Меню

Измерение коэффициента трения покоя лабораторная работа



Лабораторная работа № 3 «Измерение коэффициента трения скольжения»

Цель работы: определить коэффициент трения деревянного бруска, скользящего по деревянной линейке, используя формулу Fтр = = μР. С помощью динамометра измеряют силу, с которой нужно тянуть брусок с грузами по горизонтальной поверхности так, чтобы он двигался равномерно. Эта сила равна по модулю силе трения Fтp, действующей на брусок. С помощью того же динамометра можно найти вес бруска с грузом. Этот вес по модулю равен силе нормального давления N бруска на поверхность, по которой он скользит. Определив таким образом значения силы трения при различных значениях силы нормального давления, необходимо построить график зависимости Fтр от Р и найти среднее значение коэффициента трения (см. работу № 2).

Основным измерительным прибором в этой работе является динамометр. Динамометр имеет погрешность Δд =0,05 Н. Она и равна погрешности измерения, если указатель совпадает со штрихом шкалы. Если же указатель в процессе измерения не совпадает со штрихом шкалы (или колеблется), то погрешность измерения силы равна ΔF = = 0,1 Н.

Средства измерения: динамометр.

Материалы: 1) деревянный брусок; 2) деревянная линейка; 3) набор грузов.

Порядок выполнения работы

1. Положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз.

2. Прикрепив к бруску динамометр, как можно более равномерно тяните его вдоль линейки. Замерьте при этом показание динамометра.

3. Взвесьте брусок и груз.

4. К первому грузу добавьте второй, третий грузы, каждый раз взвешивая брусок и грузы и измеряя силу трения.

По результатам измерений заполните таблицу:

Источник

Лабораторная работа по физике «Определение коэффициентов силы трения покоя и скольжения»

Определение коэффициентов силы трения покоя и скольжения

Примечание: в данной лабораторной работе используется открытый информационный источник для видеоанализа и физического моделирования Tracker (https://www.physlets.org/tracker/). Скачайте и установите программу перед началом лабораторных занятий. Мы советуем также ознакомиться с программой просмотрев предварительно несколько обучающих видео. Вот несколько ссылок, с которых можно начать ознакомление:

Обработка измерений проводится в программе Excel. В случае недоступности этой программы, обработку можно провести непосредственно в программе Tracker.

Ссылки на видео используемые в эксперименте приведены в разделе 8 – Приложения, и доступны для использования.

Целью данной лабораторной работы является экспериментальное определение коэффициентов силы трения покоя и скольжения.

Трение — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их движению относительно друг друга. Для упрощения анализа силы трения, принято выделять статическое трение (трение покоя) — силу возникающую между поверхностями находящимися в покое относительно друг друга и препятствующее возникновению относительного движения, и кинетическое трение (трение скольжения) между поверхностями находящимися в движении относительно друг друга. В обоих случаях трение направлено либо против относительного движения (в случае трения скольжения), либо против возможного направления движения (в случае трения покоя). Трение можно рассматривать как одну из составляющих единой контактной силы которая возникает между поверхностями при контакте и направленную параллельно поверхности. Сила нормальной реакции — еще одна составляющая действующая перпендикулярно поверхности контакта. Эксперименты показывают, что если к объекту находящемуся на горизонтальной поверхности применяется горизонтальная сила увеличивающаяся по величине, трение покоя будет увеличиваться соответственно, пока не достигнет максимального значения при котором движение становится неизбежным. Как только объект начинает скользить по поверхности, сила трения (теперь называемая трением скольжения) уменьшается по величине, колеблясь около определенного среднего значения (как показано на рисунке 2.1).

Рисунок 2.1 — Гр афик зависимости силы трения f от горизонтальной силы F приложенной к обьекту на горизонтальной плоскости, до и после начала скольжения.

