Лабораторная работа №4: Определение работы силы трения

Хорошо, давайте разберем 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, \( P \pm \Delta P \), Н | Сила трения, \( F_{тр} \pm \Delta F_{тр} \), Н | Перемещение \( s \pm \Delta s \), м | Работа силы трения \( A_{тр} \), Дж | | :------ | :-------------- | :-------------------------- | :-------------------------------- | :-------------------------- | :-------------------------- | | 1 | брусок | | | | | | 2 | брусок + 1 груз | | | | | | 3 | брусок + 2 груза | | | \( 0,150 \pm 0,001 \) | | | | | | | \( 0,250 \pm 0,001 \) | | | 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 15 см и 25 см для всех трех случаев. Записывая результаты вычислений для каждого случая. 7. Постройте графики зависимости: а) работы силы трения от силы трения; б) работы силы трения от перемещения. 8. 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. --- Давайте теперь пошагово решим задачи и ответим на вопросы, как если бы мы выполняли эту лабораторную работу. **1. Схематический рисунок установки:** Нарисуйте горизонтальную поверхность (стол). На ней лежит деревянный брусок. К бруску прикреплен динамометр (крючком). Динамометр тянет брусок в горизонтальном направлении. Рядом с бруском можно нарисовать линейку, чтобы показать измерение перемещения. Над бруском можно схематично изобразить грузы, которые будут на него устанавливаться. **2. Подготовка таблицы:** Таблица уже дана в задании. Мы будем заполнять её по мере выполнения работы. **3. Определение веса тела (бруска):** * Возьмите динамометр и проверьте, что его указатель находится на нуле. Если нет, отрегулируйте. * Подвесьте брусок к динамометру. * Запишите показания динамометра. Это будет вес бруска \( P_{бруска} \). * Погрешность измерения силы \( \Delta F = \pm 0,02 \) Н. Значит, вес бруска будет \( P_{бруска} \pm 0,02 \) Н. **4. Измерение силы тяги (силы трения) и веса тела с грузами:** * **Опыт 1: Брусок без грузов.** * Положите брусок на горизонтальную поверхность. * Прикрепите динамометр к бруску. * Равномерно тяните брусок динамометром по поверхности. * Запишите показания динамометра. Это будет сила трения \( F_{тр1} \). * Вес тела в этом случае равен весу бруска \( P_{бруска} \). * **Опыт 2: Брусок с 1 грузом.** * Положите на брусок один груз (например, 50 г или 100 г). * Определите вес груза \( P_{груза1} \) с помощью динамометра. * Общий вес тела: \( P_{бруска+1груз} = P_{бруска} + P_{груза1} \). * Равномерно тяните брусок с грузом динамометром. * Запишите показания динамометра. Это будет сила трения \( F_{тр2} \). * **Опыт 3: Брусок с 2 грузами.** * Положите на брусок два груза. * Определите вес второго груза \( P_{груза2} \). * Общий вес тела: \( P_{бруска+2груза} = P_{бруска} + P_{груза1} + P_{груза2} \). * Равномерно тяните брусок с грузами динамометром. * Запишите показания динамометра. Это будет сила трения \( F_{тр3} \). * **Опыт 4: Брусок с 3 грузами.** * Положите на брусок три груза. * Определите вес третьего груза \( P_{груза3} \). * Общий вес тела: \( P_{бруска+3груза} = P_{бруска} + P_{груза1} + P_{груза2} + P_{груза3} \). * Равномерно тяните брусок с грузами динамометром. * Запишите показания динамометра. Это будет сила трения \( F_{тр4} \). **Пример заполнения части таблицы (данные условные, для демонстрации):** Пусть вес бруска \( P_{бруска} = 0,50 \pm 0,02 \) Н. Пусть вес одного груза \( P_{груза} = 0,50 \pm 0,02 \) Н. | № опыта | Физическое тело | Вес тела, \( P \pm \Delta P \), Н | Сила трения, \( F_{тр} \pm \Delta F_{тр} \), Н | Перемещение \( s \pm \Delta s \), м | Работа силы трения \( A_{тр} \), Дж | | :------ | :-------------- | :-------------------------- | :-------------------------------- | :-------------------------- | :-------------------------- | | 1 | брусок | \( 0,50 \pm 0,02 \) | \( 0,10 \pm 0,02 \) | | | | 2 | брусок + 1 груз | \( 1,00 \pm 0,04 \) | \( 0,20 \pm 0,02 \) | | | | 3 | брусок + 2 груза | \( 1,50 \pm 0,06 \) | \( 0,30 \pm 0,02 \) | \( 0,150 \pm 0,001 \) | | | | | | | \( 0,250 \pm 0,001 \) | | | 4 | брусок + 3 груза | \( 2,00 \pm 0,08 \) | \( 0,40 \pm 0,02 \) | | | *Примечание: Погрешность веса тела с грузами складывается. Например, для бруска с 1 грузом: \( \Delta P = \Delta P_{бруска} + \Delta P_{груза} = 0,02 + 0,02 = 0,04 \) Н.