Лабораторная работа №5, страница 253 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Лабораторная работа № 5.

Исследования силы трения скольжения

Цель работы: исследовать зависимость силы трения скольжения от силы реакции опоры, от площади соприкосновения; определить коэффициент трения поверхностей.

Приборы и материалы: динамометр, деревянный брусок с грузами по 100 г, трибометр.

Задание 1. Исследование зависимости силы трения от силы реакции опоры.

Указания к работе:

1. Определите цену деления шкалы динамометра.

2. Определите вес бруска, подвесив его к динамометру, результат внесите в таблицу.

3. Положите брусок на трибометр, расположенный горизонтально. Прикрепите к бруску динамометр, равномерно тяните его вдоль доски. Определите силу трения скольжения по показанию динамометра; значение внесите в таблицу.

4. На брусок поставьте груз массой 100 г, повторите опыт (рис. 9).

Рис. 9

5. Добавьте второй, третий грузы, каждый раз повторяя опыт и измеряя силу трения $F_{mp1}$. Результаты измерений внесите в таблицу.

6. Рассчитайте общий вес бруска с грузом для каждого опыта, результат внесите в таблицу.

No опыта, Вес бруска, $\text{P}$, H, Масса груза, $\text{m}$, кг, Общий вес бруска с грузом (сила реакции опоры) $P_1 = N = P + mg$, H, Сила трения, $F_{mp1}$ H, Сила трения, $F_{mp2}$ H, Коэффициент трения, $\mu$

1, , , , , ,

2, , , , , ,

3, , , , , ,

4, , , , , ,

7. По результатам измерений постройте график зависимости силы трения от силы реакции опоры (рис. 10).

$F_{mp}$

$\text{N}$

Рис. 10

8. Сделайте вывод: зависит ли сила трения скольжения от силы реакции опоры, и если зависит, то как?

Задание 2. Исследование зависимости силы трения от площади соприкосновения.

Указания к работе:

1. Положите брусок на доску боковой поверхностью. Определите с помощью динамометра силу трения $F_{mp2}$ при равномерном движении бруска. Значение силы внесите в таблицу.

2. Повторите опыт, добавив грузы: один, затем второй и третий.

3. Сравните значения сил $F_{mp1}$ и $F_{mp2}$ для каждого опыта, сделайте вывод.

Задание 3. Определение коэффициента трения.

Указания к работе:

1. В каждом опыте рассчитайте коэффициент трения по формуле:

$\mu = \frac{F_{mp}}{N}$.

Примите $g = 10 \text{ Н/кг}$. Результаты расчетов внесите в таблицу.

2. Сравните полученный результат с табличным значением коэффициента трения доски по доске 0,25.

3. Исходя из цели работы, запишите вывод.

Задание 1. Исследование зависимости силы трения от силы реакции опоры.

Указания к работе:

1. Определите цену деления шкалы динамометра.

Для определения цены деления шкалы динамометра нужно выбрать два соседних оцифрованных штриха, найти разность их значений и разделить на количество делений между ними. Например, если между отметками 1 Н и 2 Н находится 10 делений, то цена деления (ЦД) будет: $ЦД = (2 Н - 1 Н) / 10 = 0,1$ Н.

2. Определите вес бруска, подвесив его к динамометру, результат внесите в таблицу.

Подвесим деревянный брусок к динамометру. Динамометр покажет вес бруска $\text{P}$. Примем, что измеренный вес бруска равен $P = 0,5$ Н.

3-6. Проведение измерений и заполнение таблицы.

Проведем серию из четырех опытов, последовательно увеличивая нагрузку на брусок, и занесем результаты в таблицу. В каждом опыте брусок с грузами равномерно тянут по горизонтальной поверхности трибометра с помощью динамометра. Показания динамометра равны силе трения скольжения $F_{тр}$. Сила нормальной реакции опоры $\text{N}$ равна общему весу бруска с грузами $P_1 = P + mg$, где $\text{P}$ — вес бруска, $\text{m}$ — масса грузов, $g = 10$ Н/кг.

Результаты измерений (заполнение таблицы):

Опыт 1:

Вес бруска $P = 0,5$ Н. Масса груза $m = 0$ кг. Общий вес (сила реакции опоры) $N = P + mg = 0,5 + 0 \cdot 10 = 0,5$ Н. Измеренная сила трения на большей грани $F_{тр1} = 0,13$ Н. Сила трения на меньшей (боковой) грани $F_{тр2} = 0,12$ Н.

Опыт 2:

Вес бруска $P = 0,5$ Н. Масса груза $m = 100$ г = $0,1$ кг. Общий вес (сила реакции опоры) $N = P + mg = 0,5 + 0,1 \cdot 10 = 1,5$ Н. Измеренная сила трения на большей грани $F_{тр1} = 0,38$ Н. Сила трения на меньшей (боковой) грани $F_{тр2} = 0,39$ Н.

Опыт 3:

Вес бруска $P = 0,5$ Н. Масса груза $m = 200$ г = $0,2$ кг. Общий вес (сила реакции опоры) $N = P + mg = 0,5 + 0,2 \cdot 10 = 2,5$ Н. Измеренная сила трения на большей грани $F_{тр1} = 0,63$ Н. Сила трения на меньшей (боковой) грани $F_{тр2} = 0,62$ Н.

