Методика проведения измерений и описание установки

Эксперимент состоит в определении ускорения свободного падения тел различной массы.

Общий вид установки Атвуда показан на рисунке 2.2.

На вертикальной колонне 1, установленной на основании 2, закреплены три кронштейна: неподвижный нижний кронштейн 3 и два подвижных: средний 4 и верхний 5, а также верхняя втулка 6. На верхней втулке закреплен ролик 7 и электромагнит 11. Через ролик проходит нить 12 с привязанными на ее концах грузиками 14 и 8.

Электромагнит, после подведения к нему питающего напряжения, при помощи фрикционной муфты, удерживает систему ролика с грузиками в состоянии покоя.

Верхний и средний кронштейны можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в любом положении, устанавливая таким образом длину пути равномерноускоренного и равномерного движений грузика 14. Для облегчения определения этих путей на колонке имеется миллиметровая шкала, все кронштейны имеют указатель положения, а верхний кронштейн - дополнительную черту, облегчающую точное согласование нижней грани верхнего, большого грузика с определенным началом пути движения.

На среднем кронштейне закреплен кронштейн 9 и фотоэлектрический датчик 10. Кронштейн 9 снимает с падающего вниз большого грузика дополнительный грузик 13, а фотоэлектрический датчик в это время образует электрический импульс, сигнализирующий начало равномерного движения больших грузиков. Оптическая ось фотоэлектрического датчика (черта на его корпусе) находится на уровне указателя положения среднего кронштейна.

Нижний кронштейн оснащен фотоэлектрическим датчиком с оптической осью на уровне указателя положения кронштейна, после пересечения которой нижней гранью падающего грузика образуется электрический сигнал, указывающий прохождение грузиками определенного пути.

На основании прибора, прикрепленного к нему жестко, находится миллисекундомер РМ-15.

Через ролик, смонтированный на подшипнике таким образом, чтобы он мог вращаться с возможно малым сопротивлением, проходит нитка с двумя одинаковыми грузиками массой М каждый (14 и 8). Система при этом находится в равновесии.

Если по одну сторону блока прибавим небольшой грузик массой m (13), тогда система получит ускорение под влиянием силы mg и, передвигаясь с ускорение а, пройдет путь S.

По второму закону Ньютона для грузиков слева и справа (рис. 2.3):

, (2.7)

. (2.8)

Решая систему этих уравнений, получим:

(2.9)

Из законов кинематики

, (2.10)

, (2.11)

где t– время, в течение которого грузик 14 пройдет путьН, двигаясь равномерно.

Из формул (2.9) и (2.10) ускорение aравно:

. (2.12)

Подставляя (2.11) в (2.8), получим расчетную формулу для нахождения ускорения свободного падения:

. (2.13)

Формула (2.13) выведена в предположении, что сила трения и масса ролика нити пренебрежимо малы, нить нерастяжима.

Порядок выполнения работы

1. При помощи регулируемых ножек основания привести колонку прибора к вертикальному положению.

2. Передвинуть средний кронштейн на избранную высоту, благодаря чему будет определен путьН.

3. Передвинуть верхний кронштейн на заданную высоту, таким образом будет определен путь S.

4. Нажать клавишу «СЕТЬ», проверяя, все ли индикаторы измерителя высвечивают нуль.

5. На правый большой грузик Мположить один из дополнительных грузиков массойm.

6. Согласовать нижнюю грань правого грузика с чертой, нанесенной на верхнем кронштейне.

7. Измерить при помощи шкалы на колонке заданные пути равноускоренного S и равномерного Н движений большого грузика.

8. Нажать клавишу «ПУСК».

9. Записать измеренное значение времени движении большого грузика на пути Н в таблицу 2.1.

10. Измерение повторить не менее 5 раз, устанавливая различные дополнительные грузики m и их комбинации для выбранных S и H. Полученные данные записать в таблицу 2.1, туда же занести рассчитанные значения (2M+m)H² и 2mSt².

Таблица 2.1 – Результаты измеренийS₁ = ____ м ; H₁ = _____ м

m (кг)
t (с)
(2M+m)H2
2mSt2

11. Изменить параметры S и H, повторить измерения t как в пункте 10, данные занести в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 – Результаты измеренийS₁ = ____ м ; H₁ = _____ м

m (кг)
t (с)
(2M+m)H2
2mSt2