Страница 216 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

№ 8 Исследование зависимости силы трения скольжения от площади соприкосновения тел, прижимающей силы, рода поверхности

Цель работы Исследовать зависимость силы трения скольжения от площади соприкосновения тел, прижимающей силы и рода поверхности.

Приборы и материалы Динамометр, деревянный брусок, набор грузов массой 100 г каждый, деревянная и пластиковая рейки.

Указания к работе

1. Определите вес бруска.

2. Положите брусок на деревянную рейку широкой гранью. Прикрепите к бруску динамометр и равномерно перемещайте брусок по поверхности, держа динамометр горизонтально. При этом он будет показывать силу тяги, равную силе трения.

3. Обработка результатов измерений. Запишите в таблицу 16 показания динамометра с учётом абсолютной погрешности измерений, равной цене деления шкалы динамометра.

4. Положите брусок на доску узкой гранью и измерьте силу трения скольжения. Сравните показания динамометра в обоих опытах. Сравните силу трения с весом бруска.

5. Нагружая брусок поочерёдно одним грузом, а затем двумя, повторите измерения (см. п. 3—4).

6. Покажите на числовой оси интервал возможных значений веса тела.

7. Повторите п. 3, заменив деревянную рейку пластиковой.

8. Проанализируйте результаты измерений и сделайте вывод.

В данном ответе представлены теоретические расчеты и ожидаемые результаты для лабораторной работы №8, так как для ее выполнения требуется реальное оборудование. Для расчетов приняты гипотетические, но реалистичные значения.

1. Определите вес бруска.

Для определения веса бруска необходимо подвесить его к динамометру. Показания динамометра будут равны весу бруска. Предположим, что масса нашего деревянного бруска составляет 200 г.

Дано:

$m_{бруска} = 200 \text{ г}$

$g \approx 10 \frac{\text{Н}}{\text{кг}}$

Перевод в СИ:

$m_{бруска} = 0.2 \text{ кг}$

Найти:

$P_{бруска}$ - вес бруска.

Решение:

Вес тела рассчитывается по формуле:

$P = m \cdot g$

Подставим наши значения:

$P_{бруска} = 0.2 \text{ кг} \cdot 10 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 2.0 \text{ Н}$

Предположим, что цена деления динамометра (и, следовательно, абсолютная погрешность измерения) составляет $\Delta P = 0.1 \text{ Н}$. Тогда результат измерения веса бруска будет:

$P_{бруска} = (2.0 \pm 0.1) \text{ Н}$

Ответ: Вес бруска, измеренный динамометром, составляет $P_{бруска} = (2.0 \pm 0.1) \text{ Н}$.

2. Обработка результатов измерений. Записывайте в таблицу 16 показания динамометра с учётом абсолютной погрешности измерений, равной цене деления шкалы динамометра.

Ниже представлена заполненная таблица 16 с гипотетическими данными, полученными в ходе выполнения последующих пунктов работы. Погрешность для всех измерений силы принята равной $\Delta F = \Delta P = 0.1 \text{ Н}$.

3. Положите брусок на деревянную рейку широкой гранью. Прикрепите к бруску динамометр и равномерно перемещайте брусок по поверхности, держа динамометр горизонтально. При этом он будет показывать силу тяги, равную силе трения.

Решение:

При равномерном горизонтальном движении сила тяги, которую показывает динамометр, уравновешивает силу трения скольжения. Согласно данным из таблицы (опыт №1), при движении бруска по деревянной поверхности на широкой грани измеренная сила составила $0.6 \text{ Н}$.

Ответ: Сила трения скольжения бруска на широкой грани по деревянной рейке составляет $F_{тр} = (0.6 \pm 0.1) \text{ Н}$.

4. Положите брусок на доску узкой гранью и измерьте силу трения скольжения. Сравните показания динамометра в обоих опытах. Сравните силу трения с весом бруска.

Решение:

Повторяем эксперимент, но теперь брусок лежит на узкой грани. Согласно данным из таблицы (опыт №1), измеренная сила трения составила $0.6 \text{ Н}$.

Сравнение показаний:

Сила трения на широкой грани: $F_{тр1} = (0.6 \pm 0.1) \text{ Н}$.

Сила трения на узкой грани: $F_{тр2} = (0.6 \pm 0.1) \text{ Н}$.

Показания динамометра в обоих опытах совпадают в пределах погрешности измерений.

Сравнение силы трения с весом бруска:

Сила трения $F_{тр} \approx 0.6 \text{ Н}$. Вес бруска $P \approx 2.0 \text{ Н}$.

$0.6 \text{ Н} < 2.0 \text{ Н}$. Сила трения скольжения меньше веса бруска.

Вывод: Сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения тел.

