Описание установки и метода измерения

Машина Атвуда (рисунок 2.1) изобретена в 1784 г. и предназначена для изучения законов поступательного движения тел под действием постоянной силы. Установка представляет собой блок 1, через который перекинута нить. На концах нити закреплены основные грузы равной массыМ, на которые можно помещать дополнительные грузы (перегрузки), масса каждого из которых равнаm. В исходном состоянии левый груз удерживается электромагнитом 2 в крайнем нижнем положении.

Пусть на правый основной груз помещено N₁, а на левыйN₂дополнительных грузов, причемN₁>N₂. Общая массаm₁=(М +N₁m) правого набора грузов (основного и дополнительных) превышает общую массуm₂=(М +N₂m) левого набора грузов, вследствие этого после отключения электромагнита система приходит в движение и начинается отсчет времени движения.

Установка снабжена линейкой для измерения пути, который проходит правый груз, и автоматической системой отсчета времени движения 3. При достижении правым грузом финишной платформы 4 отсчет времени движения прекращается.

Вустановке реализованы условия, при которых массой нити и силами сопротивления движению можно пренебречь (легкая нить и малые скорости движения). При этих условиях из сил, приложенных к грузам и блоку, необходимо учитывать только силы тяжести,, действующие на грузы, и силы натяжения,нити.

Покажем, что при этом движение системы грузов будет равноускоренным. Пренебрежем массой блока. Запишем формулу второго закона Ньютона для каждого из тел системы:

(2.9)

Запишем проекции этих векторных равенств на ось ОХ. При этом учтем, что блок и нить невесомы, следовательно, Т₁ = Т₂ = Т. Кроме того, нить нерастяжима, следовательно, а₁ = а₂ = а.

С учетом этого получаем:

Вычтем из первого уравнения второе:

, (2.10)

откуда

. (2.11)

Уравнение (2.10) можно рассматривать как запись второго закона Ньютона для тела массой , на которое действует равнодействующая сила

(2.12)

Из формул (2.11), (2.12)следует, что при фиксированных значениях величинN₁иN₂результирующая силаF_p и ускорение системы грузов постоянны.

Таким образом, данная установка позволяет, во-первых, проверить справедливость закона равноускоренного движения (2.8). В эксперименте начальная координата правого груза и начальная скорость грузов равны нулю, а конечная координата правого груза равна пройденному пути S.При этих условиях закон движения(2.8)принимает вид:

S = at²/2.(2.13)

Задавая путь и измеряя время движения, можно экспериментально проверить справедливость закона (2.13).

Во-вторых, перекладывая перегрузки с правого основного груза на левый, можно, не изменяя массы системы, изменять результирующую силу. Это позволяет изучить влияние силы на ускорение системы постоянной массы, то есть проверить справедливость второго закона Ньютона для тела постоянной массы.

Часть 1. Проверка закона равноускоренного движения Порядок выполнения работы

1. Подключить установку к сети, включить секундомер, нажать кнопку «СБРОС» («установка нуля»).

2. Установить на правом основном грузе несколько перегрузков общей массой N₁m = 5-7 г, записать значение N₁m в таблицу 2.1. Левый груз установить на электромагнит.

3. Установить финишную платформу на некоторое расстояние S (примерно 20 см), используя винтовой фиксатор. Записать значение S в таблицу 2.1.

4. Нажать кнопку «ПУСК» - отключается электромагнит, удерживающий левый груз, система начинает движение, включается секундомер. После достижения правым грузом финишной платформы секундомер останавливается. Записать время прохождения грузами расстояния S в таблицу 2.1.

ВНИМАНИЕ! Перед нажатием кнопки «ПУСК» необходимо убедиться, что грузы не совершают колебательных и вращательных движений.

Таблица 2.1–Проверка закона равноускоренного движения

N1m, г	S, м	t1, с	t2, с	t3, с	t4, с	t5, с	, с	, с2	a, м/с2	Δa, м/с2

5. Повторить измерения времени движения грузов при данном значении S 3-5 раз (по указанию преподавателя).

6. Увеличивая путь S примерно на 20 см, провести измерения времени движения грузов (п.п. 3-5) еще для двух значений пути.

7. Увеличить массу перегрузков на правом основном грузе до 10-12 г и повторить измерения по п.п.3-6 (выполняется по указанию преподавателя).