* **5. Формула для определения работы силы трения:** Работа силы \( A \) определяется как произведение силы \( F \) на перемещение \( s \) в направлении действия силы. В нашем случае, сила трения \( F_{тр} \) действует в направлении перемещения бруска. Формула: \[ A_{тр} = F_{тр} \cdot s \] Где: \( A_{тр} \) – работа силы трения (измеряется в Джоулях, Дж). \( F_{тр} \) – сила трения (измеряется в Ньютонах, Н). \( s \) – перемещение (измеряется в метрах, м). **6. Определение работы силы трения для заданных расстояний:** Нам нужно рассчитать работу для перемещений \( s_1 = 15 \) см \( = 0,15 \) м и \( s_2 = 25 \) см \( = 0,25 \) м. Погрешность перемещения \( \Delta s = \pm 0,1 \) см \( = \pm 0,001 \) м. Расчеты для каждого случая (используем условные данные из таблицы выше): * **Опыт 1 (брусок):** \( F_{тр1} = 0,10 \) Н * При \( s_1 = 0,150 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр1,1} = F_{тр1} \cdot s_1 = 0,10 \, \text{Н} \cdot 0,150 \, \text{м} = 0,015 \, \text{Дж} \) * При \( s_2 = 0,250 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр1,2} = F_{тр1} \cdot s_2 = 0,10 \, \text{Н} \cdot 0,250 \, \text{м} = 0,025 \, \text{Дж} \) * **Опыт 2 (брусок + 1 груз):** \( F_{тр2} = 0,20 \) Н * При \( s_1 = 0,150 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр2,1} = F_{тр2} \cdot s_1 = 0,20 \, \text{Н} \cdot 0,150 \, \text{м} = 0,030 \, \text{Дж} \) * При \( s_2 = 0,250 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр2,2} = F_{тр2} \cdot s_2 = 0,20 \, \text{Н} \cdot 0,250 \, \text{м} = 0,050 \, \text{Дж} \) * **Опыт 3 (брусок + 2 груза):** \( F_{тр3} = 0,30 \) Н * При \( s_1 = 0,150 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр3,1} = F_{тр3} \cdot s_1 = 0,30 \, \text{Н} \cdot 0,150 \, \text{м} = 0,045 \, \text{Дж} \) * При \( s_2 = 0,250 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр3,2} = F_{тр3} \cdot s_2 = 0,30 \, \text{Н} \cdot 0,250 \, \text{м} = 0,075 \, \text{Дж} \) * **Опыт 4 (брусок + 3 груза):** \( F_{тр4} = 0,40 \) Н * При \( s_1 = 0,150 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр4,1} = F_{тр4} \cdot s_1 = 0,40 \, \text{Н} \cdot 0,150 \, \text{м} = 0,060 \, \text{Дж} \) * При \( s_2 = 0,250 \pm 0,001 \) м: \( A_{тр4,2} = F_{тр4} \cdot s_2 = 0,40 \, \text{Н} \cdot 0,250 \, \text{м} = 0,100 \, \text{Дж} \) **Заполнение таблицы с учетом работы:** | № опыта | Физическое тело | Вес тела, \( P \pm \Delta P \), Н | Сила трения, \( F_{тр} \pm \Delta F_{тр} \), Н | Перемещение \( s \pm \Delta s \), м | Работа силы трения \( A_{тр} \), Дж | | :------ | :-------------- | :-------------------------- | :-------------------------------- | :-------------------------- | :-------------------------- | | 1 | брусок | \( 0,50 \pm 0,02 \) | \( 0,10 \pm 0,02 \) | \( 0,150 \pm 0,001 \) | \( 0,015 \) | | | | | | \( 0,250 \pm 0,001 \) | \( 0,025 \) | | 2 | брусок + 1 груз | \( 1,00 \pm 0,04 \) | \( 0,20 \pm 0,02 \) | \( 0,150 \pm 0,001 \) | \( 0,030 \) | | | | | | \( 0,250 \pm 0,001 \) | \( 0,050 \) | | 3 | брусок + 2 груза | \( 1,50 \pm 0,06 \) | \( 0,30 \pm 0,02 \) | \( 0,150 \pm 0,001 \) | \( 0,045 \) | | | | | | \( 0,250 \pm 0,001 \) | \( 0,075 \) | | 4 | брусок + 3 груза | \( 2,00 \pm 0,08 \) | \( 0,40 \pm 0,02 \) | \( 0,150 \pm 0,001 \) | \( 0,060 \) | | | | | | \( 0,250 \pm 0,001 \) | \( 0,100 \) | **7. Построение графиков зависимости:** Для построения графиков вам понадобится миллиметровая бумага или тетрадь в клетку. **а) График зависимости работы силы трения от силы трения (\( A_{тр} \) от \( F_{тр} \)):** * По оси X (горизонтальная ось) отложите значения силы трения \( F_{тр} \) (Н). * По оси Y (вертикальная ось) отложите значения работы силы трения \( A_{тр} \) (Дж). * Для каждого перемещения (0,15 м и 0,25 м) у вас будет отдельная серия точек. * **Для \( s = 0,15 \) м:** * (0,10 Н; 0,015 Дж) * (0,20 Н; 0,030 Дж) * (0,30 Н; 0,045 Дж) * (0,40 Н; 0,060 Дж) * **Для \( s = 0,25 \) м:** * (0,10 Н; 0,025 Дж) * (0,20 Н; 0,050 Дж) * (0,