Определение коэффициента трения скольжения с использованием закона сохранения и превращения энергии

Для выполнения этой работы на линейку трибометра помещают брусок и динамометр, связанные нитью (рис. 1). Если динамометр вместе с линейкой прижать рукой к столу, а брусок оттянуть, что бы динамометр показывал некоторую силу F, то потенциальную энергию пружины можно записать так:

где F — показание динамометра, а х — растяжение пружины. После освобождения брусок будет двигаться до остановки и потенциальная энергия пружины израсходуется на совершение работы по преодолению силы трения на пути S. Эту работу можно представить таким выражением:

где μ — коэффициент трения; m — масса бруска; g — ускорение свободного падения; S — путь бруска. По закону сохранения энергии

=

следовательно,

Силу F упругости пружины измеряют динамометром, деформацию пружины x — линейкой, путь S, пройденный бруском,— линейкой, массу т бруска — взвешиванием, g — величина постоянная.

 

Выполнение работы

Оборудование: 1) трибометр лабораторный с бруском; 2) динамометр пружинный на нагрузку 4Н; 3) линейка измерительная.. 30—35 см с миллиметровыми делениями; 5) весы технические с разновесом; 6) набор грузов по механике; 7) прочная нить длиной 20—30 см.

1. Определите взвешиванием массу бруска т. =, Δm = …

2. К крючкам динамометра и бруска привяжите нить так, чтобы расстояние между ними было примерно 10 см, брусок с динамометром поместите на линейку, как показано на рисунке 1.

3. сделайте схему опыта.

4. Конец динамометра с петлей совместите с концом линейки и прижмите их рукой к столу. Затем оттяните брусок так, чтобы динамометр показывал силу F = 1 Н ΔF =…

5. измерьте линейкой растяжение пружины. X = …, Δx = … …,

6. Отметьте положение бруска и отпустите его.

7. Измерьте линейкой расстояние S=.., ΔS= пройденное бруском,

8. вычислите коэффициент трения μ.

9. Опыт повторите, изменив один раз массу бруска (поместите на него стограммовый груз), а другой раз — растяжение пружины (увеличьте показание динамометра на 1 Н).

10. найдите среднее значение коэффициента трения μ и вычислите абсолютную и относительную погрешность результата.

11. Если осталось время, определите коэффициент трения, пользуясь формулой, Для этого силу трения определите по показанию динамометра при равномерном перемещении бруска вдоль линейки, а массу бруска возьмите из первого опыта. Сравните полученные результаты.

Контрольные вопросы

1. Зависит ли коэффициент трения скольжения от изменения нагрузки на брусок и от изменения силы упругости пружины?

2. Какие приборы из оборудования к данной работе следует заменить, чтобы получить другое значение коэффициента трения?

3. Какое преобразование энергии происходит при выполнении описанного опыта?

 

 

Лабораторная работа № 7

 

Опытная проверка закона Гей-Люссака.

Цель работы: сделать заключение о качестве экспериментальной проверки закона Гей-Люссака путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.

Оборудование, средства измерения: 1)стеклянная трубка, запаянная с одного конца, длиной 600 мм и диаметром 8 – 10 мм, 2) цилиндрический сосуд высотой 600 мм и диаметром 40 – 50 мм, наполненный горячей водой, 3) стакан с водой комнатной температуры, 4) пластилин.

 

Теоретическое обоснование.

Чтобы проверить закона Гей-Люссака, достаточно измерить объем и температуру газа в двух состояниях при постоянном давлении и проверить справедливость равенства получаемого из закона Гей-Люссака . Это можно осуществить, используя воздух при атмосферном давлении.

