Лабораторная работа

«Измерение коэффициента трения»

Дисциплина Физика

Преподаватель Виноградов А.Б.

Нижний Новгород

2014 г.

Цель работы:  приобретение умений выполнять теоретический анализ экспериментальной задачи, выбирать метод проведения эксперимента, находить средние арифметические значения измеряемых величин и оценивать границы случайных погрешностей.

Оборудование:  наклонная плоскость, полоса бумаги, монета, измерительная линейка, брусок.

Задание:  используя предложенное оборудование, определите коэффициент трения скольжения монеты по бумаге.

Содержание работы:

Выполнение любого экспериментального задания должно начинаться с теоретического анализа поставленной задачи, чтобы отыскать возможные способы проведения эксперимента, который даст решение поставленной задачи. Рассмотрим возможный вариант такого анализа на конкретном примере.

Прежде всего, выясняем смысл поставленной задачи. Коэффициентом трения скольжения μ между поверхностями соприкасающихся тел называется отношение силы трения Fтр при относительном движении тел к силе N реакции со стороны поверхности, по которой движется тело:                 μ =   .  

Вектор N силы реакции перпендикулярен поверхности соприкосновения.

Для нахождения коэффициента трения μ нужно узнать силу трения Fтр и силу реакции N. Однако по условию задачи мы не располагаем динамометром для прямых измерений силы трения Fтр. Можно было бы вычислить силу реакции N по известным значениям массы монеты и угла наклона поверхности скольжения, но нет весов для измерения массы монеты. Следовательно, нужно искать метод выполнения эксперимента, в котором не требуются измерения силы трения и силы реакции.

Полезно всегда иметь в виду, что многие задачи в механике имеют два решения, одно из которых основано на применении законов динамики, другое - на применении законов сохранения энергии и импульса. Начнём поиск решения на основе применения закона сохранения энергии.

Представим себе, что мы положили монету на наклонную плоскость на высоте h над горизонтальной поверхностью (рис.1). Если монету отпустить, она скользит по наклонной плоскости до её основания, затем продолжает движение по горизонтальной поверхности до остановки. Изменение потенциальной энергии ΔЕп монеты равно работе сил трения при движении монеты по наклонной плоскости А1 и по горизонтальной поверхности А2:                   ΔЕп= А1+ А2,

                                m·g·h=F1·l+F2·S=µ·m·g·cosα·l+µ·m·g·S=µ·m·g··l+µ·m·g·S, m·g·h=µ·m·g·(а+S).

Из этого уравнения следует:  µ=h/(a+S)=h/b.

Мы нашли принципиальный путь возможного решения задачи, при котором для нахождения коэффициента трения в эксперименте требуется сделать только два измерения длины - начальной высоты h и пройденного по горизонтальному направлению расстояния b. Теперь можно приступить к выполнению эксперимента.

Порядок выполнения работы:

1.     Положите на наклонную плоскость полосу бумаги шириной 5-10 см. Полоса должна быть длиннее наклонной плоскости на 30-40 см, а переход с наклонной плоскости на горизонтальную поверхность должен быть плавным, чтобы монета скользила свободно.

2.     Положите монету на наклонную плоскость у её верхнего края и отпустите без толчка. Отметьте на бумаге положение края монеты. Измерьте начальную высоту h и пройденное по горизонтальному направлению расстояние b. Результаты измерений запишите в отчётную таблицу.

3.     Повторите опыт ещё  два раза и сравните систематические и случайные погрешности измерений. Если в данном эксперименте значения случайных погрешностей измерений больше значений систематических погрешностей, то повторите опыт 9 раз и найдите средние арифметические значения измеряемых величин hср и bср .

4.     Вычислите значение коэффициента трения      µ=hср/bср

5.     Вычислите среднее квадратичное отклонение S при измерениях расстояния b и оцените границы абсолютной случайной погрешности Δbслуч и относительной случайной погрешности εслуч.

              S= Δbслуч ≈ 3∙S, εслуч ≈ Δbслуч /bср.

Отчётная таблица:

Номер опыта

h

b

hср

bср

µ

S

Δbслуч

εслуч

см

см

см

см

см

см

1.      

2.      

3.      

4.      

5.      

6.      

7.      

8.      

9.      

Контрольные вопросы для самопроверки:

·        Поясните метод измерения коэффициента трения.

·        Как можно узнать, нужно ли в данном эксперименте учитывать случайные погрешности измерений?

·        Как вычисляется среднее арифметическое значение результатов повторных измерений?

·        Как вычисляется среднее квадратичное отклонение?

·        Как вычисляется граница случайных погрешностей измерений?

Литература

1. Кабардин О.Ф., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9–11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. – М.: Вербум – М, – 208 с.

2. Фирсов А. В. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей. Решение задач. М.: Издательский центр «Академия», 2012.- 632 с.

3. Физика: 3800 задач для школьников и поступающих в вузы / Авт. – сост. Н.В. Турчина, Л.И. Рудакова, О.И. Суров и др. – М.: Дрофа, 2000. – 672 с.: ил. – (Большая библиотека “Дрофы”).