Загальна інформація
Застосування
Схема досліду
Тертя гальмує будь-який рух. Тут на візку, що рухається сповільнено по роликовій напрямній, демонструють вплив тертя і різницю між різними його видами.
Тертя між шматком повсті й металевою поверхнею - приклад тертя ковзання. Сила тертя ковзання не залежить від швидкості руху.
Натомість тертя, яке створює вихрострумове гальмо, - приклад сили тертя, що залежить від швидкості; у цьому випадку вона пропорційна швидкості.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з найосновнішими принципами тертя і з утратою швидкості, яка з нього випливає. Крім того, учні вже мають пройти тему індукції.
Принцип
Спостерігають різні форми гальмівної дії через тертя - на прикладі гальм, залежного і незалежного від швидкості.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді за допомогою тертя мають показати різницю між рівносповільненим
рухом і сповільненням, що залежить від швидкості.
Завдання
Визначення впливу тертя ковзання і вихрострумового гальма на рух із початковою швидкістю.
Визначення впливу тертя ковзання і вихрострумового гальма на рух під дією сталої прискорювальної сили.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Якщо рух тіла сповільнюється через від'ємне прискорення, його рух змінюється. Залежно від виду гальма рух відбувається по-різному.
Жоден матеріал у світі не має ідеально гладкої поверхні. Якщо під час руху об'єкта дві поверхні стикаються, нерівності обох тіл можуть зачіплятися одна за одну.
Макроскопічно ці взаємодії виявляються через силу ковзання, яка залежить виключно від матеріалів тіл, що труться, і від сили нормального тиску, а отже не залежить від швидкості.
Коли провідний об'єкт входить у магнітне поле вихрострумового гальма, у ньому наводиться струм, який діє проти напрямку руху цього тіла. Що швидше тіло рухається відносно гальма, то сильніший наведений зустрічний струм. Отже, цей вид гальма залежить від швидкості.
Обладнання
Складання та виконання
Складання (1/7)
1. На лівому кінці напрямної встановіть пусковий пристрій.
Зверніть увагу: щоб запустити візок із початковим імпульсом, пусковий пристрій треба встановити так, щоб штовхач надавав візкові поштовху
Пусковий пристрій для поштовху
Складання (2/7)
Кінцевий тримач із пластиліном
2. У кінцевий тримач на правому кінці напрямної вставляють трубку, наповнену пластиліном, щоб зупиняти візок без різкого удару.
Складання (3/7)
Закріплення вимірювального візка
3. Напрямний ролик закріплюють тримачем на правому кінці напрямної та встановлюють інкрементальне коліщатко.
4. На візок ставлять шторку для вимірювального візка (b = 100 мм).
Початок нитки вставляють згори в задній вертикальний отвір торцевої кришки візка і фіксують, вставивши утримувальний магніт зі штекером у горизонтальний отвір.
Складання (4/7)
Розміщення тримача тягарців
5. Чотири вилкоподібні світлові бар'єри встановлюють тримачами на напрямній і рівномірно розподіляють по вимірювальній ділянці.
Стежте, щоб задня частина шторки встигла пройти крізь усі світлові бар'єри під час руху візка, перш ніж тримач тягарців торкнеться підлоги
Складання (5/7)
Проходження світлового бар'єра
6. Щоб скомпенсувати ефекти тертя візка й силу тяжіння порожнього тримача тягарців, напрямну регулювальними гвинтами на ніжках трохи нахиляють - так, щоб візок саме ще не починав котитися праворуч.
7. Чотири вилкоподібні світлові бар'єри встановлюють тримачами на напрямній і рівномірно розподіляють по вимірювальній ділянці. Стежте, щоб задня частина шторки встигла пройти крізь усі світлові бар'єри під час руху візка, перш ніж тримач тягарців торкнеться підлоги
Складання (6/7)
Під'єднання світлових бар'єрів і пускового пристрою
8. Вилкоподібні світлові бар'єри під'єднують по порядку зліва направо до гнізд у полях «1»–«4» вимірювача часу.
При цьому жовті гнізда бар'єрів з'єднують із жовтими гніздами приладу, червоні - з червоними, а сині гнізда бар'єрів - із білими гніздами вимірювача часу.
9. Пусковий пристрій слід з'єднати з двома гніздами «Start» вимірювача часу. При цьому треба стежити за правильною полярністю. Червоне гніздо пускового пристрою з'єднують із жовтим гніздом вимірювача часу.
