Лабораторная работа по теме трения покоя (10 класс)

ФИО__________________________________________________________

Класс___________дата__________________________________________

Изучение силы трения покоя

Цели работы

выяснить свойства силы трения покоя;

определить коэффициент трения покоя.

Теоретические основы работы

Сила трения имеет электромагнитную природу, в основе ее лежат электрические силы взаимодействия молекул. Силы трения возникают при соприкосновении твёрдых тел и направлены вдоль поверхности соприкосновения противоположно относительному перемещению. Очевидно, что силы трения действуют на обе соприкасающиеся поверхности, при этом они равны по величине и противоположны по направлению. Если перемещения не происходит, между соприкасающимися телами действуют силы трения покоя.

Сила трения покоя не имеет однозначной величины, она принимает такое значение, при котором выполняется второй закон Ньютона. При изменении внешнего воздействия соответственно меняется сила трения покоя. На рис.1а к телу приложена параллельно поверхности сила F₁ такая, что тело сохраняет состояние покоя. Очевидно, что сила трения покоя по модулю равна этой силе F₁. Если увеличивать силу F, увеличится и сила

трения покоя (рис1б). При некотором определенном значении силы F_max тело сдвинется и начнёт скользить, сила трения покоя принимает максимальное значение (рис2а).

Максимальное значение силы трения покоя зависит

1. от свойств соприкасающихся поверхностей: материалов, качества обработки поверхностей, чистоты, наличия смазки - всё это определяется коэффициентом трения:

2. от «степени проникновения» неровностей одной поверхности между неровностями другой поверхности (сравните рис.2а и 2б), а это определяется силой давления одной поверхности на другую или равной ей по величине силой реакции опоры N.

Таким образом, максимальное значение силы трения покоя определяется формулой:

(1)

Если сила, приложенная к телу параллельно поверхности, больше F_тр.пок._mаx, тело скользит по поверхности. При этом на него действует сила трения скольжения. Сила трения скольжения так же, как и сила трения покоя, направлена вдоль поверхности соприкосновения в сторону противоположную относительной скорости и пропорциональна силе давления тела на поверхность:

(2)

Коэффициент трения скольжения несколько меньше коэффициента трения покоя. Неподвижно стоящее тело труднее сдвинуть с места, чем затем равномерно перемещать по поверхности.

Непосредственное экспериментальное измерение силы трения покоя затруднительно, но её величину можно найти, используя второй закон Ньютона при условии v_.=0, a=0. Если тело покоится на горизонтальной поверхности, несмотря на действие горизонтальной силы F, в любой момент справедливо равенство F=F_тр._пк Экспериментальное наблюдение и измерение силы F, равной силе трения, возможно произвести с применением датчика силы.

Коэффициент трения можно вычислить, используя формулу (1):

(3)

Для определения коэффициента трения покоя можно применить другой способ, не связанный с измерением сил трения и давления. Положим брусок на наклонную плоскость, составляющую угол α с горизонтом. Пусть угол α настолько мал, что брусок не соскальзывает, а покоится на наклонной плоскости. Применив второй закон Ньютона при условии а=0, можно найти действующую на брусок силу трения покоя (рис.3а):

(4)

Постепенно увеличиваем угол наклона плоскости. При этом в соответствии с формулой (4) растет и сила трения покоя. При некотором значении угла α_пред брусок начнет перемещаться, скользить по наклонной плоскости - сила трения покоя достигла максимального значения, определяемого формулой (1).

,

где сила реакции опоры

cosα_пред .

Для предельного угла получаем соотношение:

или после преобразований:

(5)

Тангенс предельного угла равен отношению высоты наклонной плоскости H к длине её основания S (см. рис.3б), и равен коэффициенту трения покоя.

Оборудование:

• опорная деревянная линейка,

• деревянный брусок,

• набор грузов,

• тяга,

• штатив с муфтами и лапками

• датчик силы

• КПК и/или ПК

• Измерительный Интерфейс

Монтаж экспериментальной установки

1. Соберите экспериментальную установку в соответствии с рис.4.

2. Подключите датчик силы.

