Практическое занятие №2. Силы в природе.

Практическое занятие №2. Силы в природе.

Цель: научиться использовать основные законы динамики при решении экспериментальных и расчетных задач.

Теоретические сведения:

Раздел механики, изучающий законы взаимодействия тел, называется динамикой.

Первый закон Ньютона (или закон инерции):

Существуют такие системы отсчета, относительно которых изолированные поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость неизменной по модулю и направлению.

Массы взаимодействующих тел обратно пропорциональны ускорениям, приобретаемым телами в результате их взаимодействия.

Масса любого тела может быть определена на опыте путем сравнения с массой эталона (m_эт = 1 кг). Пусть m₁ = m_эт = 1 кг. Тогда 

Сила – это количественная мера взаимодействия тел.

Сила в 1 Н сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с²

Второй закон Ньютона – основной закон динамики. Этот закон выполняется только в инерциальных системах отсчета.

Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение:

Если на тело одновременно действуют несколько сил, то под силой  в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил: 

Третий закон Ньютона.

Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

Силы, возникающие при взаимодействии тел, всегда имеют одинаковую природу. Они приложены к разным телам и поэтому не могут уравновешивать друг друга. Складывать по правилам векторного сложения можно только силы, приложенные к одному телу.

Закон всемирного тяготения 

Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Коэффициент пропорциональности G одинаков для всех тел в природе. Его называют гравитационной постоянной: G = 6,67·10^–11 Н·м²/кг²

Сила тяжести:

где g – ускорение свободного падения у поверхности Земли: 

Первая космическая скорость: 

Период T обращения спутника равен:

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. 

Сила нормального давления или силой реакции опоры.

Вес тела движущегося с ускорением: 

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела, ее называют силой упругости:  F_x = F_упр = –kx.

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука. Коэффициент k называется жесткостью тела. В системе СИ жесткость измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Отношение ε = x / l называется относительной деформацией, а  отношение σ = F / S = –F_упр / S, где S – площадь поперечного сечения деформированного тела, называется напряжением. Тогда закон Гука можно сформулировать так: относительная деформация ε пропорциональна напряжению σ: 

Коэффициент E в этой формуле называется модулем Юнга.

  Сила реакции опоры:

Сила трения: F_тр = (F_тр)_max = μN

Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения.

Контрольные вопросы:

1.                  Что изучает динамика?

2.                  Что такое масса?

3.                  Что такое инертность?

4.                  Что такое сила?

5.                  Сформулируйте принцип суперпозиции сил.

6.                  Что такое взаимодействие?

7.                  Сформулируйте законы Ньютона.

8.                  Сформулируйте условия, при которых ускорение прямо пропорционально силе.

9.                  Сформулируйте понятие веса тела.

10.              Поясните разницу между силой тяжести и весом тела.

11.              Сформулируйте понятие силы реакции опоры.

12.              Чему равна сила трения покоя?

11.      Как находится сила трения покоя?

12.      Куда направлена сила трения скольжения и чему она равна?

Задание 1. Определите коэффициент трения скольжения.

Цель: определить коэффициент трения скольжения.

Оборудование:  деревянный брусок,  деревянная линейка,   набор грузов.

Основным измерительным прибором в этой работе является динамометр. Динамометр имеет погрешность Δ = 0,05 Н. Она и равна погрешности измерения, если указатель совпадает со штрихом шкалы. Если указатель в процессе измерения не совпадает со штрихом шкалы (или колеблется), то погрешность измерения силы равна    ΔF = 0,1Н.

Ход работы

1. Положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз.

2. Прикрепив к бруску динамометр, как можно более равномерно тяните его вдоль линейки. Заметьте при этом показание динамометра.

3. Взвесьте брусок и груз.

4. К первому грузу добавьте второй, третий грузы, каждый раз взвешивая брусок и грузы и измеряя силу трения.

По результатам измерений заполните таблицу:

5. По результатам измерений постройте график зависимости силы трения от веса тела и, пользуясь им, определите среднее значение коэффициента трения.

6. Рассчитайте максимальную относительную погрешность измерения коэффициента трения.

7. Найдите абсолютную погрешность и запишите ответ в виде:

8. Сделайте вывод.

Задание 2. Изучить движение системы связанных тел.

Цель: Запустить  с  помощью  перегрузка  систему связанных тел так, чтобы она за заданное время  прошла  заданный путь.

Оборудование: грузы, штатив, блок, секундомер, сантиметровая лента.

Ход работы

1. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке:

2. Измерьте массы уравновешивающих друг друга грузов.

3. Добавьте к одному из  грузов  перегрузок  для  компенсации   влияния блока.

4. Задайте значение пути и времени движения системы. Запишите данные в таблицу:

5. Рассчитайте массу перегрузка, необходимую для запуска системы, по формуле

   Запишите ее значение в таблицу.

6. Положите перегрузок на один из грузов и, придерживая систему   рукой, переведите ее в начальное состояние.

7. Отпустите систему, одновременно включив секундомер.

8. Выключите секундомер в момент прохождения  системой  заданной   точки.

9. Проведите опыт 3 раза. Найдите среднее значение времени движения системы:

.

Занесите полученное значение в таблицу.

10. Сравните результат с заданным значением времени.

11. Сделайте выводы.