 

 

 

L₁

L₂

h

 

 

а) б) в) г)

 

 

Стеклянная трубка открытым концом помещается на 3 – 5 мин в цилиндрический сосуд с горячей водой (рис а). В этом случае объем воздуха равен V₁ = SL₁, температура – температуре горячей воды Т₁. Это первое состояние. Чтобы при переходе воздуха во второе состояние его количество не изменилось, открытый конец стеклянной трубки, находящейся в горячей воде, закрывают пластилином. После этого трубку вынимают из сосуда с горячей водой и закрытый конец быстро опускают в стакан с водой комнатной температуры (рис.б), а затем под водой снимают пластилин. По мере охлаждения воздуха в трубке вода в ней будет подниматься. После прекращения подъема воды в трубке (рис. в) объем воздуха в ней станет равным V₂ = SL₂ < V₁, а давление Р = Р_атм – ρgh. Чтобы давление воздуха в трубке вновь стало равным атмосферному, необходимо увеличить глубину погружения трубки в стакан до тех пор, пока уровни воды в трубке и стакане не выровняются (рис. г). Это будет второе состояние воздуха в трубке при температуре Т₂ окружающего воздуха. Отношение объемов воздуха в трубке в первом и втором состояниях можно заменить отношением высот воздушных столбов в трубке в этих состояниях, если сечение трубки постоянно по всей длине.(). Поэтому в работе следует сравнивать отношения L₁/L₂ и T₁/T₂. Длина воздушного столба измеряется линейкой, температура – термометром.

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Измерьте длину L стеклянной трубки. L₁ = …; ΔL₁ = ….

 

2. Опустите стеклянную трубку в цилиндрический сосуд с горячей водой. Измерьте температуры воды в цилиндрическом сосуде с горячей водой. Т₁ = …; ΔТ = ….

 

3. Подержав 3 – 5 мин в цилиндре стеклянную трубку, закройте стеклянную трубку пластилином, приведите воздух в трубке во второе состояние так, как об этом рассказано выше в теоретическом обосновании. Измерьте длину воздушного столба L₂ как показано на рисунке (в) L₂ = …; ΔL₂ = ….

 

4. Измерьте температуру окружающего воздуха Т₂ =…; ΔТ₂ = ….

 

5. Вычислите отношения L₁/L₂ и T₁/T₂, L₁/L₂ = …;

T₁/T₂ = ….

 

6. Вычислите относительные и абсолютные погрешности измерений этих отношений. (См. справочный материал). ε₁ = …; ε₂ = …

Δ (L₁/L₂) = … Δ (T₁/T₂) = …

 

7. Запишите полученные результаты L₁/L₂ =

T₁/T₂ = …

 

8. Сравните полученные результаты исделайте заключение о качестве экспериментальной проверки закона Гей-Люссака путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.

 

 

9. Сделайте вывод о справедливости закона Гей-Люссака.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

Лабораторная работа № 8

Измерение относительной влажности воздуха с помощью термометра и гигрометра.

 

Цель работы: Измерить относительную влажность воздуха в классной комнате с помощью волосяного гигрометра и используя термометр и психометрическую таблицу.

Оборудование, средства измерения: 1) гигрометр волосяной, 2) термометр, 3) стакан с водой комнатной температуры, 4) таблица психрометрическая, кусочек марли или ваты.

 

Теоретическое обоснование.

Волосяной гигрометр непосредственно измеряет относительную влажность воздуха в процентах. Основным элементом является обезжиренный конский волос, который меняет длину при изменении влажности воздуха. Проверку и установку волосяного гигрометра производят на основании определения относительной влажности воздуха с помощью психрометра. Для установки стрелки гигрометра на соответствующее деление шкалы служит регулировочный винт.

Психрометр определяет относительную влажность воздуха по разности температур термометров, термометра в сухом состоянии и термометра резервуар, которого окружен полоской влажной ткани. Затем используется специальная психрометрическая таблица для определения относительной влажности воздуха.

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Измерьте температуру воздуха в классной комнате Т₁ = ….

 

2. Измерьте температуру воды в стакане находящемся в классной комнате. Т₂ = …

 

3. Сравните температуры, намного они отличаются или нет?

Т₁ ___________________________________________ Т₂

 

4. Резервуар термометра оберните кусочком увлажненной ткани или ваты, подождите до тех пор, пока понижение температуры не прекратится. Снимите показания термометра.

Т₃ = …

 

5. Найдите разность температур «сухого» и «влажного» термометров.

