Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы

1. Какое движение называется свободным падением?

2. Что называется ускорением силы тяжести (ускорением сво­бод­ного падения)?

3. Почему ускорение силы тяжести неодинаково в различных точ­ках земной поверхности?

4. Изменится ли ускорение свободного падения тела при увеличе­нии его массы?

5. Как изменится ускорение свободного падения при увеличении высоты падения над поверхностью Земли?

6. Если сила тяготения пропорциональна массе тела, то почему тяжелое тело не падает быстрее легкого?

7. Почему два небольших диска одинакового диаметра (картонный и металлический) падают в воздухе c различными скоростями?

8. Расскажите порядок выполнения работы.

ВВЕДЕНИЕ

М

34

ашина Атвуда предназначена для исследования законов дви­жения тел в поле земного тяготения. Лучше всего, конечно, изу­чать этот закон, исследуя свободное падение тел. Этому мешает, однако, большая величина ускорения свободного падения. Поэто­му такой опыт возможен либо при очень большой величине прибо­ра (намного больше, чем высота комнаты), либо при помощи спе­циальных методов, позволяющих точно измерять небольшие проме­жутки времени (доли секунды). Машина Атвуда позволяет избежать этих трудностей, замедляя движение до удобных скоростей.

У

Рис. 1

стройство машины Атвуда изображено на рис. 1. Легкий плексигласовый блок свободно вращается вокруг оси, укрепленной на верхней части стойки. Через блок перекинута тонкая нить, на концах которой ви­сят грузы А и Б, имеющие равные массы М. На груз А могут надеваться один или несколько перегрузков. Система грузов в этом случае выходит из рав­новесия и начинает двигаться ускоренно.

В начале опыта нить удер­живается с помощью электромагнита. При выключении тока, текущего через электромагнит, перегрузок приводит нить с грузом в движение.

Пусть на груз А машины Атвуда наложен перегрузок массы m, расстояние, прой­денное системой тел с общей массой (2М + m), равно S, момент инерции блока J и сила трения, противодействующая силе веса mg перегрузка, равна f. Тогда работа сил должна быть рав­на кинетической энергии, приобретенной движущейся системой тел:

35

. (1)

Если отсутствует скольжение нити с грузами по блоку, то скорость движения нити - скорость, приобретенная системой тел с массой (2М + m), совпадает с линейной скоростью v точек обо­да вращающегося блока, которая равна

v = r, (2)

где r - радиус блока,  - угловая скорость вращения блока.

Скорость v можно найти из формулы

v² = 2×a×S. (3)

Так как J = m₀r²/2 (m₀ - масса блока), то, решая совмест­но уравнения (1), (2) и (3), получим

. (4)

Ускорение a системы грузов можно выбрать небольшим по сравнению с ускорением свободного падения, если взять массу M грузов достаточно большой по сравнению с массой m перегрузка.

Э

Рис. 2

36

лектрическая схема установки представлена на рис. 2. В исходном состоянии элек­тромагнит (ЭМ) подключен через контакты 1-2 вык­лючателя ВК, находящего­ся в нижнем положении, к источнику питания БП и фиксирует в нужном по­ложении нить, соединяю­щую грузы. В это время электро­секундомер ССЭШ не работает, так как кон­такт К_з в цепи запуска се­кундомера разомкнут (кон­такт К₁ столика и кон­такт Р₁ реле Р - замкнуты). Кон­тактный столик зафиксиро­ван в верхнем положении и обмотка реле Р обесто­чена в связи с тем, что разомкнут контакт К₂. Схема запускается переключением выключателя ВК в поло­жение 3-2, обес­точивая обмотку ЭМ. Якорь электромагнита освобождает нить грузов и одновременно замыкает контакты К_з цепи запуска ССЭШ. Поэтому грузы приходят в движение практически одновременно с запуском секундомера. В момент удара более тяжелого груза о контактный столик раз­мыкается контакт К₁ в цепи запуска секундомера, и он останавливается. Одновременно замыкается контакт К₂ в цепи обмотки реле Р. Включенное реле блокируется от выключения собственными контактами Р₂. При этом контакт Р₁ размыкается, предотвращая случайное повторное включение секундомера вследствие сильного удара груза о контактный столик. После перевода меньшего груза (левого) в нижнее положение, а большего (правого) - в верхнее, а выключателя ВК - в положение 1-2, схема возвращается в исходное состояние.