Лабораторная работа 6, страница 33 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Исаченкова, Громыко

В данной лабораторной работе исследуется сила трения. Ниже приведены ответы на теоретические вопросы и пояснения к экспериментальным шагам.

1) Когда возникает сила трения скольжения? качения?

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело скользит (движется) по поверхности другого тела. Она направлена против относительного движения тел и препятствует их скольжению друг относительно друга. Например, при движении саней по снегу или движении бруска по поверхности стола.

Сила трения качения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого тела. Она также направлена против движения и препятствует качению. Например, при движении колеса автомобиля по дороге или качении шарика по плоскости.

2) Как измерить силу трения?

Силу трения можно измерить, используя динамометр. Для этого тело, к которому приложена сила трения, необходимо равномерно тянуть динамометром по поверхности. В случае равномерного движения (с постоянной скоростью) сила тяги, показываемая динамометром, будет численно равна силе трения, так как по первому закону Ньютона, если скорость постоянна, равнодействующая сил равна нулю. То есть, сила тяги $F_{тяги}$ равна силе трения $F_{тр}$ ($F_{тяги} = F_{тр}$).

1. Измерьте с помощью динамометра и занесите в таблицу вес деревянного бруска с отверстиями (рис. 1).

Данный шаг требует проведения физического измерения. Необходимо подвесить деревянный брусок к динамометру и зафиксировать показания, которые будут равны весу бруска $P_1$.

2. Равномерно перемещая с помощью динамометра брусок по горизонтальной поверхности деревянной доски (рис. 2), измерьте и занесите в таблицу значение силы трения скольжения $F_{тр}$, которая численно равна силе упругости пружины динамометра. Измерения повторите не менее трех раз, найдите среднее значение силы трения $\left<F_{тр}\right>$.

Данный шаг требует проведения эксперимента. Брусок необходимо положить на деревянную доску и тянуть его динамометром с постоянной скоростью. Показания динамометра, соответствующие силе трения скольжения, следует записать для каждого из трех опытов. После этого вычисляется среднее арифметическое значение силы трения по формуле $\left<F_{тр}\right> = \frac{F_{тр1} + F_{тр2} + F_{тр3}}{3}$.

3. Повторите измерения, передвигая брусок поочередно с одним и тремя грузами.

Этот шаг является продолжением экспериментального исследования. Для этого необходимо сначала поместить один груз на брусок, измерить его общий вес $P_2$ (брусок + груз), а затем повторить процедуру измерения силы трения скольжения по деревянной доске, как описано в пункте 2, найдя среднее значение $\left<F_{1тр}\right>$. После этого на брусок помещаются три груза, измеряется их общий вес $P_3$ (брусок + три груза), и снова измеряется сила трения скольжения по деревянной доске, находя среднее значение $\left<F_{3тр}\right>$. Ожидается, что с увеличением веса (или нормальной силы реакции опоры) сила трения будет увеличиваться.

Вычисления.

Для выполнения этого раздела необходимо иметь данные измерений из предыдущих пунктов. Здесь следует провести все необходимые вычисления средних значений силы трения для различных условий (без груза, с одним грузом, с тремя грузами), а также рассчитать коэффициенты трения, если это требуется. Например, среднее значение силы трения скольжения рассчитывается как:

$ \left<F_{тр}\right> = \frac{\sum_{i=1}^{n} F_{тр_i}}{n} $

где $F_{тр_i}$ — значение силы трения в i-м измерении, а $n$ — количество измерений (в данном случае 3).

Сделайте вывод о причинах изменения силы трения.

На основании проведенных измерений (при условии их выполнения), можно сделать вывод, что сила трения скольжения зависит от веса тела (силы нормального давления). Чем больше вес тела, тем больше сила трения. Это связано с тем, что увеличение нормального давления приводит к увеличению площади фактического контакта между поверхностями на микроуровне, а также к усилению межатомных и межмолекулярных взаимодействий (адгезии) и деформации микронеровностей.

4. Сохраняя на бруске три груза, измерьте силу трения скольжения бруска по пластмассе.

Данный шаг также требует проведения эксперимента. Необходимо переложить брусок с тремя грузами на пластмассовую поверхность и, используя динамометр, равномерно перемещать его, измеряя силу трения скольжения. Измерения следует повторить не менее трех раз и найти среднее значение силы трения $\left<F_{4тр}\right>$.

