Тема. Вивчення умови рівноваги важеля.
Мета: перевірити дослідним шляхом, яким має бути співвідношення сил і їхніх плечей, щоб важіль перебував у рівновазі.
Обладнання: важіль; штатив із муфтою та лапкою; набір тягарців масою по 100 г; динамометр; лінійка.
Хід роботи
Підготовка до експерименту
1. Який механізм називають важелем і де застосовують важелі?
Важіль — це тверде тіло, що може обертатися навколо нерухомої осі. Важелі застосовують, щоб отримати виграш у силі, наприклад, лом, лопата, ножиці, гойдалка.
2. Що називають плечем сили?
Плечем сили називають найкоротшу відстань від осі обертання важеля до лінії дії сили.
3. Що таке момент сили?
Момент сили — це фізична величина, що дорівнює добутку сили на її плече: $M = Fd$.
4. Визначення ціни поділки та ваги тягарця.
Ціна поділки лінійки — 1 мм. Ціна поділки динамометра — 0,1 Н.
Маса одного тягарця $m = 100 \text{ г} = 0.1 \text{ кг}$.
Вага одного тягарця $P = mg = 0.1 \text{ кг} \cdot 9.8 \dfrac{\text{Н}}{\text{кг}} \approx 1 \text{ Н}$. Сила, що діє на важіль з боку одного тягарця, дорівнює 1 Н.
Експеримент та опрацювання результатів
Результати вимірювань та обчислень заносимо до таблиці.
Виправлена таблиця з результатами експерименту:
| Номер досліду | Сила $F_1$, Н (проти ходу) | Плече $d_1$, м (проти ходу) | Момент $M_1$, Н·м (проти ходу) | Сила $F_2$, Н (за ходом) | Плече $d_2$, м (за ходом) | Момент $M_2$, Н·м (за ходом) | $\dfrac{F_1}{F_2}$ | $\dfrac{d_2}{d_1}$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0,12 | 0,12 | 2 | 0,06 | 0,12 | 0,5 | 0,5 |
| 2 | 2 | 0,09 | 0,18 | 3 | 0,06 | 0,18 | 0,67 | 0,67 |
| 3 | 1,8 | 0,20 | 0,36 | 3 | 0,12 | 0,36 | 0,6 | 0,6 |
Аналіз експерименту та його результатів
- Порівнюючи відношення сил $\dfrac{F_1}{F_2}$ та відношення плечей $\dfrac{d_2}{d_1}$, можна побачити, що в кожному досліді ці значення рівні між собою. Це підтверджує правило важеля: сили, що діють на важіль, обернено пропорційні плечам цих сил.
- Порівняння моменту сили, що обертає важіль проти ходу годинникової стрілки ($M_1$), з моментом сили, що обертає його за ходом годинникової стрілки ($M_2$), показує, що ці моменти є рівними в кожному досліді ($M_1 = M_2$).
Висновок
- Проведені експерименти підтвердили умову рівноваги важеля: важіль перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, які обертають його проти ходу годинникової стрілки, дорівнює сумі моментів сил, які обертають його за ходом годинникової стрілки.
- На точність вимірювань могли вплинути такі чинники: похибка вимірювальних приладів (лінійки та динамометра), неточність у визначенні плеча сили, а також тертя в осі обертання важеля.