Кроме того, эксперименты показывают, что как трение скольжения, так и максимальное значение силы трения покоя приблизительно пропорциональны величине силы нормальной реакции прикладываемой к объекту поверхностью:

где µ s и µ k называются коэффициентами силы трения покоя и скольжения, соответственно.

Коэффициенты силы трения покоя и скольжения зависят от характеристик соприкасающихся поверхностей и определяются экспериментально. Нужно отметить, что коэффициент кинетического трения зависит в общем случае от скорости относительного движения двух поверхностей, но как правило этим эффектом пренебрегают. Наиболее простым способом измерить коэффициенты статического и кинетического трения можно поместив один объект на другой, а затем наклонив их до момента начала относительного скольжения. Угол, при котором один объект начинает скользить относительно другого, называется критическим углом ( 𝜃 𝑐 ) и напрямую связан с коэффициентом статического трения:

Для заданного угла выше критического, измерение относительного ускорения дает коэффициент кинетического трения:

где — величина ускорения свободного падения, а a — величина относительного ускорения.

Оборудование и экспериментальные процедуры

1) Наклонная плоскость.

2) Брусок из металла, дерева, или пластмассы.

3) Измерительная линейка.

5) Компьютер с установленной программой Tracker.

Экспериментальная установка показана на рисунке 3.1 (представляется студентом).

Порядок выполнения работ

Поместите брусок на наклонную плоскость. Сделайте видео постепенного увеличения угла наклона плоскости до момента начала скольжения.

Установите наклонную плоскость под углом выше критического. Сделайте видео бруска скользящего вниз по наклонной плоскости.

Запустите программу Tracker и откройте в ней первое видео. Определите момент начала скольжения бруска. Создайте транспортир и измерьте им величину критического угла.

Читайте также:  Как измерить теодолитом высоту столба

Откройте второе видео. Проведите калибровку видео используя предмет известного размера. Определите координатную систему. Создайте транспортир и измерьте им величину угла наклонной плоскости.

Создайте точечную массу и используйте опцию автоматического отслеживания для измерений x — и y — координат бруска скользящего вниз по наклонной плоскости. Скопируйте данные измерений и импортируйте их в программу Excel.

Обработка результатов измерений

Обработайте данные измерений создав электронную таблицу Excel. Включите следующее:

1) Величина критического угла 𝜃 𝑐 .

2) Расчет коэффициента статического трения. Используйте измеренную величину критического угла и уравнение (3).

3) Данные o x — и y — координатах бруска скользящего по наклонной плоскости в зависимости от времени.

4) Графики x — и y -координат скользящего бруска в зависимости от времени. Графики должны содержать квадратичную регрессию с соответствующим уравнением.

5) Расчеты a x и a y ( х — и y — компонент ускорения бруска скользящего вниз по наклонной плоскости). Компоненты ускорения находятся путем удвоения числовых коэффициентов перед квадратичным членом в соответствующих уравнениях квадратичной регрессии.

6) Расчет величины полного ускорения бруска. Расчет полного ускорения производится по формуле

7) Результаты измерения угла наклонной плоскости.

8) Расчет коэффициента кинетического трения (по формуле 4).

5. Результаты и выводы

1) Приведите измеренное значение коэффициента кинетического трения.

2) Приведите измеренное значение коэффициента статического трения.

3) Проверьте соответствие ваших результатов типичным коэффициентам для данных поверхностей и оцените точность вашего эксперимента.

4) Опишите факторы (источники) систематической погрешности измерений в эксперименте.

5) Опишите факторы (источники) случайной погрешности измерений в эксперименте.

6. Дополнительные задания

Выведите формулы (3) и (4) основываясь на анализе сил действующих на брусок на наклонной поверхности. Используйте следующую диаграмму сил и их компонент ( рисунок 6.1) и связанные с ней уравнения (6), (7).

Рисунок 6.1 — Диаграмма сил действующих на брусок на наклонной поверхности.

Известно что сила трения не зависит от площади контакта между двумя поверхностями. Разработайте и опишите эксперимент, который позволил бы вам это подтвердить или опровергнуть.