Параметры измерений:

• Замер 25 измерений в секунду;

• Длительность - 500.

Порядок проведения эксперимента

Опыт 1. Определение веса бруска.

1. Настройте КПК или ПК для проведения опыта.

2. Закрепите датчик силы на штативе. Подвесьте брусок на крюк датчика силы.

3. Начните регистрацию, добейтесь устойчивых показаний, и остановите регистрацию.

4. Сохраните данные эксперимента

5. (название)

   опыта

   Количество

   грузов

   на бруске

   Вес бруска

   с грузами,

   Н

   

   Н

   μ

   μ _ср

   Δ μ

   Δ μ _ср

   1

   
   
   

   2

   
   
   

   3

   
   
   

   4

   0

   
   
   

   1

   
   
   

   2

   
   
   

   3

   
   
   

   
   
   

   
   
   

   
   
   

   
   
   

   
   
   

   
   
   

   Запишите вес бруска в таблицу.

Опыт 2. Определение зависимости силы трения покоя от приложенной горизонтальной силы.

1. Положите брусок на горизонтальную линейку, на брусок установите один груз;

2. Соедините датчик силы с бруском;

3. Начните регистрацию данных.

4. Медленно тяните датчик силы и наблюдайте увеличение силы трения покоя до момента начала скольжения.

5. Остановите регистрацию данных. Сохраните результат.

6. Значение силы, равной максимальной силе трения покоя, запишите в таблицу.

Опыт 3. Повторите шаги 1-6, установив на брусок два груза.

Опыт 4. Повторите шаги 1-6, установив на брусок три груза.

Обработка результатов измерений

А.Выяснить зависимость силы трения покоя от времени при увеличении приложенной силы:

1. На КПК или ПК откройте по очереди файлы данных опыта 2.

2. Распечатайте графики или постройте их на миллиметровке, используя табличные данные. Миллиметровку с графиком или примерный его вид можно поместить здесь (не забудьте подписать оси координат!):

3. Объясните форму графиков.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

Б. Рассчитать величину коэффициента трения покоя.

1. По результатам каждого опыта рассчитайте вес бруска с грузами и занесите в таблицу.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

2. По формуле =F_тр.пк./N, где N равно весу бруска с грузами, рассчитайте коэффициент трения  для каждого опыта и занесите в таблицу.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

3. Вычислите среднее значение коэффициента трения _ср, занесите в таблицу.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

4. Вычислите модули отклонения значений от среднего значения коэффициента трения по формуле Δ=/_ср - /_., занесите в таблицу.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

5. Вычислите среднее значение Δ_ср., занесите в таблицу.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

6. Запишите результат экспериментов по форме: = _ср+_ Δ_ср

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

7. Постройте график зависимости максимальной силы трения покоя от веса бруска с грузами (равного силе нормальной реакции опоры).

Распечатайте графики или постройте их на миллиметровке, используя табличные данные. Миллиметровку с графиком или примерный его вид можно поместить здесь (не забудьте подписать оси координат!):

Дополнительное задание

Определите коэффициент трения покоя по предельному углу.

1. Закрепите конец линейки в лапке штатива. Муфту установите на минимально возможной высоте.

2. Положить на линейку брусок с одним грузом.

3. Медленно поднимайте муфту по штативу, пока брусок не начнет соскальзывать.

4. Закрепите муфту в этом положении.

5. Измерьте высоту Н и длину S (см. рис 3б).

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

6. Вычислите коэффициент трения покоя и сравнить со значением, полученным другим способом.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

Вопросы для предварительного опроса и защиты ЛР

1. Каково происхождение силы трения покоя?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

1. От чего зависит сила трения?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

2. Что такое коэффициент трения, от чего он зависит?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

3. Почему не сразу удается сдвинуть брусок?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

4. Какие величины измеряются при выполнении лабораторной работы?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

5. Какие величины нужно рассчитать при обработке результатов экспериментов?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

6. Какой вид должен иметь график зависимости максимальной силы трения покоя от веса бруска с грузами (равного силе нормальной реакции опоры)?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

7. Выведите формулу для определения коэффициента трения покоя по предельному углу.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________