Эксперимент в классе, страница 110 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Измерьте силу трения скольжения и силу трения качения по поверхности стола для цилиндрического тела. Сравните полученный результат.

Для проведения эксперимента понадобятся: цилиндрическое тело (например, сплошной металлический цилиндр, консервная банка или стакан), динамометр, ровная горизонтальная поверхность (стол).

Измерение силы трения скольжения

Решение

1. Положите цилиндрическое тело на стол на его боковую поверхность, чтобы при движении оно скользило, а не катилось.

2. Зацепите крючок динамометра за торец цилиндра.

3. Начните медленно и равномерно тянуть динамометр в горизонтальном направлении, параллельно поверхности стола. Важно добиться, чтобы цилиндр двигался с постоянной скоростью.

4. Когда цилиндр будет двигаться равномерно, зафиксируйте показание динамометра. Согласно первому закону Ньютона, при равномерном прямолинейном движении сила тяги, которую показывает динамометр ($F_{тяги}$), будет равна по модулю силе трения скольжения ($F_{тр. скольж.}$).

5. Запишите полученное значение $F_{тр. скольж.} = F_{тяги}$. Теоретически, эта сила описывается формулой $F_{тр. скольж.} = \mu_{ск} N$, где $\mu_{ск}$ — это коэффициент трения скольжения, а $\text{N}$ — сила нормальной реакции опоры. На горизонтальной поверхности $\text{N}$ равна силе тяжести $\text{mg}$.

Ответ: Сила трения скольжения измеряется как сила тяги, необходимая для равномерного скольжения цилиндра по поверхности, и равна показанию динамометра $F_{тр. скольж.}$.

Измерение силы трения качения

Решение

1. Поставьте цилиндрическое тело на его круглое основание так, чтобы оно могло катиться по столу.

2. Зацепите крючок динамометра за ось цилиндра. Если это конструктивно невозможно, можно обмотать нить вокруг центральной части цилиндра и тянуть за нее горизонтально на уровне оси.

3. Начните медленно и равномерно тянуть динамометр, заставляя цилиндр катиться по столу без проскальзывания.

4. Когда цилиндр будет катиться с постоянной скоростью, зафиксируйте показание динамометра. Эта сила тяги будет равна по модулю силе трения качения ($F_{тр. кач.}$).

5. Запишите полученное значение $F_{тр. кач.} = F_{тяги}$. Теоретически, сила трения качения определяется как $F_{тр. кач.} = \frac{k \cdot N}{R}$, где $\text{k}$ — коэффициент трения качения (величина, имеющая размерность длины), $\text{N}$ — сила нормальной реакции опоры, а $\text{R}$ — радиус цилиндра.

Ответ: Сила трения качения измеряется как сила тяги, необходимая для равномерного качения цилиндра по поверхности, и равна показанию динамометра $F_{тр. кач.}$.

Сравнение полученных результатов

Решение

Сравните два измеренных значения: силу трения скольжения $F_{тр. скольж.}$ и силу трения качения $F_{тр. кач.}$.

В ходе эксперимента вы обнаружите, что значение силы, необходимой для качения цилиндра, значительно меньше значения силы, необходимой для его скольжения. То есть, выполняется соотношение:

$F_{тр. кач.} \ll F_{тр. скольж.}$

Этот результат объясняется различием в физической природе этих двух видов трения. При скольжении происходит трение между двумя соприкасающимися поверхностями на большой площади, и для движения необходимо преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и зацепления микронеровностей. При качении же тело постоянно опирается на очень малую площадь (в идеале – линию), и основная работа совершается на деформацию тела и опоры в месте контакта, что требует гораздо меньших усилий. Именно поэтому для перемещения грузов широко используются колеса и ролики.

Ответ: Сила трения качения для цилиндрического тела на поверхности стола значительно меньше силы трения скольжения ($F_{тр. кач.} \ll F_{тр. скольж.}$).