Лабораторная работа № 7, страница 87 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

Лабораторная работа № 7

Градуировка динамометра и измерение сил

Цель работы: научиться градуировать пружину динамометра и измерять силы.

Приборы и материалы: набор грузов, два динамометра, шкала одного из которых закрыта бумагой, штатив с муфтой, лапкой и кольцом, три разных цилиндра из набора тел по калориметрии, линейка.

Порядок выполнения работы

1. Зажмите динамометр с закрытой шкалой в лапке штатива вертикально и отметьте на бумаге нулевое положение указателя (поставьте цифру 0).

2. Рассчитайте силу тяжести, действующую на один груз массой 100 г, принимая ускорение свободного падения равным $g = 10 \frac{m}{s^2}$. Подвесьте груз к крючку динамометра. При этом пружина динамометра растянется. Сила упругости, возникающая в пружине при её растяжении, уравновешивается силой тяжести, действующей на груз. Отметьте новое положение указателя на бумаге и поставьте цифру 1.

3. Подвешивая к динамометру два груза, три и т. д., отмечайте положения указателя. Поставьте соответственно цифры 2, 3 и т. д.

4. Снимите динамометр со штатива и проверьте, одинаковы ли расстояния между зафиксированными вами цифрами. Если вы оказались не точны, повторите градуировку.

5. Поставьте букву Н над цифрами шкалы, обозначив единицы силы. Ваш динамометр готов.

6. Какова цена деления шкалы полученного динамометра? Поставьте в середине между цифрами промежуточное деление, и цена деления уменьшится вдвое. Определите новую цену деления.

7. Сравните проградуированный вами динамометр с готовым динамометром с открытой шкалой. Определите его цену деления.

8. Измерьте вес трёх цилиндров, изготовленных из разных веществ, сначала с помощью проградуированного вами динамометра, затем с помощью динамометра, изготовленного в фабричных условиях. Результаты с учётом абсолютной погрешности измерения запишите в таблицу 12.

Таблица 12

№ опыта

Вес цилиндра, определённый с помощью проградуированного динамометра, Н

Вес цилиндра, определённый с помощью готового динамометра, Н

1

2

3

1. В этом пункте необходимо подготовить динамометр к градуировке. Динамометр с бумажной полосой вместо шкалы закрепляется вертикально в штативе. Указатель динамометра в свободном состоянии (когда на него не действует сила) показывает на начальное, нулевое положение. На бумаге напротив указателя ставится отметка и подписывается цифрой «0». Эта отметка соответствует силе, равной 0 Ньютонов.

Ответ: Выполнена подготовка к градуировке: отмечено нулевое положение указателя динамометра.

2. Здесь требуется рассчитать силу тяжести, которая будет действовать на один калибровочный груз.

Дано $m = 100 \text{ г}$ $g = 10 \frac{\text{м}}{\text{с}^2}$

Перевод в систему СИ: $m = 100 \text{ г} = 0.1 \text{ кг}$

Найти: $F_т$ — ?

Решение

Сила тяжести, действующая на тело, вычисляется по формуле: $F_т = m \cdot g$

Подставим значения в формулу: $F_т = 0.1 \text{ кг} \cdot 10 \frac{\text{м}}{\text{с}^2} = 1 \text{ Н}$

Когда груз подвешен к динамометру, он находится в покое. Это означает, что сила тяжести, действующая на груз, уравновешена силой упругости пружины динамометра. Таким образом, сила упругости также равна 1 Н. Эта сила и будет измеряться динамометром. Отметив положение указателя с одним грузом, мы получим на шкале отметку «1».

Ответ: Сила тяжести, действующая на один груз, равна $1 \text{ Н}$.

3. Следуя этому пункту, необходимо последовательно увеличивать нагрузку на динамометр, добавляя по одному грузу. Каждый груз добавляет к общей силе тяжести 1 Н. Таким образом:

• Подвешиваем два груза: общая сила равна $2 \text{ Н}$. Отмечаем положение указателя и ставим цифру «2».
• Подвешиваем три груза: общая сила равна $3 \text{ Н}$. Отмечаем положение указателя и ставим цифру «3».

Процедуру можно продолжать, пока позволяет длина пружины динамометра.

