Ход работы, страница 46 - гдз по физике 7 класс лабораторный практикум Холина, Березин

Лабораторные работы. Лабораторная работа № 13 «Изучение принципа действия неподвижного и подвижного блоков» - страница 46.

Условие.

Лабораторная работа № 13

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ НЕПОДВИЖНОГО И ПОДВИЖНОГО БЛОКОВ

► Цель работы

Проверить выполнение правила рычага для неподвижного и подвижного блоков.

► Приборы и материалы

Динамометр, штатив с муфтой и лапкой, подвижный и неподвижный блоки, нить, набор грузов.

► Подготовка к работе

Общий вид экспериментальных установок показан на рисунке 21.

Неподвижный блок (блок с неподвижной осью) можно рассматривать как равноплечий рычаг: плечи сил $\vec{F_1}$ и $\vec{F_2}$ одинаковы и равны радиусу блока $OA = OB = R$ (рис. 22, а).

Моменты этих сил относительно оси вращения:

$M_1 = F_1 \cdot OA = F_1R,$

$M_2 = F_2 \cdot OB = F_2R.$

Согласно правилу рычага, $M_1 = M_2$, следовательно, для неподвижного блока

$F_2 = F_1.$ (1)

Ось подвижного блока не закреплена и перемещается вместе с грузом. При этом в каждый момент времени неподвижной оказывается точка $\text{O}$ (рис. 22, б), блок как бы «перекатывает-ся» через эту точку. Такой блок можно рассматривать, как рычаг с плечами $\text{OA}$ и $\text{OB}$, отличающимися друг от друга в 2 раза: $\frac{OB}{OA} = 2$. Согласно правилу рычага, $F_1 \cdot OA = F_2 \cdot OB$, следовательно, для подвижного блока

$F_2 = \frac{F_1}{2}.$ (2)

В работе предлагается экспериментально проверить справедливость соотношений (1) и (2) и сделать вывод, выполняется или нет правило рычага для неподвижного и подвижного блоков.

► Ход работы

1. Определите цену деления шкалы динамометра.

2. Подвесьте два груза к динамометру и измерьте их общий вес. Обозначив общий вес грузов $F_1$, запишите в таблицу результат с учётом абсолютной погрешности, приняв её равной цене деления шкалы динамометра.

Блок	Число грузов	Сила $F_1 \pm \Delta F$, Н	Сила $F_2 \pm \Delta F$, Н

3. Соберите экспериментальную установку по рисунку 21, а.

3.1. Закрепите неподвижный блок с помощью муфты на штативе.

3.2. Через жёлоб блока перекиньте нить.

3.3. Закрепите гирлянду из двух грузов на нити.

3.4. К свободному концу нити присоедините динамометр, как показано на рисунке 21, а.

4. С помощью динамометра, удерживая гирлянду из грузов, измерьте силу $F_2$, как показано на рисунке 21, а. Запишите в таблицу результат с учётом абсолютной погрешности, приняв её равной цене деления шкалы динамометра.

5. Увеличьте число грузов в гирлянде до четырёх и повторите действия, указанные в п. 2–4. Результаты измерений запишите в таблицу.

6. Соберите экспериментальную установку по рисунку 21, б.

6.1. Закрепите подвижный блок на штативе, протянув нить через жёлоб блока снизу вверх, как показано на рисунке 21, б.

6.2. Закрепите гирлянду из двух грузов на подвижном блоке.

6.3. К свободному концу нити присоедините динамометр.

7. С помощью динамометра, удерживая подвижный блок с гирляндой из грузов, измерьте силу $F_2$, как показано на рисунке 21, б. Запишите в таблицу результат измерения с учётом абсолютной погрешности, приняв её равной цене деления шкалы динамометра.

8. Увеличьте число грузов в гирлянде до четырёх и повторите действия, указанные в п. 6, 7. Результаты измерений запишите в таблицу.

9. Покажите на числовой оси для каждого опыта интервалы возможных значений сил.

10. Проанализируйте результаты и сделайте вывод.

Решение.

Цель работы

Проверить на опыте выполнение правила рычага для неподвижного и подвижного блоков.

Приборы и материалы

Динамометр, штатив с муфтой и лапкой, подвижный и неподвижный блоки, нить, набор грузов.

Ход работы

1. Определите цену деления шкалы динамометра.

