Проверка закона скоростей. Проверка второго закона Ньютона

Для проверки закона скоростей обратимся к способу, не требующему многих записей одного и того же движения. Будем исходить из того, что мгновенная скорость в средний момент времени равномерно ускоренного движения равна средней скорости этого движения. Это дает возможность проверить закон скоростей при помощи следующей записи. Отметим положение движущегося тела через через и сек. и т.д. от начала движения. Тогда промежутки времени в 1 сек., 2 сек., 3 сек., и т.д. после начала движения будут средними промежутками времени , за которые пройдены телом отмеченные отрезки пути и т. д. Поэтому отмеченные отрезки пути будут прямо пропорциональны мгновенным скоростям в конце первой, второй, третьей и т. д. секунды от начала движения тела, или

Для выполнения работы маятник прибора легко превращают в уравновешенный балансир, закрепив стержень 22 (с таким же грузиком, как и грузик 19) в положении, отмеченном на рисунке 1 пунктиром (второй грузик на рисунке не показан).

При каждом обороте балансира прибор «сработает» два раза с небольшим, но постоянным при равномерном вращении балансира промежутком времени между «срабатываниями». Чтобы обеспечить начало движения в средний момент указанного промежутка времени, сбрасыватель 7 снимают, а на конце оси 5 закрепляют другой сбрасыватель, прилагаемый к прибору (рис. 3,а). Его устанавливают с таким расчетом, чтобы нитка 19 сбрасывалась в тот момент, когда конец кривошипа 11 совпадает с риской, нанесенной на торце анкера.

Далее работа выполняется в следующем порядке. Закручивают пружинку 10, как и в предыдущей работе, затем левой рукой удерживают кривошип, а правой закручивают пружину 3, медленно вращая балансир по часовой стрелке. Балансир по окончании закручивания должен остаться в таком положении, чтобы кривошип лежал на левом (со стороны балансира) конце анкера. Подготовив систему движущихся тел, левой рукой удерживают штатив, а правой плавно отводят балансир в направлении против часовой стрелки и отпускают. После этого он продолжительное время вращается равномерно. В конце каждого оборота балансира автоматически производится отметка на ленте. После остановки всех деталей прибора измеряют отмеченные отрезки пути и проверяют справедливость равенства:

Определение ускорения силы тяжести. Подбирают длину маятника такой, чтобы период колебания его был равен 0,5 сек. Для этого на коротком стержне закрепляют груз 19 (100 г) в самом верхнем положении. Тщательно проверяют и, если нужно, регулируют равномерность хода механизма. После закручивания пружинки кривошипа и возвращения маятника в правое крайнее положение последний не будет удерживаться в положении равновесия, так как грузик маятника поднят слишком высоко. Поэтому маятник немного отклоняют и смещают влево с таким расчетом, чтобы при его вертикальном положении пластина 12 ложилась на кривошип.

Этим обеспечивается фиксация кривошипа при закрученной пружине.

На шкив 13 плотно наматывают ленту длиной 50 см из газетной бумаги с круглыми отверстиями на концах. Удерживая ленту от разматывания правой рукой, левой подвешивают на крючок 8 при помощи нитки с резинкой (рис. 3,в) грузик в 100 а, зацепив свободный конец ленты за крючок грузика. Лента удерживается от разматывания небольшой резинкой, надетой на ниточку. Маятник отклоняют на величину амплитуды его колебаний и отпускают. После падения грузика на мягкий предмет (подушка, губка) на ленте останутся две метки, расстояние между которыми пройдено грузиком за 0,25 сек. Опыт повторяют несколько раз и вычисляют ускорение.

Проверка второго закона Ньютона. Подготовка к опыту аналогична описанной в опыте по проверке закона путей. В каждом опыте надо учитывать величину силы трения (она будет меньше 2 Г) и массу всех движущихся тел, кроме того, маятник следует тщательно проверить, чтобы период колебаний его был точно равен 1 сек.

Проверяя на опыте зависимость ускорения от приложенной силы при постоянной массе, используют два грузика по 100 г, два перегрузка по 5 а и два перегрузка по 2,5 г. Это даст возможность получить действующие силы в 5 Г, 10 Г и 15 Г без изменения массы движущихся тел.

Для проверки зависимости ускорения от массы тела при постоянной силе используют два груза по 45 г, два — по 100 а и все перегрузки, прилагаемые к прибору (рис. 3,д). При этом общая масса движущихся тел (масса лент равна 20 г) будет равна 115 г, 230 г и 345 г при действующей силе 5 Г.

Указанные опыты с описанным оборудованием целесообразно провести как демонстрационные. В лабораторный практикум учащихся лучше включить несколько опытов по проверке равенства:

при разных действующих силах и разных массах.

Для демонстрационных опытов пользуются бумажными лентами длиной 120—150 см с проволочными петлями и жестяными зажимами на концах (рис. 3, ж).

Чтобы поменять местами карандаши и кисточки, снимают сбрасыватель 7, ось кривошипа сдвигают вправо до выхода из подшипника, снимают деталь 9 и, повернув, вновь надевают на ось. Если при этом пружина 10 не сжимается до нужных размеров, то ее нужно раскрутить, повернув несколько раз кривошип против часовой стрелки. В завершающей стадии подготовки прибора к демонстрации смачивают чернилами или краской обе кисточки на детали 9 и щетку (рис. 3,б), от которой смачиваются краской кисточки 9 во время работы прибора, а затем зажимают щиток на приборе гайкой 2.

Для демонстрации свободного падения склеивают ленту длиной 130 см из полосок папиросной бумаги и берут 2—3 грузика по 100 г. На такой ленте получают три отметки: начало падения, через 0,25 сек и 0,5 сек после начала падения.

При соблюдении всех указаний относительная ошибка результатов измерений на таком приборе не должна превышать 2%, если:
а) шкивок прибора уравновешен и не дает биений;
б) обе ленты имеют одинаковый вес в единице длины, причем нижняя лента не имеет помятостей и перегибов;
в) нитка 19 не слишком коротка.

Прибор можно использовать для демонстрации опытов и выполнения лабораторных работ при изучении прямолинейного равномерно ускоренного движения.

Автор: В. А. Сущенко (ст. Хутор-Михайловский Ю.-З. ж. д., школа №95).