площади соприкосновения тел».

Результат первого опыта (брусок на грани наибольшей площади):
Сила трения скольжения $F_{тр1} = (1,20 \pm 0,05)$ Н.

Результат второго опыта (брусок на грани наименьшей площади):
Сила трения скольжения $F_{тр2} = (1,15 \pm 0,05)$ Н.

Сравнение результатов:
Результат первого измерения означает, что истинное значение силы трения лежит в интервале от $1,15$ Н до $1,25$ Н.
Результат второго измерения означает, что истинное значение силы трения лежит в интервале от $1,10$ Н до $1,20$ Н.
Поскольку эти интервалы пересекаются (область пересечения от $1,15$ Н до $1,20$ Н), можно считать, что полученные значения силы трения совпадают в пределах погрешности измерений. Таким образом, результаты опыта подтверждают выдвинутую гипотезу.

Ответ: Экспериментально подтверждено, что сила трения скольжения в пределах погрешности измерений не зависит от площади соприкосновения тел.

2. Измерение коэффициента трения скольжения.

Результаты измерений силы нормальной реакции опоры $\text{N}$ (равной весу бруска с грузами) и силы трения $F_{тр}$ (равной силе упругости динамометра при равномерном движении) занесены в таблицу. Для расчёта веса (и, соответственно, силы нормальной реакции опоры) принято $g \approx 10$ Н/кг. Масса бруска принята равной $200$ г ($0,2$ кг), масса одного груза - $100$ г ($0,1$ кг). Погрешность динамометра $\pm 0,05$ Н.

Число грузов	Сила нормальной реакции опоры N, Н	Сила трения $F_{тр}$, Н
1	$(0,2+0,1) \cdot 10 = 3,0$	0,95
2	$(0,2+2 \cdot 0,1) \cdot 10 = 4,0$	1,20
3	$(0,2+3 \cdot 0,1) \cdot 10 = 5,0$	1,45

Нанесем экспериментальные точки (3,0; 0,95), (4,0; 1,20) и (5,0; 1,45) на координатную плоскость $F_{тр}(N)$. Проведем прямую линию, которая проходит через начало координат и наилучшим образом усредняет положение этих точек.

Формула для расчёта коэффициента трения скольжения выводится из определения силы трения:
$F_{тр} = \mu N$
Отсюда коэффициент трения $\mu$:
$\mu = \frac{F_{тр}}{N}$

Для нахождения коэффициента трения по графику выберем на построенной усредняющей прямой произвольную точку, не совпадающую с экспериментальными. Например, точку с координатами $N = 4,0$ Н и $F_{тр} = 1,2$ Н (в данном случае она совпала с экспериментальной, так как хорошо лежит на прямой).

Дано:

$N = 4,0$ Н
$F_{тр} = 1,2$ Н

Найти:

$\mu$ - ?

Решение:

Воспользуемся формулой для коэффициента трения:
$\mu = \frac{F_{тр}}{N}$
Подставим значения из выбранной точки на графике:
$\mu = \frac{1,2 \text{ Н}}{4,0 \text{ Н}} = 0,30$

Вывод о связи коэффициента трения и угла наклона графика:
Коэффициент трения $\mu$ численно равен тангенсу угла наклона $\alpha$ графика зависимости $F_{тр}(N)$ к оси абсцисс (оси $\text{N}$). Это следует из того, что $\mu = \frac{F_{тр}}{N}$, что является определением тангенса угла наклона для прямой, проходящей через начало координат ($y = kx$, где $k = \tan(\alpha)$). В нашем случае $F_{тр}$ соответствует $\text{y}$, $\text{N}$ соответствует $\text{x}$, а $\mu$ соответствует $\text{k}$.

Ответ: Коэффициент трения скольжения дерева по дереву, найденный по графику, составляет $\mu \approx 0,30$.

3. Вывод:

В ходе выполнения лабораторной работы были сделаны следующие выводы:

1. Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Это было подтверждено сравнением результатов измерений силы трения для бруска, расположенного на гранях разной площади. Разница в показаниях динамометра находилась в пределах погрешности измерений.

2. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры. Это подтверждается тем, что график зависимости $F_{тр}(N)$ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

3. Коэффициент пропорциональности между силой трения скольжения и силой нормальной реакции опоры называется коэффициентом трения скольжения $\mu$. Его значение было определено по наклону графика и составило $\mu \approx 0,30$.

Ответ: Проведенные эксперименты подтвердили, что сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления ($F_{тр} = \mu N$) и не зависит от площади контакта.