Экспериментальное задание 10.1, страница 47 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 10.1

Работаем в группе

Измерение сил взаимодействия двух тел

Оборудование: две книги, два карандаша круглого сечения (круглые карандаши), нить, два динамометра.

Проверьте, выполняется ли третий закон механики для сил трения покоя и сил трения скольжения.

Рис. 10.3

Порядок выполнения задания

1. Обвяжите каждую книгу нитью. Положите первую книгу на два параллельно расположенных на столе карандаша, вторую книгу положите на первую книгу. Зацепите крючок одного динамометра за нить, которой обязана нижняя книга, крючок другого динамометра за нить, которой обязана верхняя книга (рис. 10.3).

2. Удерживая один динамометр, потяните другой динамометр в горизонтальной плоскости так, чтобы показания динамометра достигли максимального значения при условии отсутствия движения верхней книги по поверхности нижней книги. Так как верхняя книга неподвижна, действие на неё силы упругости $\vec{F}_{\text{упр1}}$ со стороны динамометра уравновешивается действием противоположно направленной силы трения покоя $\vec{F}_{\text{тр1}}$ со стороны нижней книги: $\vec{F}_{\text{упр1}} = -\vec{F}_{\text{тр1}}$.

Так как нижняя книга неподвижна, действие на неё силы упругости $\vec{F}_{\text{упр2}}$ со стороны второго динамометра уравновешивается действием противоположно направленной силы трения покоя $\vec{F}_{\text{тр2}}$ со стороны верхней книги: $\vec{F}_{\text{упр2}} = -\vec{F}_{\text{тр2}}$. Влияние силы трения со стороны свободно катающихся по столу карандашей пренебрежимо мало. Измеряя силы упругости $\vec{F}_{\text{упр1}}$ и $\vec{F}_{\text{упр2}}$ динамометрами, можно определить силы трения покоя $\vec{F}_{\text{тр2}}$ и $\vec{F}_{\text{тр1}}$.

По результатам измерений сделайте вывод, одинаковы ли по модулю силы трения покоя $\vec{F}_{\text{тр2}}$ и $\vec{F}_{\text{тр1}}$.

3. Удерживая один динамометр, потяните другой динамометр в горизонтальной плоскости так, чтобы верхняя книга равномерно двигалась по поверхности нижней книги. При равномерном движении книги действие на неё силы упругости $\vec{F}_{\text{упр1}}$ со стороны динамометра уравновешивается действием противоположно направленной силы трения скольжения $\vec{F}_{\text{тр1}}$ со стороны нижней книги: $\vec{F}_{\text{упр1}} = -\vec{F}_{\text{тр1}}$. Измерьте силы упругости $\vec{F}_{\text{упр1}}$ и $\vec{F}_{\text{упр2}}$ во время движения и сделайте вывод, одинаковы ли по модулю силы трения скольжения $\vec{F}_{\text{тр2}}$ и $\vec{F}_{\text{тр1}}$.

По результатам измерений сделайте вывод, одинаковы ли по модулю силы трения покоя $\vec{F}_{тр2}$ и $\vec{F}_{тр1}$.

Данный эксперимент предназначен для проверки третьего закона Ньютона применительно к силам трения. В первом случае (пункт 2) мы рассматриваем силы трения покоя, возникающие между двумя книгами.

На верхнюю книгу в горизонтальной плоскости действуют две силы: сила упругости со стороны первого динамометра $\vec{F}_{упр1}$ и сила трения покоя $\vec{F}_{тр1}$ со стороны нижней книги. В момент, когда верхняя книга находится на грани скольжения, она все еще находится в равновесии. Согласно первому закону Ньютона, векторная сумма сил, действующих на нее, равна нулю: $$ \vec{F}_{упр1} + \vec{F}_{тр1} = 0 \quad \text{или} \quad \vec{F}_{упр1} = -\vec{F}_{тр1} $$ Это означает, что сила, которую показывает первый динамометр, равна по модулю и противоположна по направлению силе трения покоя, действующей на верхнюю книгу. Таким образом, показание первого динамометра $F_{упр1}$ равно модулю максимальной силы трения покоя $F_{тр1}$.