Т₁ - Т₃ = …

 

6. С помощью психрометрической таблицы определите относительную влажность в воздухе класса.

φ₁ = ….

 

7. Определите относительную влажность в воздухе классе с помощью гигрометра.

φ ₂ = ….

 

8. Сделайте вывод: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Лабораторная работа № 9

Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости.

Цель работы: измерить средний диаметр капилляров.

Оборудование, средства измерения: 1) сосуд с подкрашенной жидкостью, 2) полоска фильтровальной бумаги, 3) полоска хлопчатобумажной ткани, 4) линейка измерительная

Теоретическое обоснование

Смачивающаяся жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъем жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила, F_в действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h: F_в = mg.

По третьему закону Ньютона сила F_в, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения F_пов, действующей на стенку капилляра по линии соприкосновения ее с жидкостью: F_в = F_пов.

Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре (рис. 1) F_пов = mg. (1)

Будем считать, что мениск имеет форму полусферы, радиус которого равен радиусу r капилляра. Длина контура, ограничивающего поверхность жидкости, равна длине окружности: l = 2πr.

Тогда сила поверхностного натяжения равна: F_пов = σ*2πr. (2), где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Масса столба жидкости объемом V = πr²h равна: m = ρV = ρ πr²h. (3)

Подставляя выражение (2) для F_пов и массы (3) в условие равновесия жидкости в капилляре, получим

σ*2πr = ρ πr²hg откуда диаметр капилляра D = 2r = (4) F_в

 

Θ h

r

 

mg

Порядок выполнения работы.

1. Полосками фильтровальной бумаги и хлопчатобумажной ткани одновременно прикоснитесь к поверхности подкрашенной воды в стакане, наблюдая поднятие воды в полосках.

2. Как только прекратится подъем воды, полоски выньте и измерьте линейкой высоты поднятия в них воды h₁ и h₂.

h₁ = h₂ =

3. Абсолютные погрешности измерения принимают равными удвоенной цене деления линейки. Δh =

4. Рассчитайте диаметр капилляров по формулам (4)

D₁ = =

D₂ = =

Для воды σ ± Δ σ = (7,3 ± 0,05)*10 ^–2 Н/м.

5. Рассчитайте абсолютные и относительные погрешности при косвенном измерении диаметра капилляров. ε ₁ = …; ε ₂ = ….

Погрешностями Δg и Δ ρ можно пренебречь.

6. Запишите окончательный результат измерения диаметра капилляров.

 

Лабораторная работа № 10

Измерение удельной теплоемкости вещества.

Цель работы: определить удельную теплоемкость металла.

Оборудование, средства измерения: 1) калориметр с водой, 2) чайник (один на класс), 3) цилиндр металлический на нити, 4) бумага фильтровальная, 5) весы с гирями, 6) термометр.

 

Теоретическое обоснование

В калориметр массой m₁ налита вода массой m₂ при температуре t₁. Из чайника с кипящей водой достают металлический цилиндр массой m, имеющий температуру t₂, и погружают его в калориметр. Когда температура воды в калориметре перестанет повышаться, снимают показания термометром это значение Θ.

Количество теплоты Q_отд, отданное металлическим цилиндром при остывании до температуры Θ, равно: Q_отд = cm(t₂ – Θ), (1) где с – удельная теплоемкость вещества цилиндра.

Количество теплоты Q_пол, полученное калориметром и водой при нагревании до температуры Θ, Q_пол = c₁m₁(Θ – t₁) + c₂m₂(Θ – t₁), (2)

Где c₁ – удельная теплоемкость металла, из которого сделан калориметр, с₂ – удельная теплоемкость воды.

При теплообмене количество теплоты, отданное нагретым телом (металлическим цилиндром), равно количеству теплоты, полученному холодными телами (калориметром и водой): Q_отд = Q_пол, или cm(t₂ – Θ) = c₁m₁(Θ – t₁) + c₂m₂(Θ – t₁) (3)

Из уравнения теплового баланса можно найти неизвестную удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр:

(4)

Порядок выполнения работы.

