Лабораторная работа № 8, страница 99 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

Лабораторная работа № 8

Измерение коэффициента трения скольжения

Приборы и материалы: деревянный брусок, набор грузов, динамометр, деревянная доска.

Порядок выполнения работы

1. Прикрепите динамометр к бруску и равномерно двигайте брусок по горизонтально расположенной линейке (рис. 83).

2. Добейтесь равномерного движения и измерьте силу трения, действующую на брусок без груза и брусок, нагруженный одним, двумя и тремя грузами массой по 100 г каждый, учитывая, что она равна силе тяги.

3. Запишите результаты измерений в таблицу 15.

Рис. 83

4. Определите с помощью динамометра вес бруска, потом последовательно его вес с одним, двумя, тремя грузами.

5. Заполните таблицу 15, учитывая, что вес тела на горизонтальной поверхности равен силе нормального давления.

6. Сделайте вывод о том, как зависит сила трения скольжения от силы нормального давления.

7. Вычислите коэффициент трения скольжения в каждом случае, используя формулу $F_{\text{тр}} = \mu N$. Результаты вычислений запишите в таблицу 15.

8. Сделайте вывод.

№ опытаСила трения $F_{\text{тр}}$, HСила нормального давления $\text{N}$, HКоэффициент трения скольжения $\mu$

1. Брусок без груза

2. Брусок с одним грузом ($\text{m}$)

3. Брусок с двумя грузами ($\text{2m}$)

4. Брусок с тремя грузами ($\text{3m}$)

Измерьте силу трения скольжения бруска, повернув его на грань с меньшей площадью. Последовательно нагружая брусок, повторите опыты (пункт 2) и заполните аналогичную таблицу. Сделайте вывод о зависимости силы трения скольжения от площади опоры движущегося тела.

Для выполнения лабораторной работы и расчетов примем некоторые исходные данные, которые в реальном эксперименте были бы измерены:

Пусть масса деревянного бруска $m_{бруска} = 200$ г.

Масса одного груза по условию $m_{груза} = 100$ г.

Ускорение свободного падения примем равным $g \approx 9.8 \text{ Н/кг}$.

Дано:

$m_{бруска} = 200 \text{ г}$

$m_{груза} = 100 \text{ г}$

$g \approx 9.8 \text{ Н/кг}$

Перевод в СИ:

$m_{бруска} = 0.2 \text{ кг}$

$m_{груза} = 0.1 \text{ кг}$

Найти:

$F_{тр}$, $N$, $\mu$ для каждого опыта, сделать выводы.

Решение:

В соответствии с порядком выполнения работы, проведем расчеты для каждого опыта и заполним таблицу.

При равномерном прямолинейном движении по горизонтальной поверхности сила тяги, которую показывает динамометр, равна по модулю силе трения скольжения: $F_{тяги} = F_{тр}$.

Сила нормального давления $N$ (или сила реакции опоры) равна по модулю весу тела $P$, который, в свою очередь, равен силе тяжести $F_{тяж} = m_{общ}g$, где $m_{общ}$ - общая масса системы (брусок + грузы).

Коэффициент трения скольжения вычисляется по формуле $\mu = \frac{F_{тр}}{N}$.

1. Брусок без груза

Общая масса: $m_1 = m_{бруска} = 0.2 \text{ кг}$.

Сила нормального давления: $N_1 = m_1 \cdot g = 0.2 \text{ кг} \cdot 9.8 \text{ Н/кг} = 1.96 \text{ Н}$.

Измерим (гипотетически) силу трения динамометром. Допустим, получили $F_{тр1} = 0.6 \text{ Н}$.

Вычислим коэффициент трения: $\mu_1 = \frac{F_{тр1}}{N_1} = \frac{0.6 \text{ Н}}{1.96 \text{ Н}} \approx 0.31$.

2. Брусок с одним грузом (m)

Общая масса: $m_2 = m_{бруска} + m_{груза} = 0.2 \text{ кг} + 0.1 \text{ кг} = 0.3 \text{ кг}$.

Сила нормального давления: $N_2 = m_2 \cdot g = 0.3 \text{ кг} \cdot 9.8 \text{ Н/кг} = 2.94 \text{ Н}$.

Измерим силу трения: допустим, $F_{тр2} = 0.88 \text{ Н}$.