5. Сравните среднее значение силы трения скольжения бруска с тремя грузами по деревянной поверхности и силу трения скольжения по пластмассовой поверхности. Сделайте вывод.

При сравнении средних значений силы трения скольжения бруска с тремя грузами по деревянной и пластмассовой поверхностям, ожидается, что значения будут различаться. Сила трения зависит от рода поверхностей, соприкасающихся тел. Чем более гладкими или менее "цепкими" являются поверхности, тем, как правило, меньше сила трения. Дерево и пластмасса имеют разные коэффициенты трения, что приводит к разным значениям силы трения при одинаковой нормальной силе.

6. Используя брусок с тремя грузами, измерьте силу трения качения, подложив под брусок цилиндрические палочки.

Этот экспериментальный шаг включает измерение силы трения качения. Для этого брусок с тремя грузами устанавливается на две или более цилиндрические палочки (например, карандаши), которые, в свою очередь, лежат на деревянной доске. Затем брусок тянется динамометром, перемещаясь вместе с палочками. Сила, необходимая для равномерного движения, будет равна силе трения качения. Измерения повторяются несколько раз, и находится среднее значение силы трения качения $\left<F_{кач}\right>$.

7. Сравните силу трения скольжения и силу трения качения. Сделайте вывод.

При сравнении силы трения скольжения (измеренной с тремя грузами на деревянной поверхности) и силы трения качения (измеренной также с тремя грузами на деревянной поверхности), ожидается, что сила трения качения будет значительно меньше силы трения скольжения. Это объясняется тем, что при качении происходит постоянное образование и разрушение контактных связей, но не происходит постоянного взаимного смещения поверхностей, как при скольжении. Сила трения качения обычно в десятки и сотни раз меньше силы трения скольжения, что широко используется в технике (например, в подшипниках, колесах).

a) Каковы причины возникновения силы трения?

Причины возникновения силы трения носят комплексный характер и включают: шероховатость поверхностей (даже визуально гладкие поверхности имеют микроскопические неровности, которые зацепляются друг за друга); межмолекулярное притяжение (адгезия), когда на очень близких расстояниях между молекулами соприкасающихся поверхностей возникают силы взаимного притяжения, "склеивающие" их; и деформация поверхностей, особенно микровыступов, под действием приложенных сил.

б) Почему во всех измерениях необходимо передвигать брусок равномерно?

Передвигать брусок равномерно (с постоянной скоростью) необходимо для того, чтобы сила тяги, измеряемая динамометром, была численно равна силе трения. Согласно первому закону Ньютона, если тело движется равномерно и прямолинейно (или покоится), то равнодействующая всех сил, действующих на него, равна нулю. В данном случае, сила тяги $F_{тяги}$ уравновешивает силу трения $F_{тр}$, то есть $F_{тяги} - F_{тр} = 0$, или $F_{тяги} = F_{тр}$. Если бы движение было неравномерным (ускоренным или замедленным), то пришлось бы учитывать силу инерции, и показания динамометра не были бы равны только силе трения.

9. Сделайте выводы.

На основании проделанной лабораторной работы можно сделать следующие выводы: сила трения скольжения зависит от силы нормального давления (веса тела), причем чем больше вес, тем больше сила трения; сила трения скольжения зависит от рода материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся поверхности; сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения при прочих равных условиях; и, наконец, сила трения практически не зависит от площади соприкосновения тел (это можно проверить в суперзадании).

10. Исследуйте, как зависит значение силы трения скольжения от площади соприкосновения трущихся поверхностей тел.

Для исследования этой зависимости необходимо провести эксперимент, используя брусок и изменяя площадь его соприкосновения с поверхностью. Например, брусок можно положить на широкую грань, а затем на узкую грань, сохраняя при этом тот же вес (ту же нормальную силу). При каждом положении следует измерить силу трения скольжения. Ожидается, что при неизменном материале поверхностей и неизменной нормальной силе сила трения скольжения практически не будет зависеть от площади соприкосновения. Это одно из важных свойств силы трения, объясняемое тем, что хотя при увеличении номинальной площади контакта число микровыступов увеличивается, среднее давление на каждый микровыступ уменьшается, и общая площадь фактического контакта (где происходит адгезия и зацепление) остается примерно постоянной.