III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЕСА ТЕЛА ОТ УГЛА НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ.
Нестеренко А.В.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение.

Определение веса тела во многих учебниках и источниках дается только причина возникновения и точка приложения силы, нигде не указано его конкретное направление и учащимся тяжело понять, куда все-таки направлен вес тела и как его определять. Когда тело находится на горизонтальной опоре, его вес равен силе реакции опоры по III закону Ньютона, а когда тело находится на наклонной плоскости, чему он равен: тоже силе реакции опоры, или нет? Куда направлен вес тела к центру Земли, или в сторону противоположную силе реакции опоры.

Отдельные интернет источники дают обоснования, что вес тела на наклонной плоскости зависит от силы трения http://www.alsak.ru/item/l-r-ix-3.html, и не зависит от угла наклона плоскости.

В перечнях лабораторных работ отсутствует экспериментальное определение веса тела на наклонной плоскости, и его зависимость от угла наклона наклонной плоскости.

Современное оборудование позволяет провести исследование зависимости веса тела от угла наклонной плоскости. При помощи электронных датчиков, подключаемых к устройству измерения и обработки данных (УИДОД) LabQuest мы сможем ответить на вопросы: «Как направлен вес тела на наклонной плоскости и чему он равен», «Зависит ли вес тела от силы трения?»

Формулировки определений веса тела.

Учебник физики 7 класс автор Л.Э. Генденштейн, А.Б. Кайдалов

«Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или растягивает подвес вследствие притяжения тела Землей».

Учебник физики 10 класс автор Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик:

«Вес покоящегося тела равен действующей на это тело силе тяжести».

Учебник физики 10 класса автор Тихомирова С.А.

«Сила, с которой тело действует на подвес или опору вследствие притяжения к Земле, называется весом тела».

«Если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно, то вес тела по модулю равен действующей на него силе тяжести».

«Если тело вместе с опорой движется с ускорением , направленным так же, как ускорение свободного падения, то его вес меньше действующей на тело силы тяжести».

«Если тело вместе с опорой движется с ускорением , направленным противоположно ускорению свободного падения, то его вес больше действующей на тело силы тяжести».

Учебник физики 10 класса А.А. Пинский, О.Ф. Кабардин

«Силу , равную , но приложенную к опоре, называют весом тела. Из рисунка видно, что сила на любой широте φ, отличной от 0º и 90º, не направлена к центру Земли.

Поэтому на различных широтах сила , а значит, и вес тела P имеют различные значения. Заметим, что разница невелика, она меньше или равна (на экваторе) 0,34%»

Учебник физики 10 класс Г.Я. Мякишев

«Сила, с которой тело вследствие его притяжения Землей действует на опору или растягивает подвес, называются весом тела.»

«Вес обладает особенностями, существенно отличающими его от силы тяжести.

Во-первых, вес тела определяется всей совокупностью действующих на тело сил, а не только силой тяжести (так, вес тела в жидкости или в воздухе меньше, чем в вакууме, из-за появления выталкивающей силы. Во- вторых, вес тела, существенно зависит от ускорения, с которым движется опора (подвес)».

Из источника http://www.alsak.ru/item/l-r-ix-3.html Каган И.Е. «Вес тела» 9 класс получен вывод:

«1) в инерциальных системах отсчета тело, покоящееся или движущееся равномерно прямолинейно, неизменно сохраняет свой вес на любой опоре независимо от того, каков угол наклона опоры, а также жидкая это опора или твердая;

2) в неинерциальных системах отсчета вес тела может изменяться в зависимости от ускорения тела.»

Определение зависимости веса тела от угла наклонной плоскости.

Цель работы: экспериментально определить зависимость веса тела от наклонной плоскости, и зависимости от силы трения.

Оборудование: компьютер с программным обеспечением MS Office, Logger Pro 3.8.3, устройство измерения и обработки данных (УИДОД) LabQuest, цифровые датчики измерения силы с диапазоном ±10Н ±50 Н, и с диапазоном - 200 + 850Н, штативы, 2 кг гиря, нить, скотч, отвес, транспортир.

Теоретические обоснования.

Датчик силы позволяет измерить меру взаимодействия в Ньютонах, следовательно, если расположить его под различными углами и поместив сверху на него груз, то мы измерим именно вес тела. Для точности измерения, при каждом изменении угла датчик силы нужно обнулять, чтобы не внести погрешности веса самого чувствительного элемента.