Ответ: Сила трения на узкой грани составила $(0.6 \pm 0.1) \text{ Н}$. Это значение совпадает с силой трения на широкой грани. Сила трения меньше веса бруска. Вывод: сила трения не зависит от площади соприкосновения поверхностей.

5. Нагружая брусок поочерёдно одним грузом, а затем двумя, повторите измерения (см. п. 3–4).

Решение:

Масса одного груза $m_{груза} = 100 \text{ г} = 0.1 \text{ кг}$. Его вес $P_{груза} = 0.1 \text{ кг} \cdot 10 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} = 1.0 \text{ Н}$.

Опыт с одним грузом:

Общий вес (брусок + 1 груз): $P_1 = P_{бруска} + P_{груза} = 2.0 \text{ Н} + 1.0 \text{ Н} = 3.0 \text{ Н}$.

Из таблицы (опыт №2) видим, что измеренная сила трения стала $F_{тр1} = (0.9 \pm 0.1) \text{ Н}$.

Опыт с двумя грузами:

Общий вес (брусок + 2 груза): $P_2 = P_{бруска} + 2 \cdot P_{груза} = 2.0 \text{ Н} + 2.0 \text{ Н} = 4.0 \text{ Н}$.

Из таблицы (опыт №3) видим, что измеренная сила трения стала $F_{тр2} = (1.2 \pm 0.1) \text{ Н}$.

Анализ: При увеличении веса тела (прижимающей силы) с $2.0 \text{ Н}$ до $3.0 \text{ Н}$, а затем до $4.0 \text{ Н}$, сила трения скольжения также увеличилась с $0.6 \text{ Н}$ до $0.9 \text{ Н}$, а затем до $1.2 \text{ Н}$. Зависимость близка к прямой пропорциональности ($F_{тр} \approx 0.3 \cdot P$).

Вывод: Сила трения скольжения прямо пропорциональна прижимающей силе (в данном случае весу тела).

Ответ: При увеличении веса тела сила трения скольжения увеличивается пропорционально.

6. Покажите на числовой оси интервал возможных значений веса тела.

Решение:

Из пункта 1 мы получили результат измерения веса бруска: $P_{бруска} = (2.0 \pm 0.1) \text{ Н}$.

Это означает, что истинное значение веса лежит в интервале от $(2.0 - 0.1) \text{ Н}$ до $(2.0 + 0.1) \text{ Н}$.

Нижняя граница интервала: $1.9 \text{ Н}$.

Верхняя граница интервала: $2.1 \text{ Н}$.

Интервал возможных значений: $[1.9 \text{ Н}; 2.1 \text{ Н}]$.

На числовой оси это выглядит так:

-----|----------[===============]----------|-----

1.8 1.9 2.1 2.2 P, Н

^

2.0

Ответ: Интервал возможных значений веса бруска: $[1.9 \text{ Н}; 2.1 \text{ Н}]$.

7. Повторите п. 3, заменив деревянную рейку пластиковой.

Решение:

Проводим измерение силы трения скольжения бруска по пластиковой поверхности (на широкой грани, без грузов). Согласно данным из таблицы (опыт №4), измеренная сила трения составила $F_{тр.пластик} = (0.4 \pm 0.1) \text{ Н}$.

Сравним этот результат с силой трения по деревянной рейке (опыт №1):

$F_{тр.пластик} = 0.4 \text{ Н}$

$F_{тр.дерево} = 0.6 \text{ Н}$

$0.4 \text{ Н} < 0.6 \text{ Н}$. Сила трения при движении по пластиковой поверхности оказалась меньше, чем при движении по деревянной.

Вывод: Сила трения скольжения зависит от рода (материала) соприкасающихся поверхностей.

Ответ: Сила трения скольжения бруска по пластиковой рейке составила $(0.4 \pm 0.1) \text{ Н}$, что меньше силы трения по деревянной рейке. Это доказывает, что сила трения зависит от материалов поверхностей.

8. Проанализируйте результаты измерений и сделайте вывод.

Решение и выводы:

На основе проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы о силе трения скольжения:

1. Сравнив результаты опытов с бруском на широкой и узкой гранях (п. 3 и 4), мы установили, что сила трения скольжения в пределах погрешности измерений не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.
2. Проведя опыты с дополнительными грузами (п. 5), мы увидели, что с увеличением веса тела (прижимающей силы) сила трения скольжения также увеличивается. Таким образом, сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры.
3. Заменив деревянную рейку на пластиковую (п. 7), мы получили другое значение силы трения. Это показывает, что сила трения скольжения зависит от рода (материалов) соприкасающихся поверхностей.

Ответ: В результате лабораторной работы было установлено, что сила трения скольжения зависит от прижимающей силы (пропорциональна ей) и от рода соприкасающихся поверхностей, но не зависит от площади их соприкосновения.