В то же время, согласно третьему закону Ньютона, верхняя книга действует на нижнюю с силой трения покоя $\vec{F}_{тр2}$, которая равна по модулю и противоположна по направлению силе $\vec{F}_{тр1}$: $$ \vec{F}_{тр2} = -\vec{F}_{тр1} $$ Эта сила $\vec{F}_{тр2}$ уравновешивается силой упругости второго динамометра $\vec{F}_{упр2}$, который удерживает нижнюю книгу в состоянии покоя. Так как нижняя книга также находится в равновесии, по первому закону Ньютона: $$ \vec{F}_{упр2} + \vec{F}_{тр2} = 0 \quad \text{или} \quad \vec{F}_{упр2} = -\vec{F}_{тр2} $$ Следовательно, показание второго динамометра $F_{упр2}$ равно модулю силы трения $F_{тр2}$.

Из приведенных соотношений следует, что если третий закон Ньютона выполняется ($F_{тр1} = F_{тр2}$), то и показания динамометров должны быть равны: $F_{упр1} = F_{упр2}$. Проведение эксперимента покажет, что показания динамометров действительно равны (в пределах погрешности измерений).

Ответ: По результатам измерений силы трения покоя $\vec{F}_{тр2}$ и $\vec{F}_{тр1}$ одинаковы по модулю и противоположны по направлению, что подтверждает выполнение третьего закона Ньютона для сил трения покоя.

Измерьте силы упругости $\vec{F}_{упр1}$ и $\vec{F}_{упр2}$ во время движения и сделайте вывод, одинаковы ли по модулю силы трения скольжения $\vec{F}_{тр2}$ и $\vec{F}_{тр1}$.

Во втором случае (пункт 3) мы рассматриваем силы трения скольжения. Верхняя книга движется с постоянной скоростью относительно неподвижной нижней книги.

Поскольку верхняя книга движется равномерно и прямолинейно, ее ускорение равно нулю. Согласно первому закону Ньютона, равнодействующая всех сил, приложенных к ней, равна нулю. В горизонтальном направлении на верхнюю книгу действуют сила упругости динамометра $\vec{F}_{упр1}$ и сила трения скольжения $\vec{F}_{тр1}$ со стороны нижней книги. Их векторная сумма равна нулю: $$ \vec{F}_{упр1} + \vec{F}_{тр1} = 0 \quad \text{или} \quad \vec{F}_{упр1} = -\vec{F}_{тр1} $$ Это значит, что показание первого динамометра $F_{упр1}$ равно модулю силы трения скольжения $F_{тр1}$.

Согласно третьему закону Ньютона, на нижнюю книгу со стороны движущейся верхней книги действует сила трения скольжения $\vec{F}_{тр2}$. Эта сила равна по модулю и противоположна по направлению силе $\vec{F}_{тр1}$: $$ \vec{F}_{тр2} = -\vec{F}_{тр1} $$ Нижняя книга остается неподвижной, так как сила $\vec{F}_{тр2}$ уравновешивается силой упругости второго динамометра $\vec{F}_{упр2}$. Для нижней книги, находящейся в состоянии покоя, выполняется первый закон Ньютона: $$ \vec{F}_{упр2} + \vec{F}_{тр2} = 0 \quad \text{или} \quad \vec{F}_{упр2} = -\vec{F}_{тр2} $$ Следовательно, показание второго динамометра $F_{упр2}$ равно модулю силы трения $F_{тр2}$.

Таким образом, из теоретических рассуждений, основанных на законах Ньютона, следует, что показания динамометров во время равномерного движения должны быть равны: $F_{упр1} = F_{тр1} = F_{тр2} = F_{упр2}$. Эксперимент подтверждает, что показания обоих динамометров во время равномерного скольжения одинаковы (с учетом погрешности).

Ответ: По результатам измерений силы трения скольжения $\vec{F}_{тр2}$ и $\vec{F}_{тр1}$ одинаковы по модулю и противоположны по направлению, что подтверждает выполнение третьего закона Ньютона для сил трения скольжения.