Решение:

Рассмотрим шкалу стандартного учебного динамометра. Предположим, что между отметками 0 Н и 1 Н находится 10 делений. Тогда цена деления (ЦД) будет равна:

$ЦД = \frac{1 \text{ Н} - 0 \text{ Н}}{10} = 0.1 \text{ Н}$

Абсолютную погрешность измерений силы примем равной цене деления динамометра:

$\Delta F = 0.1 \text{ Н}$

Ответ: Цена деления шкалы динамометра составляет 0.1 Н, абсолютная погрешность измерения силы $\Delta F = 0.1$ Н.

2. Подвесьте два груза к динамометру и измерьте их общий вес. Обозначив общий вес грузов $F_1$, запишите в таблицу результат с учётом абсолютной погрешности, приняв её равной цене деления шкалы динамометра.

Решение:

Предположим, что вес одного груза составляет примерно 1 Н. Тогда вес двух грузов будет равен 2 Н. С учётом погрешности результат измерения будет:

$F_1 = (2.0 \pm 0.1) \text{ Н}$

Этот результат заносится в первую строку таблицы.

Ответ: Измеренный вес двух грузов $F_1 = (2.0 \pm 0.1) \text{ Н}$.

3. Соберите экспериментальную установку по рисунку 21, а.

4. С помощью динамометра, удерживая гирлянду из грузов, измерьте силу $F_2$, как показано на рисунке 21, а. Запишите в таблицу результат с учётом абсолютной погрешности.

Решение:

При использовании неподвижного блока в идеальных условиях (без трения) сила $F_2$ должна быть равна силе $F_1$. В реальном эксперименте из-за наличия трения в оси блока сила $F_2$ будет немного больше $F_1$. Предположим, динамометр показал значение 2.1 Н.

$F_2 = (2.1 \pm 0.1) \text{ Н}$

Этот результат заносится в первую строку таблицы.

Ответ: Измеренная сила при использовании неподвижного блока $F_2 = (2.1 \pm 0.1) \text{ Н}$.

5. Увеличьте число грузов в гирлянде до четырёх и повторите действия, указанные в п. 2–4. Результаты измерений запишите в таблицу.

Решение:

Вес четырёх грузов $F_1$ составит:

$F_1 = (4.0 \pm 0.1) \text{ Н}$

При измерении силы $F_2$ с помощью неподвижного блока и четырёх грузов, динамометр, с учётом трения, покажет значение, немного большее 4 Н, например, 4.1 Н.

$F_2 = (4.1 \pm 0.1) \text{ Н}$

Результаты заносятся во вторую строку таблицы.

Ответ: Для четырёх грузов вес $F_1 = (4.0 \pm 0.1) \text{ Н}$, а измеренная сила $F_2 = (4.1 \pm 0.1) \text{ Н}$.

6. Соберите экспериментальную установку по рисунку 21, б.

7. С помощью динамометра, удерживая подвижный блок с гирляндой из двух грузов, измерьте силу $F_2$, как показано на рисунке 21, б. Запишите в таблицу результат измерения.

Решение:

Вес двух грузов нам уже известен: $F_1 = 2.0$ Н. Подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза, но при этом необходимо поднимать и сам блок. Измерим вес подвижного блока отдельно, предположим, он равен $P_{блок} = 0.5$ Н. Тогда общая сила тяжести, действующая вниз, равна $F_{общ} = F_1 + P_{блок} = 2.0 + 0.5 = 2.5$ Н. Теоретически, прикладываемая сила $F_2$ должна быть в два раза меньше: $F_{2,теор} = F_{общ} / 2 = 2.5 / 2 = 1.25$ Н. С учётом трения, измеренное значение будет несколько больше, например, 1.3 Н.

$F_2 = (1.3 \pm 0.1) \text{ Н}$

Результат заносится в третью строку таблицы.

Ответ: Для двух грузов измеренная с помощью подвижного блока сила $F_2 = (1.3 \pm 0.1) \text{ Н}$.

8. Увеличьте число грузов в гирлянде до четырёх и повторите действия, указанные в п. 6, 7. Результаты измерений запишите в таблицу.

Решение:

Вес четырёх грузов: $F_1 = 4.0$ Н. Общая сила тяжести с учётом веса блока: $F_{общ} = F_1 + P_{блок} = 4.0 + 0.5 = 4.5$ Н. Теоретически, прикладываемая сила $F_2$ должна быть равна: $F_{2,теор} = F_{общ} / 2 = 4.5 / 2 = 2.25$ Н. Измеренное значение с учётом трения будет несколько больше, например, 2.3 Н.

$F_2 = (2.3 \pm 0.1) \text{ Н}$

Результат заносится в четвёртую строку таблицы.