Также можно измерить вес тела в движении под различными углами, если равномерно тянуть груз. Датчики фиксируют значения в течение определенного момента времени с интервалом 0,02 секунды. По построенному графику можно выделить средние значения силы. Обработку можно проводить как на УИДОДе, так и на компьютере передав значения в программу Logger Pro 3.8.3

Предположим, что вес тела на наклонной плоскости по III закону Ньютона равен по модулю силе реакции опоры, а направлен в противоположную сторону. Тогда исходя из проекций сил

Сила трения направлена вдоль наклонной плоскости и повлиять на вес тела не может. Сила реакции опоры на горизонтальной опоре равна силе тяжести.

Проведение эксперимента.

  1. Выставляем датчик силы с диапазоном - 200 + 850Н в качестве наклонной плоскости на штативах. С помощью скотча закрепляем транспортир с отвесом и выставляем датчик под углом 0, обнуляем датчик.

  1. Измеряем вес тела на горизонтальном датчике и сравниваем его со вторым датчиком на подвесе с диапазоном ±50 Н. Сила тяжести снятая с первого датчика с максимальным диапазоном 50Н показала 20Н, а сила тяжести снятая с горизонтального датчика показала 22 Н. Следовательно погрешность измерений уже составляет 2Н

  1. Построим теоретический график зависимости веса тела от угла наклонной плоскости в Excel по формуле , приняв силу тяжести равной 20 Н, так как погрешность измерения этого датчика меньше из-за меньшего диапазона измерения в 50 Н.

  1. Из анализа графика, видно, что для проведения эксперимента нужно брать углы больше 30º, так как при меньших углах изменение веса тела меньше погрешности измерения. Например, при 20º вес тела равен ≈ 19Н, то есть изменение веса тела составило 1Н при погрешности 2Н.

  2. Устанавливаем угол наклона плоскости 30º, уравновешиваем гирю 2 кг вторым датчиком, заранее обнулив данные. Измеряем вес тела и силу натяжения. Записываем полученные данные в УИДОД. Равномерно тянем груз вверх и регистрируем данные.

  1. Повторяем опыт при углах 45º и 60º , также перед измерениями обнулив датчики.

  2. Анализируем полученные данные в УИДОД или передаем их в компьютер, в программу Logger Pro 3.8.3, либо в Excel, находим средние значения и заносим в таблицу.

 

Вес тела, Н

Сила тяги, Н

градусы

в покое

в движении

в покое

в движении

30

18

16

14

12

45

14

12

14

16

60

9

8

17

19

  1. Вес тела практически не отличается от того, что тело движется или находится в движении. Незначительное уменьшение веса во время движения можно объяснить вибрационными процессами, которые действуют в вертикальной плоскости, вызывая колебания чувствительного элемента. Также этим уменьшением можно пренебречь, так как ΔР = 2Н и погрешность измерения тоже равна 2Н.

  2. Нанесем полученное значение веса тела на теоретический график зависимости

  1. Анализируя график видно, что измеренные данные попадают в данную зависимость с учетом погрешности.

Заключение.

На основе экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

  1. Вес тела уменьшается с увеличением угла наклонной плоскости, и направлен в противоположную сторону силе реакции опоры, определяется формулой

  2. Вес тела не зависит от силы трения между наклонной плоскостью и телом.

Список использованных источников и литературы.
  1. Физика 7 класс: учебник / Л.Э. Генденштейн, А.Б. Кайдалов под редакцией В.А. Орлова, И.И. Ройзена, 3-е изд., испр. – М. :Мнемозина, 2012, – 255 с.

  2. Физика 10 класс: Ч. 1: учебник / Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик; под ред. В.А. Орлова. – М.: Мнемозина, 2014. – 304 с.

  3. Физика 10 класс: учебник /С.А. Тихомирова, Б.М. Яворский. – 3-е изд., испр– М.: Мнемозина, 2012. – 304 с.

  4. Физика 10 класс: учебник /(О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Э.Е. Эвенчик и др.) под ред. А.А. Пинского, О.Ф. Кабардина; Рос. Акад. Наук, Рос. Акад. Образования, изд-во «Просвещение». – 13-е изд. – М.: Просвещение, 2011. – 431 с.

  5. Физика. Механика. 10 класс: учебник /М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др4 под ред. Г.Я. Мякишева. – 12-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2010. – 495 с.