Левая сторона, страница 22 - гдз по физике 9 класс самостоятельные работы Генденштейн, Орлов

Самостоятельная работа 3. Силы в механике. Вариант 5 - страница 22.

Условие.

Левая сторона

Оборудование: динамометр; коробка$^1$ с петлёй или крючком; линейка.

1. Измерьте коэффициент трения между коробкой и столом.

Результаты: __________.

2*. Проверьте предположение о том, что при одной и той же силе нормальной реакции сила трения пропорциональна площади соприкосновения тел.

Результаты: __________.

Решение.

1. Измерьте коэффициент трения между коробкой и столом.

Решение:

Для того чтобы измерить коэффициент трения скольжения между коробкой и столом, необходимо экспериментально определить силу трения скольжения $F_{тр}$ и силу нормальной реакции $N$.

1. С помощью динамометра измерим вес коробки $P$. Для этого подвесим коробку к крючку динамометра. Вес коробки равен силе тяжести, действующей на нее: $P = mg$. Когда коробка лежит на горизонтальном столе, сила нормальной реакции $N$, действующая на коробку со стороны стола, по модулю равна ее весу. Таким образом, $N = P$.

2. Положим коробку на горизонтальную поверхность стола. Прикрепим динамометр к петле или крючку на коробке. Будем тянуть динамометр горизонтально, параллельно поверхности стола, так, чтобы коробка двигалась равномерно (с постоянной скоростью). При равномерном движении сила тяги $F_{тяги}$, которую показывает динамометр, будет равна по модулю силе трения скольжения $F_{тр}$. Запишем показание динамометра: $F_{тяги} = F_{тр}$.

3. Коэффициент трения скольжения $\mu$ определяется по формуле:

$F_{тр} = \mu N$

Отсюда можно выразить коэффициент трения:

$\mu = \frac{F_{тр}}{N}$

Подставив в эту формулу измеренные значения $F_{тр} = F_{тяги}$ и $N = P$, получим расчетную формулу:

$\mu = \frac{F_{тяги}}{P}$

Ответ: Коэффициент трения вычисляется как отношение показания динамометра при равномерном горизонтальном движении коробки к весу коробки, измеренному тем же динамометром: $\mu = \frac{F_{тяги}}{P}$.

2*. Проверьте предположение о том, что при одной и той же силе нормальной реакции сила трения пропорциональна площади соприкосновения тел.

Решение:

Для проверки данного предположения необходимо провести эксперимент, в котором изменяется площадь соприкосновения тел, но сила нормальной реакции остается постоянной.

1. Используем ту же коробку, что и в первом задании. Поскольку масса коробки не меняется, ее вес $P$ и, следовательно, сила нормальной реакции $N = P$ будут постоянными во всех частях эксперимента.

2. С помощью линейки измерим длину и ширину двух разных граней коробки (например, основания и боковой грани). Вычислим их площади $S_1$ и $S_2$. Убедимся, что $S_1 \neq S_2$.

3. Проведем первое измерение. Положим коробку на стол большей гранью (площадью $S_1$). С помощью динамометра измерим силу трения скольжения $F_{тр1}$, перемещая коробку равномерно по поверхности стола.

4. Проведем второе измерение. Поставим коробку на стол меньшей гранью (площадью $S_2$). Снова измерим силу трения скольжения $F_{тр2}$, перемещая коробку равномерно по поверхности.

5. Сравним полученные результаты. Если бы предположение было верным (сила трения пропорциональна площади соприкосновения, $F_{тр} \sim S$), то так как $S_1 \neq S_2$, мы бы получили, что и силы трения $F_{тр1}$ и $F_{тр2}$ различны.

Однако, согласно закону Амонтона-Кулона, сила трения скольжения зависит от силы нормальной реакции и коэффициента трения, но не зависит от площади соприкосновения: $F_{тр} = \mu N$. В нашем эксперименте величины $\mu$ (материалы поверхностей те же) и $N$ (вес коробки тот же) остаются постоянными. Следовательно, сила трения также должна оставаться постоянной.

В результате эксперимента мы обнаружим, что измеренные значения силы трения $F_{тр1}$ и $F_{тр2}$ примерно равны друг другу (любые различия будут находиться в пределах погрешности измерений). Это опровергает исходное предположение.

Ответ: Результаты эксперимента покажут, что сила трения скольжения ($F_{тр1} \approx F_{тр2}$) не зависит от площади соприкосновения коробки со столом при неизменной силе нормальной реакции. Следовательно, предположение о том, что сила трения пропорциональна площади соприкосновения тел, является неверным.