Сравнение работы сил и изменения кинетической энергии

Работа 6. Сравнение работы сил и изменения кинетической энергии (10 класс)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Определить работу сил над телом и определить изменение кинетической энергии,
произошедшее в результате работы сил над телом.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
Работа постоянной силы
определению:
F
при перемещении на отрезке

r согласно

 
AF   Fr cos Fˆ r
(1)
При перемещении тела вдоль оси OX выражение приобретает вид
A(F) = Fxx
(2)
Если модуль силы при этом меняется, работа численно равна площади
криволинейной трапеции, ограниченной линией графика зависимости силы от координаты
и осью абсцисс.
Рис. 1.
Работа всех сил, действующих на тело, определяет изменение энергии тела, над
которым она совершается. Изменение кинетической энергии тела равно суммарной
работе всех сил, действовавших на тело:
(3)
W   AF 
Если на тело, лежащее на горизонтальной поверхности, в течение промежутка
времени τ действовала сила F , направленная горизонтально, и при этом сила трения
Fтр.< F (рис. 2), то при перемещении тела за это время на расстояние l1, над ним
совершена работа:
A  F   A  Ftr   A  F   Ftr l1
(4)
В результате тело прибрело скорость и, следовательно, кинетическую энергию:
Рис. 2.
2
mV0
 AF   Ftr l1
(5)
2
После окончания действия силы F тело постепенно теряет скорость под действием
силы трения:
W1 
2
mV0
 AFtr    mgl2
(6)
2
Проверка выполнения соотношений (5) и (6) является целью данной работы.
W2  0 
ОБОРУДОВАНИЕ:
 Брусок
 Отражательная пластина
 Датчик силы
 Датчик расстояния
 Регистратор данных
 Карманный компьютер (КПК) и/или ПК
МОНТАЖ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
1. Соберите установку в соответствии с рис. 3.
2. Прикрепите к бруску (1) отражательную пластину (2) и поставьте его на стол.
3. Из датчика силы извлеките крюк, закрепите датчик силы (3) и датчик расстояния
(4) на столе.
Рис. 3.
4. Подключите датчики к регистратору данных, а регистратор присоедините через
USB порт к настольному КПК или свяжите с помощью беспроводной связи с КПК.
УСТАНОВКА ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРЕНИЯ
 Частота – 10 замеров в секунду.
 Длительность – 10 секунд или вручную.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Подготовьте КПК (или ПК) для проведения опыта.
2. Если масса бруска m, коэффициент трения между бруском и поверхностью доски μ
неизвестны. Проделайте предварительные опыты по их определению (взвесьте
брусок с помощью датчика силы для определения mg и перемещайте его
равномерно по поверхности стола, прикрепив к крючку датчика силы для
определения Fтр).
3. Проведите пробный эксперимент и предварительную регистрацию данных.
Убедитесь в удачном выборе параметров измерений или выберите другие.
4. Начните регистрацию данных. Рабочей стороной датчика силы толкните брусок,
сообщая ему скорость. Остановите регистрацию после остановки бруска.
5. Сохраните результат эксперимента.
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Откройте файл опыта на КПК или ПК.
2. Выделите и отрежьте участок графиков от момента t1, начала действия силы F , до
момента t2 – окончания действия силы.
3. По графику координаты определите пройденный путь l1 и рассчитайте работу силы
трения на этом пути.
4. Для вычисления значения работы силы F откройте Редактирование графика на
Панели инструментов. В наборе данных по оси Х укажите координата, по оси У –
сила.
5. Используя Мастер анализа, произведите операцию интегрирования зависимости
силы от координаты.
6. В соответствии с формулой (5) рассчитайте работу сил на первом этапе движения
тела.
7. Произведите операцию дифференцирования графика зависимости координаты от
времени, определите максимальную скорость тела V0, соответствующую моменту
времени t2.
8. Вычислите значение максимальной кинетической энергии бруска mV02/2 и
запишите его.
9. Сравните его со значением суммарной работы сил, полученным в п. 6, сделайте
вывод о соотношении работы сил и изменении кинетической энергии при разгоне
бруска.
10. По графику координаты определите путь l2 , пройденный после окончания действия
силы F , и рассчитайте работу силы трения на этом пути.
11. Сравните работу силы трения на пути l2 со значением максимальной кинетической
энергии бруска mV02/2 и сделайте вывод о соотношении работы силы трения и
изменении кинетической энергии при остановке бруска.
12. Сохраните графики и результаты расчетов для подготовки отчета.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОПРОСА И ЗАЩИТЫ ЛР
1. Что такое работа силы? в каких единицах измеряется? как вычисляется при
движении по прямой, если модуль силы меняется во времени?
2. Чем определяется значение силы трения? Почему работа силы трения
отрицательна?
3. Сформулируйте теорему об изменении кинетической энергии тела.
4. Каков характер движения тела после прекращения действия силы F ?
5. Какие величины измеряются при выполнении лабораторной работы?
6. Какие величины нужно рассчитать при обработке результатов экспериментов?
ОТЧЕТ
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен
содержать:
 формулировку цели,
 основные формульные формулировки физических законов, описывающих
изучаемое явление,





фотографию схемы установки для проведения опыта,
значения измеряемых величин в виде таблицы,
графики зависимости измеряемых величин от времени и результаты их
обработки,
результаты расчетов,
выводы.