Лабораторная работа № 14 Изучение процесса соскальзывания бруска с наклонной плоскости
Качественное описание процесса соскальзывания
бруска с наклонной плоскости
Если наклонная плоскость расположена достаточно круто, а сила трения скольжения бруска по ее поверхности относительно невелика, то брусок, положенный на такую плоскость, будет соскальзывать с нее и двигаться с некоторым положительным ускорением. Дойдя до основания плоскости, брусок наберет некоторую скорость и, перейдя на горизонтальный участок пути, будет двигаться до остановки с отрицательным ускорением.
На вершине горки брусок обладает запасом потенциальной энергии относительно ее основания. При движении бруска по наклонной плоскости часть его потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию, часть расходуется на совершение работы по преодолению силы трения.
При движении бруска по горизонтальной поверхности, оставшаяся кинетическая энергия бруска к моменту остановки полностью переходит во внутреннюю энергию, также за счет работы по преодолению силы трения на этом участке.
Запас потенциальной энергии бруска зависит от силы тяжести, действующей на него. Но и работа против силы трения, также и в той же мере, зависит от силы тяжести, действующей на брусок. Это позволяет предположить, что перемещение бруска по горизонтальной поверхности не должно зависеть от его массы.
В то же время, перемещение бруска по горизонтальной поверхности при постоянном угле наклона плоскости должно быть связано с коэффициентом трения скольжения: чем он меньше, тем больше перемещение. При этом, по известному перемещению можно найти значение коэффициента трения скольжения бруска по поверхности.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА
СОСКАЛЬЗЫВАНИЯ БРУСКА С НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ
Описание процесса на силовом языке:
Наклонная
плоскость:
:
:
Горизонтальный
участок :
:
:
Из кинематики:
Описание процесса на энергетическом языке:
Если
,
то
(1)
Из уравнения (1)
следует, что
,
следовательно, бруски разной массы,
соскальзывая с одной и той же наклонной
плоскости, должны по горизонтальной
поверхности совершать равные перемещения.
Уравнение 2 позволяет, измерив длину и высоту наклонной плоскости, а также перемещение соскользнувшего бруска по горизонтальной поверхности, найти значение коэффициента трения скольжения.
Если коэффициент
трения скольжения зависит от площади
поверхности бруска, то перемещение по
горизонтальной поверхности, при изменении
этой площади, будет различным. Если не
зависит, то одинаковым. Это следует из
выражения:
.
Цель работы
1. Исследовать зависимость перемещения бруска, соскальзывающего с наклонной плоскости, от его массы.
2. Исследовать зависимость перемещения бруска, соскальзывающего с наклонной плоскости, от площади его поверхности.
3. Определить значение коэффициента трения скольжения материала бруска по материалу дорожки.
Особенности экспериментальной установки и проведения эксперимента
1. Если брусок положить на плоскость и эту плоскость медленно наклонять, то при некотором угле брусок после легкого подталкивания начнет равномерно соскальзывать с плоскости, доходя до ее основания.
Для проведения работы следует установить наклонную плоскость под углом, значительно превышающим названный угол, но так, чтобы переход на горизонтальный участок не был слишком резким.
2. Точность измерений зависит от значений высоты h, длины наклонной плоскости L, коэффициента трения k. Чем больше будут h и L и чем меньше k, тем большее перемещение совершит брусок по горизонтальной поверхности и тем точнее будет полученный результат.
3. В данной работе, при повторении экспериментов, в силу разных причин, результаты будут несколько отличаться друг от друга, поэтому все опыты надо проводить несколько раз не меняя начальных установок, а среднее значение величин и погрешности измерений вычислять методом среднего арифметического.
Задания
1. Установите наклонную плоскость согласно соображениям, приведенным выше.
2. Дав возможность нагруженному бруску соскользнуть с наклонной плоскости, измерьте его перемещение по горизонтальной поверхности.
3. Нагрузите брусок с помощью грузов и повторите опыт. Сделайте вывод относительно зависимости перемещения бруска по горизонтальной поверхности и коэффициента трения скольжения от его массы.
4. Повторите опыт с ненагруженным бруском, устанавливая его на поверхность плоскости разными гранями. Сделайте вывод относительно зависимости перемещения бруска по горизонтальной поверхности и коэффициента трения скольжения от площади поверхности бруска.
5. По известным значениям перемещения бруска по горизонтальной поверхности, высоты и длины наклонной плоскости, для различных серий опытов найдите значение коэффициента трения скольжения. Сделайте выводы.
Все результаты занесите в таблицу:
№ |
Sбр.,м2 |
mбр., кг |
h,м |
L,м |
x,м |
k |
kср. |
k |
kср |
kср/kср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Где : № - Номер проводимого эксперимента; Sбр., - площадь поверхности бруска, соприкасающаяся с поверхностью, по которой происходит скольжение; mбр.- масса бруска; h- высота наклонной плоскости; L- длина наклонной плоскости; x - перемещение бруска по горизонтальной поверхности; k - коэффициент трения скольжения бруска по поверхности; kср.- среднее значение коэффициента трения скольжения, полученное в данной серии экспериментов; k - абсолютная ошибка при определении коэффициента трения скольжения; kср - среднее значение абсолютной ошибки при определении коэффициента трения скольжения; kср/kср - относительная ошибка при определении коэффициента трения скольжения.
6. Придумайте способы проверки правильности полученного значения коэффициента трения скольжения. Кратко изложите идею соответствующих опытов и проведите их.