Машина Атвуда. Методика эксперимента

Машина Атвуда предназначена для исследования закона движения тела в поле земного тяготения. Естественнее всего, конечно, изучить этот закон, исследуя свободное падение тел. Этому мешает, однако, большая величина ускорения свободного падения. Такой опыт возможен только при очень большой высоте прибора (большей, чем высота комнаты) или при помощи специальных методов, позволяющих точно измерить небольшие промежутки времени (доли секунды). Так, например, время свободного падения тела с высоты Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru , составляет порядка Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru .

Машина Атвуда позволяет избежать этих трудностей и замедлить движение до удобных скоростей. Схема машины Атвуда, являющейся составной частью комплексной лабораторной установки, показана на рис.1. Через легкий блок, свободно вращающийся вокруг оси, перекинута нить, на которой закреплены грузы массой Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru каждый. На один из грузов кладется перегрузок массой Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru , в результате чего система грузов выходит из равновесия и начинает двигаться ускоренно. Найдем ускорение движения грузов, пренебрегая действием сил трения и предполагая, что блок и нить невесомы.

Согласно второму закону Ньютона имеем:

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru (1)

где Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru - ускорение движения грузов, Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru - сила натяжения нити.

Из уравнений (1) получаем:

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru . (2)

Таким образом, движение грузов при наших предположениях равноускоренно. Из формулы (2) видно, что если массы грузка Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru много меньше массы грузов Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru , то ускорение движения будет существенно меньше ускорения свободного падения Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru (при Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru ).

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru

Рис.1

Ускорение Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru движения грузов можно определить экспериментально. Для этого следует измерить времяМашина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru , за которое груз Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru поднимется на высоту Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru , после чего рассчитать ускорение по формуле

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru . (3)

Указанные изменения времени Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru можно провести для различных значений высоты Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru (масса перегрузка Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru при этом не меняется). Результаты измерений удобно представить, графически в виде зависимости

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru где Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru . (4)

Если экспериментальные точки в пределах точности измерений ложатся на прямую (рис.2), то это может являться экспериментальным подтверждением равноускоренного характера движения. (Теоретическая зависимость Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru согласно (3) и (4) имеет вид:Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru).

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru

Рис. 2.

Убедившись в равноускоренности движения, можно воспользоваться формулой (2) и определить ускорение свободного падения для перегрузков, разной массы Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru . Таким образом, можно, установитьна опыте равноускоренный характер движения грузов, определить ускорение Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru и рассчитать ускорение свободного падения Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru по формуле:

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru . (5)

Обратим внимание на то, что при выводе формулы (2) мы пренебрегли трением в системе, а также массами блока и нити. Последнее пренебрежение правомочно, если масса блока и нити много меньше массы грузов. Это условие можно выполнить, если повесить тяжелые грузы. Однако в этом случае увеличивается давление на ось блока и, следовательно, возрастает сила трения в оси.

Силу трения можно оценить, определяя наибольшую величину перегрузка Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru , еще не вызывающего движения системы. Этот способ не может быть применен для точного измерения силы трения скольжения, поскольку мешающая опыту силатрения скольжения отнюдь не равна силе трения покоя.

Ясно, что пренебрежение силой трения возможно, если масса перегрузка Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru , вызывающего движение системы, во много раз больше массы "страгивающего" перегрузка Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru . Величину перегрузка следует максимально увеличить, однако, Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru не может быть выбрана очень большой, так как движение при этом становится слишком быстрым и точность измерения времени оказывается невысокой. В соответствии с вышеупомянутым значение массы перегрузка должно удовлетворять неравенствам

Машина Атвуда. Методика эксперимента - student2.ru(6)

Наши рекомендации