1. В чайник с водой поместите цилиндр, изготовленный из металла с неизвестной удельной теплоемкостью. Воду в чайнике нагрейте до кипения.

2. Определите на весах массу внутреннего сосуда калориметра. m₁ = …, Δ m₁ =

3. Налейте воду в калориметр (менее половины объема) и определите массу калориметра с водой. m₁ + m₂ = …, Δ(m₁ + m₂) =…

4. Определите массу воды в калориметре m₂ = … Δ m₂ =…

5. Собрав калориметр, измерьте начальную температуру воды термометром. t₁ = …

6. Из чайника с кипящей водой достаньте металлический цилиндр при температуре, близкой к t₂ = 100 ⁰С, и быстро перенесите его в калориметр.

10. Измерьте температуру воды Θ при установлении теплового баланса, т.е. когда температура воды перестанет повышаться. Θ = …

8. Выньте металлический цилиндр из воды и осушив фильтровальной бумагой, определите его массу. m = … Δ m = …

9. Вычислите удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр, по формуле (4) с = … (где с₁ = 920 Дж/(кг*⁰С); с₂ = 4180 Дж/(кг*⁰С)).

10. Абсолютные погрешности измерения масс Δ m₁, Δ m₂, Δ m определяются массой минимальной разновески при взвешивании. Из-за выполнения неравенств Δ m₁<< m₁; Δ m₂<< m₂; Δ m << m погрешностями при измерении масс можно пренебречь. Поэтому относительную погрешность при косвенном измерении удельной теплоемкости можно представить выражением

11. Рассчитайте абсолютную погрешность измерения удельной теплоемкости Δс = …

12. Запишите окончательный результат.

 

Лабораторная работа № 11

Измерение электроемкости конденсатора.

Цель работы: изучить устройство плоского конденсатора и рассчитать его электроемкость.

Оборудование, средства измерения: 1) пластинки металлические – 2 шт., 2) пластинка стеклянная, 3) штангенциркуль, 4) линейка измерительная.

Теоретическое обоснование.

Электрическая емкость конденсатора – физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним:

С =Q/U (1)

В работе измеряется электроемкость плоского конденсатора – системы двух плоскопараллельных пластин площадью S, находящихся на расстоянии d друг от друга.

Пространство между пластинами заполнено диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε (вставлена стеклянная пластина толщиной d).

Вычисление электроемкости сводится к расчету разности потенциалов U между пластинами. В однородном поле плоского конденсатора с напряженностью Е между пластинами U = Ed. (2)

Напряженность Е складывается (по принципу суперпозиции) из напряженностей полей, созданных положительной Е₊ и отрицательной Е_ пластинами: Е = Е₊ + Е_. (3)

В свою очередь, в среде с относительной диэлектрической проницаемостью ε

(4) где ε₀ = 8,85*10^-12 Кл²/(Н*м²) – электрическая постоянная.

Следовательно, разность потенциалов между пластинами плоского конденсатора:

(5)

Подставляя значение U в формулу (1), находим электроемкость плоского конденсатора с диэлектриком. (6)

Электроемкость конденсатора зависит как от его геометрических характеристик (площади пластин, расстояние между ними), так и от относительной диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего пространство между пластинами. Электроемкость не зависит от заряда на пластинах и разности потенциалов, приложенной к ним.

Порядок выполнения работы.

1. Соберите из двух металлических пластин и одной стеклянной плоский конденсатор.

2. Разберите плоский конденсатор, измерьте длину а и ширину b металлической пластины линейкой. a = …; b = …. Δa =…; Δb = ….

3. Рассчитайте площадь пластин b и погрешности измерения S = …; ε =…; ΔS =…

4. Измерьте штангенциркулем толщину стеклянной пластины. d = …; Δd =….

5. Найдите относительную диэлектрическую проницаемость ε =…;

6. Рассчитайте электроемкость плоского конденсатора с диэлектриком по формуле (6)

С = …

7.Вычислите относительную и абсолютную погрешность косвенного измерения электроемкости. ε =…; ΔС = …

11. Запишите окончательный результат измерения электроемкости плоского конденсатора с диэлектриком.