Порядок выполнения работы
Машина Атвуда (рис. 3) состоит из легкого блока Б, через который переброшена нить с двумя равными грузами на концах (масса обоих грузов одинакова и равна m). Грузы могут двигаться вдоль вертикальной рейки со шкалой Ш. Если на правый груз положить небольшой перегрузок, грузы начнут двигаться с некоторым ускорением. Кольцевая полочка П1, которая может закрепляться в любом положении, предназначена для свободного прохода груза и для снятия перегрузка. Для приема падающего груза служит полочка П2.
Время движения грузов может измеряться с помощью ручного или стационарного секундомера.
М
ашина
Атвуда может быть электрифицирована,
т. е. снабжена электромагнитной
муфтой-пускателем и автоматическим
секундомером.
Трение в машине Атвуда сведено к минимуму, но для возможно полной компенсации сил трения масса правого груза делается немного больше массы левого (с помощью дроби или пластилина). Операция балансировки, выполняется с таким расчетом, чтобы грузы не перевешивали друг друга, но от легкого толчка вниз правого груза вся система приходила в равномерное движение. (При расчетах можно считать массы грузов одинаковыми).
Для выполнения работы машина Атвуда должна быть установлена строго вертикально, что легко проверить по параллельности шкалы и нити. Кроме того, в тех опытах, где используется кольцевая полочка, положение ее должно быть отрегулировано так, чтобы грузы проходили через кольцо, не касаясь его, а перегрузок легко снимался и оставался на полочке.
В
торой
закон Ньютона для каждого из тел системы
в предположении невесомости блока и
отсутствия трения дает
(12)
где Т1,2 – силы натяжения нити, m – масса каждого груза, m – масса перегрузка, а – ускорение системы.
В проекциях на вертикальную ось ОY получаем соотношения
(13)
Отсюда, так как Т1 = Т2, ускорение движения системы равно
(14)
Из этого выражения видно, во-первых, что ускорение не зависит от времени, что доказывает равноускоренный характер движения грузов. Во-вторых, видно, что изменять ускорение можно, меняя массу перегрузка m.
В случае равноускоренного движения скорость грузов v и их перемещение S за время t определяются уравнениями
(15)
Так как начальная скорость в опытах на машине Атвуда обычно равна нулю и движение условно начинается из начала координат, то
(16)
Будем называть первое из этих соотношений законом скоростей, а второе законом перемещений.
Соотношения (16) могут быть проверены экспериментально.
Задание 1. Проверка закона скоростей
1
.
Проверьте вертикальность установки
машины Атвуда. Сбалансируйте грузы.
2. Укрепите на шкале кольцевую полочку П1. Отрегулируйте ее положение.
3. Положите на правый груз перегрузок в 5г.
4. Двигаясь равноускоренно из верхнего положения до кольцевой полочки, правый груз проходит путь S1 за время t1 и приобретает к концу этого движения скорость v (рис. 5). На кольцевой полочке груз сбрасывает перегрузок и дальше движется равномерно со скоростью, которую он приобрел в конце разгона. Для определения ее следует измерить время t2 движения груза на пути S2. Таким образом, каждый опыт состоит из двух измерений: сначала измеряется время равноускоренного движения t1, а затем груз повторно запускается для измерения времени равномерного движения t2.
5. Проведите 5-6 опытов при различных значениях пути S1. Путь S2 выбирается произвольно. Полученные данные занесите в таблицу 1.
Таблицу 1
№ п.п. |
S1, м |
t1, с |
S2, м |
t2, с |
v, м/с |
Обработка результатов.
1. По полученным данным постройте график зависимости v = f(t). Точку (t1=0, v=0) на графике не откладывайте.
2. Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом и прямая проходит через начало координат, то можно сделать вывод о выполнении закона скоростей.
3. Для определения
с помощью полученного графика ускорения
движения сначала необходимо получить
точное уравнение экспериментальной
прямой. Для этого применяют метод
наименьших квадратов (МНК) (см. Приложение
2.1). Угловой коэффициент прямой, т.е.
значение коэффициента
в полученном уравнении, равен ускорению
а.
4. По формулам МНК (метод наименьших квадратов) определите погрешность измерения а.