Лабораторная работа №9. Определение условия равновесия рычага
В этой работе на рычаг по обе стороны от оси подвешивают грузы и добиваются, чтобы он находился в равновесии горизонтально. Для каждого опыта измеряют силы и их плечи и вычисляют моменты сил. Сравнение моментов показывает условие равновесия рычага: M₁ = M₂.
Цель работы. Экспериментально установить условие равновесия рычага: проверить, что при равновесии моменты сил, вращающих рычаг в противоположные стороны, равны.
Сделать ҚМЖ по этой темеЦели обучения
- 7.2.4.5экспериментально определять условия равновесия рычага
- 7.1.3.3знать и соблюдать технику безопасности в кабинете физики
Оборудование
- рычаг с отверстиями (линейка на оси) с балансировочными гайками
- штатив
- набор грузов по 100 г
- динамометр
- линейка
- нити или крючки для подвеса грузов
Ход работы
- 1
Установите рычаг на оси штатива и гайками на концах добейтесь, чтобы он без грузов стоял горизонтально.
- 2
Подвесьте слева от оси два груза на некотором расстоянии, например 15 см.
- 3
Справа от оси подберите число грузов и место их подвеса так, чтобы рычаг снова стал горизонтальным.
- 4
Измерьте плечи l₁ и l₂ и вычислите силы F₁ и F₂ как вес грузов: F = m·g.
- 5
Запишите данные в таблицу и вычислите моменты сил M₁ и M₂.
- 6
Повторите опыт ещё два раза с другим числом грузов и другими плечами.
- 7
Подвесьте грузы с одной стороны, а с другой стороны уравновесьте рычаг динамометром, направленным вертикально вниз; запишите показание и плечо.
- 8
Сравните моменты сил в каждом опыте и сформулируйте условие равновесия.
Краткая теория
Рычаг — твёрдое тело, которое может поворачиваться вокруг неподвижной оси (точки опоры). Примеры рычагов: качели, ножницы, гаечный ключ, лом, весло.
Плечо силы l — кратчайшее расстояние от оси вращения до линии, вдоль которой действует сила. Если груз висит на рычаге, плечо равно расстоянию от оси до точки подвеса, измеренному вдоль горизонтального рычага.
Вращающее действие силы характеризует момент силы: M = F·l. Единица момента силы в СИ — ньютон-метр (Н·м). Одна и та же сила поворачивает рычаг тем сильнее, чем больше её плечо.
Условие равновесия рычага (правило моментов): рычаг находится в равновесии, если момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки: M₁ = M₂, или F₁·l₁ = F₂·l₂. Отсюда F₁ / F₂ = l₂ / l₁: силы обратно пропорциональны своим плечам. Поэтому с помощью рычага можно получить выигрыш в силе: малой силой на длинном плече уравновесить большую силу на коротком.
Перед опытом рычаг без грузов уравновешивают гайками на концах, чтобы его собственный вес не мешал измерениям.
Виртуальный опыт
В симуляции «Механическая лаборатория» выберите режим «Силы и равновесие», затем «Рычаг». Подвешивайте грузы слева и справа от оси на разные отверстия и добивайтесь, чтобы рычаг остановился горизонтально. Для каждого равновесия запишите массы грузов и номера отверстий, найдите плечи (номер отверстия, умноженный на расстояние между соседними отверстиями) и сравните произведения F·l слева и справа.
Ещё одна симуляция по теме: Рычаг и условие равновесия
Таблица измерений
Лабораторная работа №9 · Физика, 7 класс. Определение условия равновесия рычага
Фамилия, имя, класс: ____________________ Дата: __________
| № опыта | Сила слева F₁, Н | Плечо l₁, м | Момент M₁, Н·м | Сила справа F₂, Н | Плечо l₂, м | Момент M₂, Н·м |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | ||||||
| 2 | ||||||
| 3 | ||||||
| 4 |
Расчёт и вывод
Момент силы: M = F·l; сила веса грузов: F = m·g, g ≈ 9,8 Н/кг.
Например, слева два груза по 100 г на расстоянии 15 см: F₁ = 0,2 · 9,8 = 1,96 Н, l₁ = 0,15 м, M₁ = 1,96 · 0,15 ≈ 0,29 Н·м.
Справа три груза по 100 г на расстоянии 10 см: F₂ = 2,94 Н, l₂ = 0,10 м, M₂ = 2,94 · 0,10 ≈ 0,29 Н·м. Моменты равны.
Проверка отношением: F₁ / F₂ = 1,96 / 2,94 ≈ 0,67 и l₂ / l₁ = 0,10 / 0,15 ≈ 0,67.
Расхождение моментов в процентах: (M₁ − M₂) / M₁ · 100 %. Небольшое расхождение объясняется погрешностью линейки, динамометра и трением в оси.
Шаблон вывода: В ходе работы я установил(а) условие равновесия рычага. В каждом опыте момент силы слева M₁ = … Н·м и момент силы справа M₂ = … Н·м оказались … . Значит, рычаг находится в равновесии, если … . Силы, действующие на рычаг, обратно пропорциональны … . Расхождение составило … %, его причины — … .
Контрольные вопросы
Что называют плечом силы?
Показать ответ
Кратчайшее расстояние от оси вращения рычага до линии действия силы.
Что такое момент силы и в каких единицах он измеряется?
Показать ответ
Это произведение силы на её плечо: M = F·l. Единица момента силы — ньютон-метр (Н·м).
Сформулируйте условие равновесия рычага.
Показать ответ
Рычаг находится в равновесии, если момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки: F₁·l₁ = F₂·l₂.
Слева на расстоянии 10 см висит груз весом 3 Н. Какую силу нужно приложить справа на расстоянии 30 см, чтобы рычаг был в равновесии?
Показать ответ
F₂ = F₁·l₁ / l₂ = 3 · 0,10 / 0,30 = 1 Н.
Почему перед опытом рычаг уравновешивают без грузов?
Показать ответ
Иначе собственный вес рычага создаёт дополнительный момент, и условие равновесия для грузов не выполнится точно.
Техника безопасности
- Ставьте штатив на середину стола и проверьте, что ось рычага закреплена надёжно.
- Грузы подвешивайте и снимайте по одному, придерживая рычаг рукой, чтобы он резко не качнулся.
- Следите, чтобы грузы не упали на стол или на ноги.
- Не растягивайте динамометр больше предела его шкалы.
Учителю
ҚМЖ и СОР по теме этой работы ИИ собирает в кабинете Bilim Plus Ұстаз по кодам целей обучения. Симуляцию можно выдать классу или вывести на доску.
Вопросы
- Можно ли сделать работу без оборудования?
- Да, есть виртуальная лабораторная: симуляция «Механическая лаборатория», режим «Силы и равновесие», пункт «Рычаг». Её можно выполнить на компьютере или телефоне, а оформлять результат в журнал — по требованию учителя.
- Как записать вывод?
- Приведите значения моментов сил слева и справа для каждого опыта, сравните их и сформулируйте условие равновесия рычага, указав расхождение в процентах и его причины.
- Где в жизни используется правило рычага?
- Ножницы, плоскогубцы, гаечный ключ, тачка, лом, весло и качели — всё это рычаги. Длинная ручка позволяет малой силой создать большой момент.