Опыт 4:

Вес бруска $P = 0,5$ Н. Масса груза $m = 300$ г = $0,3$ кг. Общий вес (сила реакции опоры) $N = P + mg = 0,5 + 0,3 \cdot 10 = 3,5$ Н. Измеренная сила трения на большей грани $F_{тр1} = 0,88$ Н. Сила трения на меньшей (боковой) грани $F_{тр2} = 0,89$ Н.

7. По результатам измерений постройте график зависимости силы трения от силы реакции опоры.

На оси абсцисс (горизонтальной) отложим значения силы реакции опоры $\text{N}$ (в Н), а на оси ординат (вертикальной) — значения силы трения $F_{тр1}$ (в Н). Нанесем на график точки с координатами, соответствующими результатам опытов: $(0,5; 0,13)$, $(1,5; 0,38)$, $(2,5; 0,63)$, $(3,5; 0,88)$. Соединив эти точки, мы получим график, близкий к прямой линии, проходящей через начало координат. Это свидетельствует о прямой пропорциональной зависимости между силой трения и силой реакции опоры.

8. Сделайте вывод: зависит ли сила трения скольжения от силы реакции опоры, и если зависит, то как?

Из анализа таблицы и графика видно, что при увеличении силы реакции опоры (общего веса) сила трения скольжения также увеличивается. Поскольку отношение $F_{тр}/N$ остается примерно постоянным, можно сделать вывод, что сила трения прямо пропорциональна силе реакции опоры.

Ответ: Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры. Во сколько раз увеличивается сила реакции опоры, во столько же раз увеличивается и сила трения.

Задание 2. Исследование зависимости силы трения от площади соприкосновения.

Указания к работе:

1-2. Измерение силы трения при изменении площади.

В каждом из четырех опытов, помимо измерения силы трения $F_{тр1}$ при движении бруска на его самой большой грани, мы также измеряли силу трения $F_{тр2}$, положив брусок на боковую (меньшую по площади) грань. Результаты этих измерений ($F_{тр2}$) также внесены в описание опытов выше.

3. Сравните значения сил $F_{тр1}$ и $F_{тр2}$ для каждого опыта, сделайте вывод.

Сравним полученные значения сил трения для каждого опыта:

• Опыт 1: $F_{тр1} = 0,13$ Н и $F_{тр2} = 0,12$ Н.
• Опыт 2: $F_{тр1} = 0,38$ Н и $F_{тр2} = 0,39$ Н.
• Опыт 3: $F_{тр1} = 0,63$ Н и $F_{тр2} = 0,62$ Н.
• Опыт 4: $F_{тр1} = 0,88$ Н и $F_{тр2} = 0,89$ Н.

Во всех случаях значения $F_{тр1}$ и $F_{тр2}$ очень близки друг к другу. Небольшие расхождения можно объяснить погрешностью измерений. Таким образом, можно заключить, что сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Ответ: Сила трения скольжения практически не зависит от площади соприкасающихся поверхностей (при неизменной силе нормальной реакции опоры).

Задание 3. Определение коэффициента трения.

Дано:

Результаты измерений из Задания 1 (используем данные для $F_{тр1}$):
$N_1 = 0,5$ Н, $F_{тр1} = 0,13$ Н
$N_2 = 1,5$ Н, $F_{тр2} = 0,38$ Н
$N_3 = 2,5$ Н, $F_{тр3} = 0,63$ Н
$N_4 = 3,5$ Н, $F_{тр4} = 0,88$ Н
Ускорение свободного падения $g = 10$ Н/кг
Табличное значение коэффициента трения (дерево по дереву) $\mu_{табл} = 0,25$

Найти:

Коэффициент трения скольжения $\mu$

Решение:

1. В каждом опыте рассчитайте коэффициент трения по формуле $\mu = \frac{F_{тр}}{N}$.

Рассчитаем коэффициент трения для каждого из четырех опытов:

• $\mu_1 = \frac{F_{тр1}}{N_1} = \frac{0,13 \text{ Н}}{0,5 \text{ Н}} = 0,26$
• $\mu_2 = \frac{F_{тр2}}{N_2} = \frac{0,38 \text{ Н}}{1,5 \text{ Н}} \approx 0,253$
• $\mu_3 = \frac{F_{тр3}}{N_3} = \frac{0,63 \text{ Н}}{2,5 \text{ Н}} = 0,252$
• $\mu_4 = \frac{F_{тр4}}{N_4} = \frac{0,88 \text{ Н}}{3,5 \text{ Н}} \approx 0,251$

Найдем среднее значение коэффициента трения:

$\mu_{ср} = \frac{\mu_1 + \mu_2 + \mu_3 + \mu_4}{4} = \frac{0,26 + 0,253 + 0,252 + 0,251}{4} = \frac{1,016}{4} \approx 0,254$

2. Сравните полученный результат с табличным значением коэффициента трения доски по доске 0,25.

Полученное в ходе эксперимента среднее значение коэффициента трения $\mu_{ср} \approx 0,254$ очень близко к табличному значению $\mu_{табл} = 0,25$. Расхождение составляет всего около 1.6%, что находится в пределах допустимой экспериментальной погрешности.

3. Исходя из цели работы, запишите вывод.

В ходе лабораторной работы были выполнены все поставленные цели. Было экспериментально установлено, что:

1. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры.
2. Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.
3. Был определен коэффициент трения скольжения дерева по дереву. Полученное значение $\mu \approx 0,254$ хорошо согласуется с табличным значением.

Ответ: Среднее значение коэффициента трения скольжения, определенное в ходе эксперимента, составляет $\mu_{ср} \approx 0,254$.