Ответ: На бумажной шкале нанесены отметки, соответствующие силам в $2 \text{ Н}$, $3 \text{ Н}$ и так далее.

4. В этом пункте проверяется равномерность получившейся шкалы. Согласно закону Гука, удлинение пружины прямо пропорционально приложенной силе ($F_{упр} = k \cdot \Delta l$). Поскольку каждый добавленный груз увеличивает силу на одну и ту же величину (1 Н), то и удлинение пружины каждый раз должно быть одинаковым. Следовательно, расстояния между соседними отметками (0-1, 1-2, 2-3 и т.д.) на бумажной шкале должны быть равны. Если они не равны, значит, при нанесении отметок была допущена ошибка, и градуировку следует повторить.

Ответ: Расстояния между соседними цифрами на шкале должны быть одинаковыми.

5. Для завершения создания шкалы нужно указать единицы измерения. Так как мы рассчитывали силу в Ньютонах, над рядом цифр (0, 1, 2, 3...) ставится буква «Н», обозначающая Ньютоны.

Ответ: Над цифровыми отметками шкалы поставлена буква «Н». Динамометр проградуирован.

6. Цена деления шкалы — это значение измеряемой величины, соответствующее одному наименьшему делению на шкале.

Изначально деления на нашей шкале — это промежутки между цифрами 1 и 2, 2 и 3 и т.д. Разница значений между соседними отметками составляет $2 \text{ Н} - 1 \text{ Н} = 1 \text{ Н}$. Так как между ними одно большое деление, то цена деления полученного динамометра равна 1 Н.

Далее, если мы поставим в середине каждого промежутка (между 0 и 1, 1 и 2, и т.д.) дополнительную черточку, то каждое большое деление в 1 Н разделится на два малых. Новая цена деления будет равна: $ЦД_{новая} = \frac{1 \text{ Н}}{2} = 0.5 \text{ Н}$

Ответ: Начальная цена деления шкалы — $1 \text{ Н}$. Новая цена деления после добавления промежуточных отметок — $0.5 \text{ Н}$.

7. Чтобы определить цену деления готового (фабричного) динамометра, нужно выполнить следующие действия:

1. Найти на шкале два соседних штриха, возле которых написаны числовые значения (например, 2 Н и 3 Н).
2. Вычесть из большего значения меньшее: $3 \text{ Н} - 2 \text{ Н} = 1 \text{ Н}$.
3. Подсчитать количество малых делений (промежутков) между этими двумя штрихами. Допустим, их 5.
4. Разделить разность значений на количество делений: $ЦД_{фабр} = \frac{1 \text{ Н}}{5} = 0.2 \text{ Н}$.

Таким образом, для гипотетического фабричного динамометра цена деления будет 0.2 Н. Сравнение показывает, что фабричный динамометр, как правило, более точный (имеет меньшую цену деления), чем самодельный. Например, $0.2 \text{ Н} < 0.5 \text{ Н}$.

Ответ: Цена деления фабричного динамометра определяется по его шкале. Например, если между отметками 2 Н и 3 Н есть 5 делений, то цена деления равна $0.2 \text{ Н}$.

8. В этом пункте необходимо измерить вес трех цилиндров с помощью двух динамометров и заполнить таблицу. Абсолютная погрешность прямого измерения принимается равной половине цены деления прибора.

Для нашего проградуированного динамометра с ценой деления $ЦД_{прогр} = 0.5 \text{ Н}$ абсолютная погрешность $\Delta P_{прогр} = \frac{0.5 \text{ Н}}{2} = 0.25 \text{ Н}$.

Для фабричного динамометра из примера выше с ценой деления $ЦД_{фабр} = 0.2 \text{ Н}$ абсолютная погрешность $\Delta P_{фабр} = \frac{0.2 \text{ Н}}{2} = 0.1 \text{ Н}$.

Результат измерения записывается в виде $P = (P_{изм} \pm \Delta P)$, где $P_{изм}$ — показание прибора.

Так как реальные измерения отсутствуют, заполним таблицу гипотетическими данными:

Таблица 12 (пример заполнения)

Ответ: Результаты измерений веса трех цилиндров с учетом абсолютной погрешности занесены в таблицу.