1) И.В.Савельев. Курс общей физики, т. I. “Механика, колебания и волны, молекулярная физика” уч. пособ., изд. 4, М. Наука. Физматлит., 1998 г.

2) Чужков Ю.П. Общие требования и правила оформления отчета о лабораторной работе по физике. – Томск: ТУСУР, 1998.

Ниже приведен образец обработки данных в программе Excel. Данные получены путем видео анализа видео 1 и видео 2. Видео доступны для скачивания в случае невозможности воспроизведения эксперимента. Калибровка видео производится по длине наклонной плоскости составляющей 1,100 метра.

Источник

Лабораторная работа по теме «трения покоя» (10 класс)

ФИО__________________________________________________________

Класс___________дата__________________________________________

Изучение силы трения покоя

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 F 1 такая, что тело сохраняет состояние покоя. Очевидно, что сила трения покоя по модулю равна этой силе F 1. 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

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

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. m а x , 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):

Читайте также:  Инструкции проведения измерений сопротивления изоляции

(4)

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

,

где сила реакции опоры

cos αпред .

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.

Источник

Практикум «Способы определения коэффициента трения скольжения»

Разделы: Физика

(Занятие каникулярной школы для учащихся 8–9 кл.)

  • Активизация мыслительной деятельности учащихся.
  • Формирование обобщенного умения проводить физические измерения.
  • Формирование обобщенного умения проводить экспериментальную проверку физических закономерностей.
  • Формирование умения систематизировать полученные результаты в виде таблицы, умение делать вывод на основе эксперимента.

Организация проведения практикума: Все учащиеся принимающие участие в работе практикума делятся на группы. Каждая группа учащихся получает задание с кратким описанием работы.

По окончании выполнения работы учащимся необходимо составить отчет. Отчет состоит из таблицы, вычисления искомой величины и ее погрешности, вывода по работе.

I. Вступительное слово учителя:

Если положить на горизонтальную поверхность брусок и подействовать на него с достаточной силой в горизонтальном направлении, то брусок станет двигаться. Нетрудно убедиться, что в этом случае на брусок действуют четыре силы: в вертикальном направлении – сила тяжести P и сила реакции опоры Q, равные по модулю противоположные по направлению; в горизонтальном направлении – сила тяги F и противоположная по направлению сила трения Fmp.

Чтобы брусок двигался равномерно и прямолинейно, нужно, чтобы модуль силы тяги был равен модулю силы трения.

На этом основан метод измерения силы трения. Следует приложить к бруску силу тяги, которая будет поддерживать равномерное прямолинейное движение этого тела. По этой силе тяги определяют модуль силы трения.

Задание группе I.

Определите коэффициент трения скольжения при движении бруска по горизонтальной поверхности стола.

Оборудование: трибометр, деревянная линейка, деревянный бруска с тремя отверстиями; динамометр; набор грузов по механике.

Порядок выполнения работы.

  1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.
  2. Измерьте вес бруска при помощи динамометра. Результат измерения веса запишите в таблицу.
  3. Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по столу. Для этого перемещайте брусок с грузами равномерно по столу при помощи динамометра.
  4. Результат измерения запишите в таблицу.
  5. Нагружая брусок одним, двумя и тремя грузами, измерьте в каждом случае силу трения. Данные занесите в таблицу.
  6. Вычислите коэффициент трения скольжения
  7. Определите инструментальную погрешность коэффициента трения.
  8. Сделайте вывод.

Легко убедиться, что в случае движения тела по горизонтальной поверхности сила нормального давления равна силе тяжести, действующей на это тело: N = P. Это позволяет вычислить коэффициент трения:

Цена деления шкалы динамометра, ц.д = 0,1 Н.

1. Определили вес бруска и груза с помощью динамометра, записали в таблицу.

2. Двигая брусок равномерно по деревянной линейке, определили силу тяги, которая равна силе трения. Записали ее значение в таблицу.

