Учебник по предмету: Физика (Пример)
Содержание
Методика исследования и описание установки
Экспериментальные исследования показали, что свободное падение — равноускоренное движение и ускорение свободного падения g — зависит от географической широты и расстояния от центра Земли, но не зависит от массы тела, т.е. все тела в одном и том же месте Земли падают с одним и тем же ускорением.
Независимость ускорения свободного падения от массы приводит к выводу, что отношение гравитационной массы mg, которая входит в закон всемирного тяготения, к массе инертной mин, которая входит во второй закон Ньютона, есть величина постоянная. К такому результату приводят все опыты, в которых могло бы проявиться различие между инертной и гравитационной массами. А это означает, что при надлежащем выборе единиц измерения mg и mин становятся тождественными, поэтому в физике говорят просто о массе m.
Всё изложенное выше можно обосновать теоретически, рассматривая движение относительно той или другой системы отсчета.
Так, например, если свободное падение рассматривать относительно инерциальной системы отсчета (движущейся без ускорения), связанной с Землей, то оно происходит под действием силы тяготения:
, (1)
где mg – гравитационная масса тела;
М — гравитационная масса Земли;
G — гравитационная постоянная.
Эта сила вызывает ускорение:
(2)
или если центр тяжести тела поднять на высоту h, то
. (3)
Зависимость g от h будет ощутимой при соизмеримости h и R. Зависимость g от географической широты легко показать, если свободное падение рассматривать относительно неинерциальной системы отсчета, связанной с Землей, т.е. с учетом суточного вращения Земли с угловой скоростью ω.
В этом случае (рис.2) на тело массой m, находящееся на широте φ, действуют две силы: сила тяготения (1) и сила инерции:
. (4)
Сила инерции зависит от географической широты. Сила тяжести является равнодействующей этих двух сил, т.е.
. (5)
Рис. 2
Угол отклонения от самый большой на широте φ= 450 и равен 6'. Таким образом, сила тяжести совпадает по направлению с на полюсах и экваторе. Она самая большая на полюсах и самая малая на экваторе, то же можно сказать и об ускорении g. Но т.к. , то и в этом случае можно считать, что и прийти к формулам (3), (4), но, учитывая сплюснутость Земли, считать радиус Земли зависящим от географической широты. В данной работе используется высота h<<R, и поэтому зависимость g от h не учитывается.
Установка для изучения свободного падения тел состоит из вертикальной штанги с линейкой (рис. 1).
По штанге перемещаются две платформы. К верхней прикреплён электромагнит, удерживающий металлический шарик, а к нижней ловушка с контактной заслонкой. Запуск секундомера производится в момент отрыва шарика от электромагнита, а его остановка в момент достижения шариком ловушки. Изменяя положение ловушки, мы меняем h, а значит, и время падения. По значениям h и t строится график зависимости , который даёт возможность судить о том, что свободное падение – равноускоренное движение.
Ускорение свободного падения определяется из уравнения равноускоренного движения , откуда
. (6)
Порядок проведение работы
Задание 1
1. С помощью мыши задайте высоту падения шарика (2-2,5 м) и его массу (выберите один из шариков).
2. Щелкните кнопку «Старт» для начала эксперимента.
3. Занесите полученное значение времени в таблицу 1.
4. Щелкните кнопку «Сброс» и, не меняя высоту падения шарика и его массу, повторите опыт 5 раз.
5. Не меняя высоты падения шарика, измените его массу (выберите шарик другого цвета).
6. Повторите пункты 2 – 4.
7. Не меняя высоты падения шарика, измените его массу (выберите третий шарик другого цвета).
8. Повторите пункты 2 – 4.
Задание 2
9. Изменяя высоту падения шарика, замерьте время падения шарика одного цвета с десяти разных высот, каждый раз занося данные в таблицу 2.
10. При помощи калькулятора произведите вычисления предлагаемых величин.
11. Сделайте вывод о проделанной работе.
12. Ответьте на контрольные вопросы.
Обработка результатов измерений
1. По результатам, полученным при выполнении первого задания, сделайте вывод.
2. По результатам, полученным при выполнении второго задания, по формуле (6) рассчитать ускорение свободного падения для каждого опыта.
3. Погрешности для g рассчитать как при многократных измерениях.
4. Массу земли рассчитать по формуле
, (7)
где м 3/кг∙с2
м.
5. Погрешности для массы Земли определить как при многократных измерениях.
6. Постройте график зависимости .
Выдержка из текста
Цель работы: проверка законов свободного падения тел на примере падения в воздухе шариков разной массы, определение ускорения свободного падения и массы Земли.
Приборы и принадлежности: рейка с платформами и измерительной линейкой, электромагнит, секундомер, одинаковые шарики различной массы.
Список использованной литературы
Так же имеются ответы на данные контрольные вопросы
Контрольные вопросы:
1) Что называется силой тяжести?
2) Какое движение называется свободным падением?
3) Почему ускорение свободного падения не одинаково в различных точках земной поверхности?
4) Дайте определение инерциальной и неинерциальной систем отсчета.
5) Какие силы действуют на земные тела, если систему отсчета связанную с Землей считать инерциальной и неинерциальной?
