Описание установки

Установка включает в себя машину Атвуда, электронный блок и набор перегрузков.

Общий вид установки изображен на рис. 1. Установка состоит из основания 2, на вертикальной стойке1которого размещены верхний5, средний4и нижний3кронштейны. На верхнем кронштейне5крепится блок, через который перекинута нить6с грузамиГ₁иГ₂одинаковой массы. Электромагнит7с помощью фрикциона удерживает блок в неподвижном состоянии. На среднем кронштейне4установлен фотодатчик8, подающий сигнал для окончания счета времени движения грузов. Средний кронштейн имеет индекс, положение которого совпадает с оптической осью фотодатчика (риска на корпусе). На площадке нижнего кронштейна3имеется амортизатор для остановки груза. Кронштейны3и4могут свободно перемещаться и фиксироваться на вертикальной стойке1по всей ее свободной длине. По миллиметровой линейке9определяют начальное и конечное положение грузов и пройденный ими путь.

Рис. 1. Общий вид установки

На передней панели электронного блока 10имеются индикаторы “ПЕРИОД”, “ВРЕМЯ”, кнопки управления: “СБРОС”, “ПУСК”, “СТОП” и кнопка “СЕТЬ”, которая включает питание блока10. При нажатии на кнопку “СБРОС” происходит обнуление цифровых индикаторов “ПЕРИОД” и “ВРЕМЯ”. ГрузГ₁фиксируется нажатием кнопки “СТОП” на заданной высоте. При нажатии кнопки “ПУСК” грузы начинают двигаться, а таймер отсчитывает время; при пересечении правым грузом оптической оси фотодатчика счет времени прекращается, а на цифровом индикаторе “ВРЕМЯ” высвечивается время равноускоренного движения груза. Для нового запуска следует сначала поднять грузГ₁на необходимую высоту, нажать кнопки “СБРОС ”и “СТОП”, а затем кнопку “ПУСК”.

Рис.2. Схема подвески грузов с перегрузком

Масса грузов Г₁иГ₂может быть увеличена добавочными перегрузками. Схема подвески грузов с перегрузками приведена на рис.2. Принцип работы установки состоит в том, что, когда на концах нити висят грузы одинаковой массы, система находится в положении безразличного равновесия. Если на один из грузов положить перегрузок массойm, система выходит из равновесия и начинает двигаться равноускоренно. На каждый груз действуют две силы: сила тяжести и сила натяжения нити, под действием которых грузы движутся. Предполагая, что нити и блок невесомы, нить нерастяжима, а сила трения в системе мала, получим, что ускорения обоих грузов будут одинаковы по величине, а натяжение нити одинаково справа и слева.

На основании второго закона Ньютона в проекции на ось Yможно записать:

– для груза с перегрузком: (m+m)a= (m+m)g–T;

– для груза без перегрузка: ma=T–mg,

где a– ускорение грузов,Т– сила натяжения нити,g– ускорение свободного падения,m– масса груза,m– масса перегрузка.

Решение этих уравнений дает величину ускорения:

где M= 2m+m– масса всей системы грузов. Отсюда видно, что система будет двигаться с ускорением, меньшим, чем ускорение свободного падения. Увеличивая массу перегрузкаm, можно увеличить ускорение системы. Если перегрузокmубрать во время движения, то дальнейшее движение системы будет происходить с постоянной скоростью, равной скорости грузов в момент снятия перегрузка.

Сила, приводящая всю систему грузов в движение, равна:

F = Ma = mg.

Если изменить mмассу перегрузка, сила, действующая на систему, изменится, следовательно, изменится и ускорение грузов. Однако по второму закону Ньютона, при любыхmдолжно выполнятся соотношение:

(9)

Суть экспериментальной проверки второго закона Ньютона в предлагаемой лабораторной работе сводится к следующему: измеряется ускорение a₁при действии перегрузкаm₁и ускорениеa₂– перегрузкаm₂. Полученные значения ускорений и масс перегрузков подставляют в формулу (9). Если отношение ускорений равно отношению масс перегрузков, то второй закон Ньютона экспериментально подтверждается.

В данной лабораторной работе рассматривается прямолинейное равноускоренное движение из состояния покоя. Закон прямолинейного движения для такого случая имеет вид:

Из этой формулы получаем формулу для ускорения:

(10)