Вычислим коэффициент трения: $\mu_2 = \frac{F_{тр2}}{N_2} = \frac{0.88 \text{ Н}}{2.94 \text{ Н}} \approx 0.30$.

3. Брусок с двумя грузами (2m)

Общая масса: $m_3 = m_{бруска} + 2 \cdot m_{груза} = 0.2 \text{ кг} + 0.2 \text{ кг} = 0.4 \text{ кг}$.

Сила нормального давления: $N_3 = m_3 \cdot g = 0.4 \text{ кг} \cdot 9.8 \text{ Н/кг} = 3.92 \text{ Н}$.

Измерим силу трения: допустим, $F_{тр3} = 1.2 \text{ Н}$.

Вычислим коэффициент трения: $\mu_3 = \frac{F_{тр3}}{N_3} = \frac{1.2 \text{ Н}}{3.92 \text{ Н}} \approx 0.31$.

4. Брусок с тремя грузами (3m)

Общая масса: $m_4 = m_{бруска} + 3 \cdot m_{груза} = 0.2 \text{ кг} + 0.3 \text{ кг} = 0.5 \text{ кг}$.

Сила нормального давления: $N_4 = m_4 \cdot g = 0.5 \text{ кг} \cdot 9.8 \text{ Н/кг} = 4.9 \text{ Н}$.

Измерим силу трения: допустим, $F_{тр4} = 1.47 \text{ Н}$.

Вычислим коэффициент трения: $\mu_4 = \frac{F_{тр4}}{N_4} = \frac{1.47 \text{ Н}}{4.9 \text{ Н}} = 0.30$.

5. Заполните таблицу 15

6. Сделайте вывод о том, как зависит сила трения скольжения от силы нормального давления.

Анализируя данные из таблицы, можно заметить, что с увеличением силы нормального давления (с 1.96 Н до 4.9 Н) сила трения скольжения также увеличивается (с 0.6 Н до 1.47 Н). При этом отношение силы трения к силе нормального давления ($\mu = F_{тр}/N$) остается примерно постоянным. Это говорит о прямой пропорциональной зависимости между силой трения скольжения и силой нормального давления.

Ответ: Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления.

7. Вычислите коэффициент трения скольжения в каждом случае...

Расчеты коэффициента трения для каждого опыта приведены выше и занесены в таблицу. Чтобы получить более точное значение, найдем среднее значение коэффициента трения по результатам всех опытов:

$\mu_{ср} = \frac{\mu_1 + \mu_2 + \mu_3 + \mu_4}{4} = \frac{0.31 + 0.30 + 0.31 + 0.30}{4} = \frac{1.22}{4} = 0.305$

Ответ: Коэффициент трения скольжения в каждом из опытов составляет примерно 0.30-0.31. Среднее значение коэффициента трения $\mu_{ср} \approx 0.305$.

8. Сделайте вывод.

В ходе выполнения лабораторной работы было экспериментально установлено, что сила трения скольжения, действующая на тело, прямо пропорциональна силе нормального давления, приложенной к этому телу. Коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения скольжения, зависит от материалов соприкасающихся поверхностей (в данном случае, дерево по дереву) и качества их обработки, но не зависит от силы нормального давления. Небольшой разброс в полученных значениях коэффициента трения ($\mu$) можно объяснить погрешностями измерений.

Ответ: Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления, а коэффициент трения скольжения для данной пары поверхностей является константой.

9*. Дополнительное задание.

Для выполнения этого задания необходимо повернуть брусок на грань с меньшей площадью и повторить измерения. Допустим, мы повторили опыт №2 (брусок с одним грузом). Сила нормального давления не изменится, так как масса системы осталась прежней: $N_2 = 2.94 \text{ Н}$.

Проведя измерение силы тяги динамометром, мы бы обнаружили, что ее значение практически не изменилось и составило бы примерно $F'_{тр2} \approx 0.88 \text{ Н}$.

Сравнивая силу трения для бруска на широкой грани ($F_{тр2} = 0.88 \text{ Н}$) и на узкой грани ($F'_{тр2} \approx 0.88 \text{ Н}$), мы видим, что они практически равны. Аналогичные результаты были бы получены и для других нагрузок.

Вывод: Из проведенного дополнительного опыта следует, что сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей (при условии, что сила нормального давления остается неизменной).

Ответ: Сила трения скольжения не зависит от площади опоры движущегося тела.