Складання (7/7)
Закріплення повстяного гальма на візку
10. Обидва повзункові перемикачі на вимірювачі часу для вибору фронту спрацювання переводять у праве положення «спадний фронт» ( ).
11. Повстяне гальмо з набору вкрутіть у передній вертикальний отвір торцевої кришки візка й законтрте на потрібній висоті накатною гайкою.
Повсть має тиснути на напрямну саме настільки, щоб візок після спрацювання
пускового пристрою ще зупинявся, трохи не доїхавши до моменту, коли тримач тягарців (без додаткових тягарців) торкнеться підлоги.
Виконання (1/5)
a) Гальмування візка з початковою швидкістю через тертя:
1.Вимірювальний візок дістає від поштовху пускового пристрою початкову швидкість і через тертя повстяного гальма об напрямну зазнає прискорення, протилежного до його швидкості.
2.Спершу визначають часи , потрібні від старту до досягнення відповідних світлових бар'єрів, у режимі 2 ( ). Потім для визначення відповідних швидкостей виконують вимірювання в режимі 1 ( ).
Під час цього вимірювання визначають часи затінення чотирьох вилкоподібних бар'єрів; з них потім через довжину шторки (100 мм) обчислюють середню швидкість під час відповідного проходження.
Виконання (2/5)
Закріплення вихрострумового гальма
3. Часи знімають для 1–3 повторень. Перед кожним виконанням треба натиснути кнопку «Reset», щоб скинути показання.
4. Тепер світлові бар'єри переставляють і виконують ще дві серії вимірювань, як описано вище. В одному вимірюванні передній світловий бар'єр для визначення має бути на невеликій відстані від стартового положення візка.
Треба стежити, щоб після старту там уже не було контакту між пусковим пристроєм і магнітом зі штекером.
5. Замініть повстяне гальмо на магнітне.
Виконання (3/5)
Положення магніта
6. Відстань магніта до напрямної встановіть так, щоб візок після спрацювання пускового пристрою ще зупинявся, перш ніж тримач тягарців торкнеться підлоги.
При цьому магніт не має торкатися напрямної.
7. Виконайте серії вимірювань так само, як описано вище для повстяного гальма.
Виконання (4/5)
Пусковий пристрій без поштовху
b) Розгін візка під впливом тертя сталою силою, що тягне візок:
1.Розверніть пусковий пристрій так, щоб при спрацюванні штовхач віддалявся від візка, тобто щоб візок стартував без початкового імпульсу.
2.Зменште відстань між магнітним гальмом і напрямною якомога більше, але так, щоб магніт не тер по напрямній.
3.Кладіть на тримач тягарців різні маси від 3 г до 40 г і для кожної виконайте по одному вимірюванню, як уже в частині a).
Виконання (5/5)
4. Після відпускання візок розганяється. Щойно тримач тягарців торкнеться підлоги, гальмо зупиняє візок або він ударяється об кінцевий тримач.
5. Замініть магнітне гальмо на повстяне.
6. Тиск повстяного гальма на напрямну встановіть так, щоб візок саме не рушав, коли на тримач покладено 10 г; і не рушав навіть від легкого поштовху.
7. Як і раніше, виконайте вимірювання для різних мас від 20 г до 40 г.
Опрацювання результатів (1/12)
Коли візок розганяють підвішеними до нього тягарцями, обидва гальма поводяться по-різному.
З магнітним гальмом візок рушає навіть за малих прискорювальних сил і рухається зі сталою швидкістю.
За більших сил він спершу розганяється, а згодом теж досягає сталої кінцевої швидкості.
З повстяним гальмом візок рушає лише за більших сил.
Щойно сила стає достатньою, візок далі рухається рівноприскорено, доки тримач тягарців не торкнеться підлоги.
Спостереження
Опрацювання результатів (2/12)
a) Гальмування візка з початковою швидкістю через тертя:
1. З вимірювань і для обох гальм треба обчислити середні значення і .
2. З часів затінення визначають швидкості за довжиною шторки b = 0,1 м.
3. Щоб зменшити вплив тертя спокою на початку, початкову точку вимірювання беруть рівною часові , після якого візок досяг найпершого світлового бар'єра. Для цього для кожної точки вимірювання беруть різницю до нього:
із
Тож для початкової швидкості вимірювання справджується .
