Измерение работы силы упругости

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

Для выполнения этой работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 2 в составе: штатив с муфтой и лапкой, 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. И если тело под действием постоянной силы двигается прямолинейно и совершает перемещение в направлении действия силы, то сила совершает работу, равную произведению модуля этой силы и модуля перемещения:

Если же направление действия силы не совпадает с направлением перемещения тела, то в общем случае работа постоянной силы равна произведению модуля этой силы на модуль перемещения и на косинус угла между ними:

Необходимо также вспомнить, что в общем случае перемещения разных точек твёрдого тела различны. Поэтому при определении работы под перемещением обычно понимают перемещение точки приложения силы. Теперь приступим к выполнению работы. Итак, первое, что мы с вами сделаем, — это подготовим экспериментальную установку.

Далее мы с вами делаем рисунок экспериментальной установки. Для этого мы нарисуем динамометр с подвешенными на нём грузами. А рядом нарисуем линейку (если у кого есть желание, то линейку можно показать, как закреплённую в штативе динамометра, но это не обязательно). Давайте 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 вверх.

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 пружины. 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:

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:

Теперь поднесём наш динамометр с грузами к вертикально установленной линейке и, без резких движений, поднимаем грузы вдоль линейки на 50 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 50 см равна 1 Дж.