Техника безопасности и правила поведения в физической лаборатории.

На рабочее место следует брать только то, что необходимо для выполнения лабораторной работы.

Категорически запрещается переносить приборы с одного рабочего места на другое.

В физической лаборатории следует строго соблюдать требования техники безопасности.

1. Прежде чем пользоваться прибором, нужно изучить его устройство и правила работы с ним (по методическим указаниям).

2. Никогда не пробуйте самостоятельно исправлять неисправные приборы – (их можно испортить еще больше). О неисправности прибора нужно доложить преподавателю или лаборанту.

3. Собранную электрическую цепь не подключайте к источнику тока до проверки ее преподавателем или лаборантом.

4. Категорически запрещается пользоваться оголенными проводниками.

5. После проведения измерений электрическая цепь должна быть разомкнута.

6. После выполнения лабораторной работы и одобрения полученных результатов преподавателем рабочее место приведите в порядок.

Лабораторная работа № 1.1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ

ПРИ ПОМОЩИ МАШИНЫ АТВУДА.

Цель: познакомиться с понятиями свободного падения тел, ускорения

свободного падения, научиться экспериментально определять ускорение

свободного падения тел с помощью машины Атвуда.

Приборы и материалы: машина Атвуда, дополнительные грузы.

Теоретическое введение.

Самый простой случай движения под действием силы тяжести – свободное падение с начальной скоростью равной нулю (υ₀=0), частный случай равномерно ускоренного движения. В этом случае тело движется прямолинейнов безвоздушном пространстве с ускорением свободного падения g по направлению к центру Земли.

На больших высотах h, сравнимых с расстоянием до центра Земли, ускорение свободного падения будет зависеть от высоты над поверхностью Земли.

Если тело массой m находится на высоте h над Землей, то расстояние между телом и центром Земли r = R + h , где R – радиус Земли. На основании закона всемирного тяготения сила тяжести равна:

,

где М – масса Земли, G = 6,67∙10^-11 Н∙м²/кг² – гравитационная постоянная.

Из II закона Ньютона: F_т = mg,

Тогда

Учитывая, что ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли:

, (g₀ ≈ 9,81 м/с²)

получим: .

При условии h<<R :

Следует отметить, что из-за сплюснутости Земли у полюсов и ее суточного вращения ускорение свободного падения зависит от географической широты: на экваторе эти два фактора уменьшают g на 0,5% по сравнению с его значением на полюсах.

Механическая конструкция прибора.

Машина Атвуда предназначена для исследования закона движения тел в поле земного тяготения. Естественнее всего изучить этот закон, исследуя свободное падение тел. С помощью машины Атвуда можно точно измерить небольшие промежутки времени, что позволяет избегать трудностей, связанных большой величиной ускорения свободного падения.

Общий вид прибора Атвуда показан на рис.1.

Легкий алюминиевый блок 10 свободно вращается вокруг оси, укрепленной в верхней части стойки 1. Стойка закреплена в основании 2, оснащенном регулируемыми ножками 7, которые позволяют произвести выравнивание положения прибора.

На стойке расположены три кронштейна: неподвижный нижний кронштейн 3 и два подвижных – 4 и 5, а так же верхняя втулка 6.

На верхней втулке, при помощи верхнего диска 8 закреплён узел подшипника блока 9, блок 10 и электромагнит 11. Через блок перекинута тонкая нить 12, на концах которой висят грузы 13 и 14, имеющие равные массы М.

Электромагнит, после подведения к нему питающего напряжения, фрикционной муфтой удерживает систему блока с грузами в состоянии покоя. Дополнительное напряжение подводится к нему через разъем 1.

Верхний и средний кронштейны можно перемещать вдоль стойки и фиксировать в любом положении, устанавливая, таким образом, длину пути равноускоренного и равномерного движений. Для облегчения определения этих путей на колонке имеется миллиметровая шкала 15, все кронштейны имеют указатель положения, а верхний кронштейн дополнительную черту, облегчающую точное согласование нижней грани верхнего, большего грузика с определённым началом пути движения.

На среднем кронштейне закреплён кронштейн 16 и первый фотоэлектрический датчик 17. Кронштейн 16 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 кронштейнами 18 с резиновыми амортизаторами, в которые ударяют завершающие своё движение грузики и вторым фотоэлектрическим датчиком 19 с оптической осью на уровне указателя положения кронштейна, после пересечения которой, нижней гранью падающего грузика, образуется электрический сигнал, сигнализирующий прохождения грузиками определенного пути.

На основании прибора находится секундомер РМ–15, 20 в исполнении 02. К гнёздам 1 и 2 миллисекундомера подключены оба фотоэлектрических датчика.

Если к нити прикрепить грузы одинаковой массы М, то система грузов будет в равновесии. При добавлении к первому грузу небольшого груза массой m система грузов придет в движение (рис.2).

По закону сохранения энергии изменение потенциальной энергии системы грузов равно изменению кинетической энергии этой системы. В момент снятия дополнительного маленького груза выполняется равенство:

рис.2 , (1)

где mgS ′ – изменение потенциальной энергии системы грузов;

– кинетическая энергия большого и маленького грузов;

– кинетическая энергия большого груза (левого);

– кинетическая энергия вращательного движения блока.

После снятия дополнительного груза система будет двигаться равномерно, и грузы М переместятся на расстояние S.

Предполагаем, что нить нерастяжима и невесома. Пренебрегая силой трения в блоке и массой блока, считаем, что тогда из (1) получим:

g = . (2)

Скорость неравномерного движения грузов в момент снятия грузика равна скорости равномерного движения грузов на пути S. Тогда

, (3)

где t – время равномерного перемещения системы грузов.

Подставляя  из уравнения (3) в уравнение (2) и, решая уравнение (2) относительно g, имеем:

, (4)

где М – масса большого груза (М = 62 г); m – масса дополнительного груза;

S ′ – путь равномерно ускоренного движения системы;

S – путь равномерного движения грузов;

t – время, в течение которого грузы пройдут путь S.