Решение Лабораторной Работы №4: Работа Силы Трения

Хорошо, давайте решим эту лабораторную работу. Лабораторная работа №4 «Определение работы силы трения при равномерном движении тела по горизонтальной поверхности» Цель: определить работу силы трения на горизонтальной поверхности и выяснить от каких величин зависит работа силы трения. Оборудование и материалы: брусок с отверстиями и крючком, направляющая рейка, динамометр, набор грузов по 50 г (100 г), линейка. Примечание: абсолютная погрешность измерения расстояния равна \( \pm 0,1 \) см, абсолютная погрешность измерения силы равна \( \pm 0,02 \) Н. Техника безопасности: Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание и уясните ход выполнения. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем. Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания. Размещайте приборы таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание. Не загружайте измерительные приборы выше предельных обозначений шкалы. При работе с деревянными брусками и линейками (трибометрами) будьте осторожны, так как можно посадить занозы. После выполнения работы все оборудование необходимо сдать учителю. Ход работы: 1. Соберите установку и сделайте схематический рисунок. Помните, что при равномерном движении сила трения равна по модулю силе тяги. 2. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений с учетом погрешности и вычислений. Таблица: | № опыта | Физическое тело | Вес тела, P, Н | Сила трения F_тр, Н | Перемещение S, м | Работа силы трения A_тр, Дж | | :------ | :-------------- | :------------ | :-------------- | :-------------- | :---------------- | | 1 | брусок | | | | | | 2 | брусок + 1 груз | | | | | | 3 | брусок + 2 груза | | | | | | 4 | брусок + 3 груза | | | | | 3. С помощью динамометра определите вес тела (бруска), изначально проверив положение его указателя. 4. Измерьте силу тяги бруска при равномерном перемещении бруска, бруска с 1 грузом, с двумя и с тремя грузами, измеряя каждый раз вес тела (бруска с грузами). 5. Запишите в тетради формулу для определения работы силы трения. 6. Определите работу силы трения при перемещении бруска на расстояние 25 см для всех трех случаев. Записывая результаты вычислений для каждого случая. 7. Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод: от каких величин зависит работа силы трения, указав вид зависимости, т.е. каким образом одна величина зависит от другой. --- **Решение и заполнение таблицы:** Предположим, что мы провели измерения. Для примера возьмем следующие значения (они могут отличаться от реальных, полученных в ходе эксперимента): * Вес бруска: \( P_{бруска} = 0,5 \) Н * Вес одного груза: \( P_{груза} = 0,1 \) Н (так как грузы по 100 г, а \( g \approx 10 \) Н/кг, то \( 0,1 \) кг * \( 10 \) Н/кг = \( 1 \) Н, но в условии указано 50 г (100 г), возьмем 100 г = 0,1 кг, тогда 0,1 кг * 9,8 Н/кг = 0,98 Н, округлим до 1 Н. Если грузы по 50 г, то 0,05 кг * 9,8 Н/кг = 0,49 Н, округлим до 0,5 Н. Давайте возьмем, что грузы по 100 г, и их вес 1 Н. Тогда брусок 0,5 Н, а грузы по 1 Н. Или, если грузы по 50 г, то 0,5 Н. Давайте возьмем, что грузы по 50 г, и их вес 0,5 Н. Тогда брусок 0,5 Н, а грузы по 0,5 Н.) * Давайте возьмем более реалистичные значения: * Вес бруска: \( P_{бруска} = 1,0 \) Н * Вес одного груза: \( P_{груза} = 0,5 \) Н (если грузы по 50 г) * Перемещение \( S = 25 \) см = \( 0,25 \) м. **Измерения и вычисления:** 1. **Опыт 1: Брусок** * Вес тела \( P = P_{бруска} = 1,0 \) Н * Сила трения \( F_{тр} \) (измеряем динамометром при равномерном движении) = \( 0,3 \) Н (примерное значение) * Перемещение \( S = 0,25 \) м * Работа силы трения \( A_{тр} = F_{тр} \cdot S = 0,3 \) Н \( \cdot 0,25 \) м = \( 0,075 \) Дж 2. **Опыт 2: Брусок + 1 груз** * Вес тела \( P = P_{бруска} + P_{груза} = 1,0 \) Н \( + 0,5 \) Н = \( 1,5 \) Н * Сила трения \( F_{тр} \) (измеряем динамометром) = \( 0,45 \) Н (примерное