Измерение работы при подъёме груза с помощью неподвижного блока

Цель нашей работы: с помощью экспериментальной установки определить работу, совершаемую силой упругости при равномерном подъёме груза на заданную высоту с помощью неподвижного блока.

Для выполнения этой работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 6 в составе: штатив лабораторный с держателями, динамометр с пределом измерения 5 Н, линейка, а также два груза массой по сто граммов каждый.

Прежде чем приступить к работе давайте с вами вспомним, что механическая работа — это скалярная физическая величина, которая характеризует процесс перемещения тела под действием силы. Она численно равна произведению модуля этой силы, модуля перемещения и косинуса угла между направлением вектора силы и вектора перемещения:

Необходимо помнить, что в общем случае перемещения разных точек твёрдого тела различны. Поэтому при определении работы под перемещением обычно понимают перемещение точки приложения силы.

Теперь давайте вспомним, что такое блок. Итак, блок — это простой механизм, представляющий собой колесо с жёлобом, укреплённое в обойме. По жёлобу блока пропускают верёвку, трос или цепь.

Принято различать два вида блоков — подвижный и неподвижный.

Подвижный блок — это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом.

А неподвижным блоком называют такой блок, ось которого закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается.

Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг первого рода, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Тогда из условия равновесия рычага следует, что неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, но позволяет изменить её направление.

Теперь приступим к выполнению работы. Итак, первое, что мы с вами сделаем, — это подготовим экспериментальную установку. Для чего в штативе мы укрепим неподвижный блок. И перекинем через жёлоб блока нить с двумя петельками на конце.

Далее мы с вами делаем рисунок экспериментальной установки. Для этого мы нарисуем штатив с укреплённым на нём блоком. Через блок перекидываем нить. К одному из концов нити пририсуем два груза, как это сказано в условии задания. А ко второму концу — динамометр. Здесь же укажем высоту, на которую будем поднимать груз.

Теперь укажем силы, действующие на наши грузы. Во-первых, это сила тяжести, направленная вертикально вниз. И, конечно же, сила упругости пружины динамометра, направленная вдоль оси́ пружины вертикально вниз. Эта же сила будет действовать и на грузы (в действии третий закон Ньютона и определение неподвижного блока).

Запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. Как мы уже вспоминали, в общем случае работа постоянной силы равна произведению модуля этой силы на модуль перемещения и на косинус угла между ними:

Итак, грузы у нас движутся вертикально вверх. Туда же направлена и сила упругости. Получается, что угол между вектором силы и вектором перемещения равен 0°. А, как известно, .

Свяжем с нашей установкой инерциальную систему отсчёта. Тогда на основании третьего закона Ньютона при равномерном прямолинейном движении грузов сила упругости, действующая со стороны пружины на грузы, и вес грузов будут равны по модулю и противоположны по направлению (для простоты считаем, что наша нить невесомая и нерастяжимая):

С учётом вышесказанного получаем, что работа силы упругости будет равна произведению модуля силы упругости и модуля перемещения грузов:

Теперь приступаем непосредственно к работе. Вначале давайте с вами запишем значение модуля перемещения с учётом погрешности измерений, так как он нам дан по условию задания:

Теперь к одному из концов нити цепляем наши грузы, а ко второму — динамометр. Перемещение грузов будем отсчитывать от точки приложения силы упругости. Далее, без резких движений, поднимаем грузы вдоль линейки на 20 см. При этом незабываем смотреть на показания динамометра. Опыт проводим несколько раз, добившись тем самым примерно одинаковых показаний.

Результаты измерения силы упругости записываем в бланк ответов с учётом погрешности измерения:

Прямые измерения мы с вами завершили — осталось только определить работу. Подставляем значения силы упругости и модуля перемещения в расчётную формулу:

В выводе напишем, что работа силы упругости по равномерному поднятию груза на высоту 20 см с помощью неподвижного блока равна 0,42 Дж.