Номер 5, страница 226 - гдз по физике 9 класс учебник Шахмаев, Бунчук

Приложения. Приложение 3. Лабораторные работы - номер 5, страница 226.

Условие.

5. Определение работы сил тяжести, упругости и трения

Оборудование: штатив с лапкой; брусок; измерительная линейка; динамометр; грузы.

Порядок выполнения работы

1. Сформулируйте цель работы.

2. Установите линейку наклонно, положив ее на лапку штатива (рис. 191).

3. Положите брусок на линейку и подберите такой угол наклона, чтобы брусок оставался неподвижным и не соскальзывал с линейки.

Рис. 191

4. С помощью динамометра втяните брусок с одним грузом вверх по линейке. Динамометр перемещайте равномерно, параллельно линейке.

5. Вычислите:

а) работу силы тяжести, действующей на брусок с грузом;

б) работу силы трения скольжения;

в) работу силы упругости динамометра.

Необходимые для расчетов величины установите самостоятельно и произведите их измерения.

6. Повторите опыты и расчеты, нагружая брусок двумя (или тремя) грузами.

Решение.

1. Сформулируйте цель работы.

Цель работы: экспериментально определить работу, совершаемую силой тяжести, силой трения скольжения и силой упругости (силой тяги) при равномерном перемещении бруска с грузом вверх по наклонной плоскости.

5. Вычислите:

Для проведения расчетов необходимо провести измерения. Поскольку реальный эксперимент не проводился, примем следующие гипотетические, но реалистичные, данные измерений для бруска с одним грузом.

Дано

Масса бруска с одним грузом: $m = 300$ г
Длина наклонной плоскости (путь, пройденный бруском): $s = 30$ см
Высота, на которую поднят брусок: $h = 10$ см
Показания динамометра при равномерном движении: $F_{упр} = 1.8$ Н
Ускорение свободного падения: $g \approx 9.8$ Н/кг

Перевод в систему СИ:
$m = 300$ г $= 0.3$ кг
$s = 30$ см $= 0.3$ м
$h = 10$ см $= 0.1$ м

Найти:

$А_{тяж}$ - работу силы тяжести
$А_{тр}$ - работу силы трения
$А_{упр}$ - работу силы упругости

Решение

а) работу силы тяжести, действующей на брусок с грузом;

Работа силы тяжести определяется изменением потенциальной энергии тела и вычисляется по формуле $A_{тяж} = -mgh$. Знак "минус" указывает на то, что сила тяжести направлена вертикально вниз, а тело перемещается вверх, то есть угол между вектором силы тяжести и вектором перемещения по вертикали равен $180^\circ$.

$A_{тяж} = -0.3 \, кг \cdot 9.8 \, Н/кг \cdot 0.1 \, м = -0.294 \, Дж$

Ответ: работа силы тяжести равна $-0.294$ Дж.

б) работу силы трения скольжения;

Для нахождения работы силы трения необходимо сначала найти саму силу трения. Поскольку брусок движется равномерно, то согласно первому закону Ньютона, сила тяги $F_{упр}$ уравновешивает сумму проекции силы тяжести на наклонную плоскость $F_{тяж.пр}$ и силы трения скольжения $F_{тр}$.

$F_{упр} = F_{тяж.пр} + F_{тр}$

Проекция силы тяжести на наклонную плоскость находится через синус угла наклона: $F_{тяж.пр} = mg \cdot \sin(\alpha)$. Синус угла можно найти как отношение высоты наклонной плоскости к ее длине: $\sin(\alpha) = \frac{h}{s}$.

$\sin(\alpha) = \frac{0.1 \, м}{0.3 \, м} = \frac{1}{3}$

$F_{тяж.пр} = 0.3 \, кг \cdot 9.8 \, Н/кг \cdot \frac{1}{3} = 0.98 \, Н$

Теперь можем найти силу трения:

$F_{тр} = F_{упр} - F_{тяж.пр} = 1.8 \, Н - 0.98 \, Н = 0.82 \, Н$

Работа силы трения всегда отрицательна, так как сила трения направлена против движения. Она вычисляется по формуле $A_{тр} = -F_{тр} \cdot s$.

$A_{тр} = -0.82 \, Н \cdot 0.3 \, м = -0.246 \, Дж$

Ответ: работа силы трения скольжения равна $-0.246$ Дж.

в) работу силы упругости динамометра.

Сила упругости (сила тяги) динамометра $F_{упр}$ направлена вдоль перемещения бруска. Поэтому ее работа положительна и вычисляется по формуле $A_{упр} = F_{упр} \cdot s$.

$A_{упр} = 1.8 \, Н \cdot 0.3 \, м = 0.54 \, Дж$

Ответ: работа силы упругости динамометра равна $0.54$ Дж.

6. Повторите опыты и расчеты, нагружая брусок двумя (или тремя) грузами.

При добавлении дополнительных грузов общая масса системы $\text{m}$ увеличится. Это приведет к увеличению силы тяжести $mg$ и, как следствие, ее проекции на наклонную плоскость $F_{тяж.пр}$. Также увеличится сила нормальной реакции, что приведет к увеличению силы трения $F_{тр}$. В результате для равномерного подъема бруска потребуется приложить большую силу тяги $F_{упр}$, что будет видно по показаниям динамометра. Соответственно, возрастут и абсолютные значения всех вычисленных работ ($А_{тяж}$, $А_{тр}$ и $А_{упр}$).