Количество грузов Fтр, H P, H µ
Без груза 0,6 ± 0,1
Один груз 0,3 ± 0,1 1,6 ± 0,1 0,18 ± 0,06
Два груза 0,5 ± 0,1 2,6 ± 0,1 0,19 ± 0,04
Три груза 0,7 ± 0,1 3,6 ± 0,1 0,19 ± 0,03

3. Определили коэффициент трения для каждого измерения силы трения, занесли их в таблицу.

4. Определили погрешность измерения для каждого значения коэффициента силы трения.

1. Коэффициент трения равен 0,2.
2. Инструментальная погрешность измерения равна 0,06.
3. Коэффициент трения скольжения при взаимном движении тела по поверхности стола является величиной постоянной не зависящей от силы нормального давления.

2. Сравните коэффициент трения покоя, скольжения и качения. Сделайте вывод.

Оборудование: динамометр, брусок деревянный, грузы с двумя крючками – 2 шт., карандаши круглые – 2 шт.

Порядок выполнения работы.

1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.

2. Измерьте вес бруска с двумя грузами при помощи динамометра. Результат измерения веса запишите в тетрадь.

3. Измерьте максимальную силу трения покоя бруска по столу. Для этого положите брусок на стол, а на брусок два груза; к бруску прицепите динамометр и приведите брусок с грузами в движение. Запишите показания динамометра, соответствующее началу движения бруска.

4. Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по столу. Для этого перемещайте брусок с грузами равномерно по столу при помощи динамометра. Результат измерения силы запишите в тетрадь.

5. Измерьте силу трения качения бруска по столу. Для этого положите брусок с двумя грузами на два круглых карандаша и перемещайте равномерно брусок по столу при помощи динамометра. Результат измерения силы запишите в тетрадь.

6. Сделайте вывод о том, какая сила больше:
а) вес тела или максимальная сила трения покоя?
б) максимальная сила трения покоя или сила трения скольжения?
в) сила трения скольжения или сила трения качения?

Читайте также:  Энергия заряженного конденсатора напишите формулы для расчета единицы измерения

7. Сравните коэффициент трения покоя, трения скольжения и трения качения.

Цена деления шкалы динамометра, ц.д = 0,1 Н.

Вид трения Fтр, H P, H µ
Трение покоя 0,9 ± 0,1 2,6 ± 0,1 0,35
Трение скольжения 0,5 ± 0,1 2,6 ± 0,1 0,19
Трение качения 0,1 ± 0,1 2,6 ± 0,1 0,04

а) Вес тела больше чем максимальная сила трения покоя.

б) Максимальная сила трения покоя больше чем сила трения скольжения.

в) Сила трения скольжения больше чем сила трения качения.

г) При неизменном весе тела, наименьшее значение коэффициент трения имеет при качении тела, а наибольшее в случае покоя.

3. Определите коэффициент трения скольжения при движении бруска вдоль поверхности резины, нешлифованной деревянной рейки, наждачной бумаги.

Оборудование: динамометр, брусок деревянный, грузы с двумя крючками – 2 шт., отрез линолеума, деревянная нешлифованная рейка, наждачная бумага.

Порядок выполнения работы.

1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.
2. Измерьте вес бруска при помощи динамометра. Результат измерения веса запишите в таблицу.
3. Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по поверхности резины, деревянной нешлифованной линейки и по поверхности наждачной бумаги. Для этого перемещайте брусок с грузами равномерно по столу при помощи динамометра. Результат измерения запишите в таблицу.
4. Вычислите коэффициент трения скольжения.
5. Сделайте вывод.

Цена деления шкалы динамометра, ц.д = 0,1 Н.