значение) * Перемещение \( S = 0,25 \) м * Работа силы трения \( A_{тр} = F_{тр} \cdot S = 0,45 \) Н \( \cdot 0,25 \) м = \( 0,1125 \) Дж 3. **Опыт 3: Брусок + 2 груза** * Вес тела \( P = P_{бруска} + 2 \cdot P_{груза} = 1,0 \) Н \( + 2 \cdot 0,5 \) Н = \( 1,0 \) Н \( + 1,0 \) Н = \( 2,0 \) Н * Сила трения \( F_{тр} \) (измеряем динамометром) = \( 0,6 \) Н (примерное значение) * Перемещение \( S = 0,25 \) м * Работа силы трения \( A_{тр} = F_{тр} \cdot S = 0,6 \) Н \( \cdot 0,25 \) м = \( 0,15 \) Дж 4. **Опыт 4: Брусок + 3 груза** * Вес тела \( P = P_{бруска} + 3 \cdot P_{груза} = 1,0 \) Н \( + 3 \cdot 0,5 \) Н = \( 1,0 \) Н \( + 1,5 \) Н = \( 2,5 \) Н * Сила трения \( F_{тр} \) (измеряем динамометром) = \( 0,75 \) Н (примерное значение) * Перемещение \( S = 0,25 \) м * Работа силы трения \( A_{тр} = F_{тр} \cdot S = 0,75 \) Н \( \cdot 0,25 \) м = \( 0,1875 \) Дж **Заполненная таблица:** | № опыта | Физическое тело | Вес тела, P, Н | Сила трения F_тр, Н | Перемещение S, м | Работа силы трения A_тр, Дж | | :------ | :-------------- | :------------ | :-------------- | :-------------- | :---------------- | | 1 | брусок | \( 1,0 \pm 0,02 \) | \( 0,3 \pm 0,02 \) | \( 0,25 \pm 0,001 \) | \( 0,075 \) | | 2 | брусок + 1 груз | \( 1,5 \pm 0,02 \) | \( 0,45 \pm 0,02 \) | \( 0,25 \pm 0,001 \) | \( 0,1125 \) | | 3 | брусок + 2 груза | \( 2,0 \pm 0,02 \) | \( 0,6 \pm 0,02 \) | \( 0,25 \pm 0,001 \) | \( 0,15 \) | | 4 | брусок + 3 груза | \( 2,5 \pm 0,02 \) | \( 0,75 \pm 0,02 \) | \( 0,25 \pm 0,001 \) | \( 0,1875 \) | *Примечание: Погрешности для веса тела и силы трения взяты из условия (\( \pm 0,02 \) Н). Погрешность для перемещения \( \pm 0,1 \) см = \( \pm 0,001 \) м.* **5. Формула для определения работы силы трения:** Работа силы трения \( A_{тр} \) определяется как произведение силы трения \( F_{тр} \) на пройденное расстояние \( S \): \[ A_{тр} = F_{тр} \cdot S \] **6. Определение работы силы трения при перемещении бруска на расстояние 25 см для всех случаев:** Это уже сделано в таблице. **7. Анализ полученных результатов и вывод:** * **Зависимость силы трения от веса тела:** Из таблицы видно, что с увеличением веса тела (при добавлении грузов) сила трения \( F_{тр} \) также увеличивается. Это означает, что сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления (которая в данном случае равна весу тела, так как поверхность горизонтальная). * **Зависимость работы силы трения от веса тела:** Поскольку работа силы трения \( A_{тр} = F_{тр} \cdot S \), и перемещение \( S \) было постоянным во всех опытах, а сила трения \( F_{тр} \) увеличивалась с увеличением веса тела, то и работа силы трения \( A_{тр} \) также увеличивается с увеличением веса тела. * **Зависимость работы силы трения от перемещения:** В данной лабораторной работе перемещение \( S \) было постоянным. Однако, из формулы \( A_{тр} = F_{тр} \cdot S \) следует, что работа силы трения прямо пропорциональна перемещению. Если бы мы увеличивали перемещение при постоянной силе трения, работа бы увеличивалась. **Вывод:** Работа силы трения зависит от двух основных величин: 1. **Силы трения (которая, в свою очередь, зависит от веса тела и свойств поверхностей):** Чем больше сила трения, тем больше работа, совершаемая силой трения, при одном и том же перемещении. В нашем эксперименте мы увидели, что сила трения увеличивается с увеличением веса тела. 2. **Расстояния, на которое перемещается тело:** Чем больше расстояние, на которое перемещается тело, тем больше работа, совершаемая силой трения, при одной и той же силе трения. Таким образом, работа силы трения прямо пропорциональна силе трения и прямо пропорциональна пройденному расстоянию. В данном эксперименте, при постоянном расстоянии, работа силы трения прямо пропорциональна весу тела (так как сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления, которая на горизонтальной поверхности равна весу тела).