Экспериментальные задания, страница 111 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальные задания

Используя самодельный динамометр, определите коэффициент трения скольжения различных поверхностей. По результатам исследования составьте таблицу.

Для определения коэффициента трения скольжения необходимо выполнить следующую лабораторную работу.

Цель работы: Экспериментально определить коэффициент трения скольжения для различных пар поверхностей.

Оборудование и материалы:

• Предмет с плоским основанием (например, деревянный брусок с крючком).
• Самодельный или лабораторный динамометр.
• Различные горизонтальные поверхности (например, поверхность стола, лист бумаги, наждачная бумага, ткань).
• Набор грузов известной массы (для калибровки самодельного динамометра).

Теоретическое обоснование

Сила трения скольжения $F_{тр}$, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, прямо пропорциональна силе нормальной реакции $\text{N}$, действующей на тело со стороны поверхности:

$F_{тр} = \mu N$

где $\mu$ — это безразмерная величина, называемая коэффициентом трения скольжения. Его значение зависит от материалов соприкасающихся поверхностей и качества их обработки.

Когда тело находится на горизонтальной поверхности, сила нормальной реакции $\text{N}$ по модулю равна силе тяжести $F_{тяж}$, действующей на тело:

$N = F_{тяж} = mg$

где $\text{m}$ — масса тела, а $\text{g}$ — ускорение свободного падения (обычно принимается равным $9,8 \text{ Н/кг}$ или $9,8 \text{ м/с}^2$).

Для измерения силы трения можно тянуть тело с помощью динамометра. Если тело движется равномерно и прямолинейно, то, согласно первому закону Ньютона, равнодействующая всех сил равна нулю. Это означает, что сила тяги $F_{тяги}$, которую показывает динамометр, уравновешивает силу трения скольжения $F_{тр}$:

$F_{тяги} = F_{тр}$

Объединив формулы, получаем выражение для расчета коэффициента трения:

$\mu = \frac{F_{тяги}}{mg}$

Таким образом, для определения коэффициента трения $\mu$ необходимо измерить массу тела $\text{m}$ и силу тяги $F_{тяги}$, необходимую для его равномерного прямолинейного движения.

Ход выполнения работы

1. Подготовка динамометра. Если используется самодельный динамометр (например, на основе пружины или резинки), его необходимо предварительно откалибровать. Для этого к нему подвешивают грузы известной массы (например, 100 г, 200 г) и отмечают соответствующие деления на шкале, зная, что сила тяжести для массы 100 г ($0,1$ кг) составляет $F = mg = 0,1 \text{ кг} \cdot 9,8 \text{ Н/кг} \approx 1 \text{ Н}$.

2. Измерение силы нормальной реакции. С помощью динамометра измерьте вес $\text{P}$ бруска. Для горизонтальной поверхности вес тела равен силе нормальной реакции: $N = P = mg$. Запишите это значение.

3. Измерение силы трения. Положите брусок на первую исследуемую поверхность (например, на поверхность стола). Прикрепите к бруску динамометр и тяните его горизонтально, стараясь поддерживать постоянную небольшую скорость. Зафиксируйте показание динамометра в момент равномерного движения. Это значение равно силе трения скольжения $F_{тр}$. Для большей точности рекомендуется провести измерение 3-5 раз и найти среднее значение силы трения.

4. Повторение измерений. Повторите пункт 3 для всех остальных подготовленных поверхностей (бумага, наждачная бумага и т. д.).

5. Расчеты. Для каждой поверхности вычислите коэффициент трения скольжения по формуле $\mu = \frac{F_{тр}}{N}$.

6. Составление таблицы. Занесите все измеренные и вычисленные значения в таблицу.

Пример эксперимента и оформления результатов

Проведем гипотетический эксперимент с деревянным бруском.

Дано:

Масса бруска: $m = 200 \text{ г}$
Ускорение свободного падения: $g = 9,8 \text{ Н/кг}$
Средние значения измеренной силы трения скольжения:
- по деревянному столу: $F_{тр1} = 0,60 \text{ Н}$
- по листу бумаги: $F_{тр2} = 0,44 \text{ Н}$
- по наждачной бумаге: $F_{тр3} = 1,00 \text{ Н}$

Перевод в систему СИ:
$m = 200 \text{ г} = 0,2 \text{ кг}$

Найти:

Коэффициенты трения скольжения $\mu_1, \mu_2, \mu_3$ для каждой поверхности.

Решение:

1. Сначала вычислим силу нормальной реакции $\text{N}$, которая равна весу бруска:

$N = mg = 0,2 \text{ кг} \cdot 9,8 \text{ Н/кг} = 1,96 \text{ Н}$

2. Теперь рассчитаем коэффициенты трения для каждой из поверхностей, используя формулу $\mu = \frac{F_{тр}}{N}$.

- Деревянный стол:
$\mu_1 = \frac{F_{тр1}}{N} = \frac{0,60 \text{ Н}}{1,96 \text{ Н}} \approx 0,31$

- Лист бумаги:
$\mu_2 = \frac{F_{тр2}}{N} = \frac{0,44 \text{ Н}}{1,96 \text{ Н}} \approx 0,22$

- Наждачная бумага:
$\mu_3 = \frac{F_{тр3}}{N} = \frac{1,00 \text{ Н}}{1,96 \text{ Н}} \approx 0,51$

3. Внесем полученные данные в итоговую таблицу.

Ответ:

По результатам исследования составлена следующая таблица:

На основе полученных данных можно сделать вывод, что коэффициент трения скольжения существенно зависит от материалов и шероховатости контактирующих поверхностей.