Блок	Число грузов	Сила $F_1 \pm \Delta F, \text{Н}$	Сила $F_2 \pm \Delta F, \text{Н}$
Неподвижный	2	$2.0 \pm 0.1$	$2.1 \pm 0.1$
Неподвижный	4	$4.0 \pm 0.1$	$4.1 \pm 0.1$
Подвижный	2	$2.0 \pm 0.1$	$1.3 \pm 0.1$
Подвижный	4	$4.0 \pm 0.1$	$2.3 \pm 0.1$

Ответ: Для четырёх грузов измеренная с помощью подвижного блока сила $F_2 = (2.3 \pm 0.1) \text{ Н}$.

9. Покажите на числовой оси для каждого опыта интервалы возможных значений сил.

Решение:

Интервалы возможных значений сил для каждого опыта:

Опыт 1 (неподвижный блок, 2 груза):
Интервал для $F_1$: [1.9 Н, 2.1 Н]
Интервал для $F_2$: [2.0 Н, 2.2 Н]
Интервалы пересекаются в диапазоне [2.0 Н, 2.1 Н].

Опыт 2 (неподвижный блок, 4 груза):
Интервал для $F_1$: [3.9 Н, 4.1 Н]
Интервал для $F_2$: [4.0 Н, 4.2 Н]
Интервалы пересекаются в диапазоне [4.0 Н, 4.1 Н].

Опыт 3 (подвижный блок, 2 груза):
Интервал для $F_1$: [1.9 Н, 2.1 Н]
Интервал для $F_2$: [1.2 Н, 1.4 Н]
Теоретическое значение силы $F_{2,теор} = 1.25$ Н попадает в экспериментальный интервал для $F_2$.

Опыт 4 (подвижный блок, 4 груза):
Интервал для $F_1$: [3.9 Н, 4.1 Н]
Интервал для $F_2$: [2.2 Н, 2.4 Н]
Теоретическое значение силы $F_{2,теор} = 2.25$ Н попадает в экспериментальный интервал для $F_2$.

Ответ: Интервалы возможных значений сил построены и проанализированы для каждого опыта.

10. Проанализируйте результаты и сделайте вывод.

Решение:

Анализ для неподвижного блока:

В обоих опытах с неподвижным блоком (с двумя и четырьмя грузами) измеренная сила $F_2$ оказалась незначительно больше силы тяжести грузов $F_1$. Например, в первом опыте $F_1 = 2.0$ Н, а $F_2 = 2.1$ Н. Теоретически для идеального неподвижного блока должно выполняться равенство $F_1 = F_2$. Расхождение можно объяснить наличием силы трения в оси блока. Тем не менее, значения сил $F_1$ и $F_2$ очень близки, и их интервалы погрешностей пересекаются. Это подтверждает, что неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а лишь изменяет направление её действия.

Анализ для подвижного блока:

В опытах с подвижным блоком наблюдается значительный выигрыш в силе. Теоретически, подвижный блок должен давать выигрыш в силе в 2 раза, то есть $F_2 = F_1 / 2$. Однако это справедливо только для веса самого груза и без учёта веса блока и трения. Более точная формула, учитывающая вес блока: $F_2 = (F_1 + P_{блок}) / 2$.

Для двух грузов: теоретическое значение $F_{2,теор} = (2.0 + 0.5)/2 = 1.25$ Н. Экспериментальное значение $F_2 = 1.3$ Н. Теоретическое значение попадает в интервал измерения [1.2 Н, 1.4 Н].

Для четырёх грузов: теоретическое значение $F_{2,теор} = (4.0 + 0.5)/2 = 2.25$ Н. Экспериментальное значение $F_2 = 2.3$ Н. Теоретическое значение попадает в интервал измерения [2.2 Н, 2.4 Н].

Результаты эксперимента с учётом погрешностей и веса блока хорошо согласуются с теорией. Небольшое превышение экспериментальных значений над теоретическими можно объяснить силой трения.

Вывод:

В ходе лабораторной работы было экспериментально проверено правило рычага для блоков.
1. Неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, он лишь изменяет её направление. В реальных условиях приложенная сила несколько превышает вес груза из-за наличия трения.
2. Подвижный блок даёт выигрыш в силе примерно в 2 раза. Для точного расчёта необходимой силы нужно учитывать не только вес груза, но и вес самого блока, а также силу трения.
Таким образом, справедливость правила рычага для неподвижного и подвижного блоков экспериментально подтверждена.

Ответ: Эксперименты подтвердили, что неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а подвижный блок дает выигрыш в силе, близкий к 2. Правило рычага для обоих типов блоков выполняется с учётом сил трения и веса подвижного блока.