Опрацювання результатів (3/12)
Виміряні значення:
Опрацювання результатів (4/12)
Опрацювання результатів (4/11)
5.Приклад вимірювання наведено в таблиці 1. Швидкість і прискорення відкладають проти часу для обох типів гальм:
- У випадку тертя ковзання з повстяним гальмом швидкість спадає лінійно з часом, гальмівне прискорення (сповільнення) стале й не залежить від швидкості.
Опрацювання результатів (5/12)
- У випадку вихрострумового тертя з магнітним гальмом швидкість спадає спершу швидко, а згодом повільніше.
- Крива «швидкість - час» прогнута донизу відносно прямої.
- Сповільнення спочатку велике (велике від'ємне прискорення) і зменшується під кінець руху.
Опрацювання результатів (6/12)
b) Тягнення візка сталою силою під впливом тертя
1. З часів затінення визначають швидкостіза довжиною шторки b = 0,1 м.
2. Магнітне гальмо: швидкості для різних тягарців відкладають проти часу t. Щоб порівняти тягарці між собою, це роблять на одній діаграмі.
Опрацювання результатів (7/12)
У випадку вихрострумового тертя швидкість зростає спершу швидко, а потім дедалі повільніше. Отже, прискорення з часом спадає й прямує до нуля, щойно візок досягає сталої швидкості.
Силу, що тягне візок, можна розкласти на частину, яка забезпечує прискорення, і частину, яка через тертя протидіє прискоренню.
Друга зростає зі збільшенням швидкості, доки не скомпенсує частку сили, що йде на прискорення, і воно стане нулем.
Опрацювання результатів (8/12)
Граничну швидкість можна зчитати з діаграми «швидкість - час» і для кожної сили, що тягне візок, відкласти проти цієї сили. Так виходить крива, як на рисунку, обернення якої дає гальмівну силу залежно від швидкості.
Нахил на рисунку в цьому прикладі вимірювання відповідає для лінійної залежності оберненій величині сталої . Ця стала залежить від відстані між магнітом і напрямною, тобто від густини магнітного потоку в місці напрямної та від провідності напрямної.
Опрацювання результатів (9/12)
3. Повстяне гальмо: швидкості, як і для магнітного гальма, для різних тягарців відкладають проти часу t.
У випадку тертя ковзання візок або взагалі не рушає за замалої сили, або виконує рівноприскорений рух - щоправда, зі зменшеним прискоренням порівняно з рухом без гальма.
Опрацювання результатів (10/12)
Сила , що розганяє візок, знову складається з частини , яка через підвішені тягарці забезпечує прискорення, і частини , яка через тертя протидіє прискоренню. Якщо сила тертя стала, то сила тяжіння підвішених тягарців має бути більшою за неї, щоб візок рухався:
Результівна сила складається з обох сил так:
і із
де M - уся прискорювана маса (маса візка + покладені тягарці), m - маса,
покладена на тримач тягарців, а g - прискорення вільного падіння.
Опрацювання результатів (11/12)
За діаграмою з нахилів можна визначити прискорення для відповідних покладених тягарців.
Якщо відкласти прискорення проти сили тяжіння , то в точці перетину з віссю x можна зчитати силу тертя , бо за більших сил тяжіння візок починає рухатися.
Опрацювання результатів (12/12)
Оскільки вважали сталою, з оберненої величини нахилу графіка виходить повна маса :
Для цього прикладу вимірювання виходять повна маса і сила тертя , яка відповідає противазі 13 г.
Зауваження
- Щоб в останній частині досліду повна маса лишалася сталою, тягарці, які потім кластимуть на тримач, можна спершу покласти на візок.
- У цьому досліді знімають багато даних. Оскільки це може забрати чимало часу, у частині b) радимо робити мало повторень або не робити їх зовсім, а натомість виконати кілька серій із різними тягарцями. За правильного виконання досліду розкид вимірювань часу змінюється неістотно, тоді як більша кількість серій значно допомагає зрозуміти різні механізми гальмування. І в частині a) цілком можливо обійтися без усереднення - похибка вимірювання тоді становить приблизно 2 %.
- Щоб зменшити відстань від тримача тягарців до інкрементального коліщатка, нитку можна вкоротити: кілька разів провернути на візку утримувальний магніт зі штекером і намотати на нього нитку.