Виды трущихся поверхностей Fтр, H P, H µ
Дерево по дереву (гладкая поверхность) 0,5 ± 0,1 2,6 ± 0,1 0,19
Дерево по дереву (нешлифованная деревянная рейка) 0,9 ± 0,1 2,6 ± 0,1 0, 35
Дерево по линолеуму 1,1 ± 0,1 2,6 ± 0,1 0, 42
Дерево по наждачной бумаге 2,6 ± 0,1

а) зависит от рода трущихся поверхностей.
б) зависит от шероховатости трущихся поверхностей.
в) чем больше шероховатости поверхности, тем коэффициент трения больше.

2. Способы увеличения или уменьшения силы трения скольжения:

Увеличить: увеличить шероховатость трущихся поверхностей, насыпать между трущихся поверхностей частицы (стружку, опилки, песок).

Уменьшить: шлифовка, полировка трущихся поверхностей, нанесение смазки.

Задание группе II.

Измерение коэффициент трения скольжения, используя наклонную плоскость

Оборудование: линейка деревянная от трибометра, брусок деревянный, линейка измерительная, штатив.

Порядок выполнения работы.

1. Используя штатив, закрепите линейку под углом к столу.
2. Положите брусок на закрепленную под углом деревянную линейку.
3. Меняя угол наклона линейки, найдите такой максимальный угол, при котором брусок еще покоится.
4. Измерьте длину основания линейки и высоту подъема линейки.
5. Рассчитайте значение коэффициента трения скольжения дерева о дерево по формуле:

6. Рассчитайте погрешность измерения.
7. Вывод.

Измерили высоту подъема и длину основания линейки.

1. Коэффициент трения равен 0,3.
2. Погрешность измерения равна 0,0016.

2. Измерение коэффициента трения скольжения, через опрокидывание бруска

Оборудование: брусок деревянный, линейка деревянная от трибометра, нить, линейка ученическая.

Порядок выполнения работы.

Теоретическое обоснование: Брусок с привязанной к длинной грани нитью поставьте торцом на горизонтальную поверхность стола и тяните за нить. Если нить закреплена невысоко над поверхностью стола, то брусок будет скользить. При определенной высоте h точки А крепления нити сила натяжения нити F опрокидывает брусок.

Условия равновесия для этого случая относительно точки – угла опрокидывания:

Согласно II закону Ньютона: F – Fтр = 0;

1. Рассчитайте по формуле значение коэффициента трения скольжения дерева о дерево.
2. Определите погрешность измерений.
3. Запишите полученный ответ с учетом допущенных погрешностей измерений.
4. Сделайте вывод.

a = 45 ± 1 мм, h = 80 ± 1 мм.

1. Коэффициент трения равен 0,28.
2. Инструментальная погрешность измерения равна 0,0098.

3. Измерение коэффициента трения скольжения с помощью карандаша.

Оборудование: карандаш, линейка деревянная от трибометра, линейка ученическая.

Порядок выполнения работы.

Теоретическое обоснование: Поставьте карандаш на стол вертикально, нажмите на него, наклоните и наблюдайте характер его падения. При небольших углах наклона к вертикали карандаш не проскальзывает относительно поверхности стола при любой величине силы, прижимающей его к столу. Проскальзывание начинается с некоторого критического угла, зависящего от силы трения.

Записываем второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси при угле наклона, равном критическому. (Силой тяжести mg, действующей на карандаш, по сравнению с большой силой F пренебрегаем).

1. Рассчитайте по формуле значение коэффициента трения скольжения дерева о дерево.
2. Определите погрешность измерений.
3. Запишите полученный ответ с учетом допущенных погрешностей измерений.
4. Сделайте вывод.

1. Обработка результатов

µ= tgα = sin a /cos a

1. Коэффициент трения равен 0,58.

III. Подведение итогов практикума:

Сила трения скольжения зависит:

а) От рода трущихся поверхностей.
б) От шероховатости трущихся поверхностей.
в) Прямо пропорционально от силы давления.
г) Коэффициент трения скольжения при взаимном движении тела по поверхности является величиной постоянной не зависящей от силы нормального давления.
д) Чем больше шероховатости поверхности, тем коэффициент трения больше.

Источник