Задание №17 — МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Решение.

Для выполнения данного экспериментального задания необходимо собрать установку с использованием подвижного блока. Подвижный блок позволяет получить выигрыш в силе в 2 раза, но при этом мы проигрываем в расстоянии в 2 раза. Это означает, что для поднятия грузов на высоту $h$, свободный конец нити, к которому приложен динамометр, должен пройти путь $S = 2h$.

1) Рисунок экспериментальной установки:
На рисунке следует изобразить штатив, к лапке которого прикреплён один конец нити. Нить огибает подвижный блок, к крючку которого подвешены два груза. Второй конец нити направлен вертикально вверх и прикреплён к крючку динамометра. При равномерном подъёме динамометр показывает силу упругости нити $F_{упр}$.

2) Формула для расчёта работы силы упругости:
Работа силы упругости $A$ при равномерном подъёме вычисляется как произведение модуля силы на путь, пройденный точкой приложения силы:
$A = F_{упр} \cdot S$,
где $F_{упр}$ — показание динамометра при равномерном подъёме грузов, $S$ — путь, пройденный концом нити (при использовании подвижного блока $S = 2h$, где $h$ — высота подъёма грузов).

3) Результаты прямых измерений:
Примечание: Значение силы $F_{упр}$ зависит от веса используемых грузов (обычно один груз имеет массу 100 г, тогда два груза — 200 г, их вес $P \approx 2$ Н). С учётом подвижного блока сила составит примерно 1,1–1,2 Н (с учётом трения и веса самого блока). Приведём примерные значения, которые обычно получаются в ходе лабораторной работы.
Высота подъёма грузов по условию: $h = 10$ см = $0,1$ м.
Путь, пройденный концом нити: $S = 2h = 20$ см = $0,2$ м.
С учётом погрешности ($\Delta S = 0,2$ см):
$S = (20,0 \pm 0,2)$ см = $(0,200 \pm 0,002)$ м.
Измеренная сила упругости (примерное значение с учётом погрешности $\Delta F = 0,1$ Н):
$F_{упр} = (1,2 \pm 0,1)$ Н.

4) Значение работы силы упругости:
Подставим средние значения в формулу:
$A = 1,2 \text{ Н} \cdot 0,2 \text{ м} = 0,24 \text{ Дж}$.
(В зависимости от реального веса блока и трения в конкретном наборе значение может незначительно отличаться, например, быть в диапазоне 0,22–0,26 Дж).

Ответ: 1) Рисунок установки с подвижным блоком; 2) $A = F_{упр} \cdot S$; 3) $S = (20,0 \pm 0,2)$ см, $F_{упр} = (1,2 \pm 0,1)$ Н; 4) $A = 0,24$ Дж.

Источник: ФИПИ