07. Обновлённая виртуальная лабораторная работа по физике - «Нахождение коэффициента трения методом предельного угла» https://efizika.ru/html5/07/index.html.

Цель работы: Экспериментальное изучение закономерностей сухого трения. Определить коэффициент трения деревянного бруска на поверхностях из разных материалов.

Приборы и принадлежности: Прибор для изучения движения тел по наклонной плоскости из разных материалов, штатив с муфтой и лапкой, деревянный брусок изменяемой массы, транспортир, аналоговый секундомер, блок управления.

07. Updated virtual laboratory assignments in physics – «Determination of the Coefficient of Friction Using the Method of the Limiting Angle» - https://efizika.ru/html5/07/indexe.html.

Purpose of the work: Experimental study of the patterns of dry friction. To determine the coefficient of friction of a wooden block on surfaces made of different materials.

Instruments and equipment: Device for studying the motion of bodies on an inclined plane made of different materials, stand with clamp and holder, wooden block with variable mass, protractor, analog stopwatch, control unit.

Виртуальная лабораторная работа по физике

Нахождение коэффициента трения методом предельного угла

Цель работы:

1. Экспериментально определить коэффициент трения скольжения для различных пар материалов.

2. Исследовать зависимость коэффициента трения от угла наклона плоскости и материала поверхностей.

3. Освоить метод расчета погрешностей измерений.

Часть 1: Теоретическое введение

Когда тело лежит на наклонной плоскости, на него действуют три силы:

• Сила тяжести (Fтяж = m*g) направлена вертикально вниз.

• Сила реакции опоры (N) направлена перпендикулярно плоскости.

• Сила трения покоя (Fтр) направлена вдоль плоскости вверх, против возможного движения.

Силу тяжести раскладывают на две составляющие:

• Скатывающая сила (Fск) направлена вдоль плоскости: Fск = m*g*sin(α)

• Сила давления на плоскость (Fд) направлена перпендикулярно плоскости: Fд = m*g*cos(α)

Условие равномерного скольжения: Тело движется равномерно вниз по плоскости, когда скатывающая сила равна силе трения скольжения.
Fтр = Fск

Сила трения скольжения вычисляется по формуле:
Fтр = μ * N
где μ — коэффициент трения скольжения, который нам нужно найти.

Так как при равномерном движении N = Fд = m*g*cos(α), получаем:
μ * m * g * cos(α) = m * g * sin(α)

Сокращаем массу (m) и ускорение свободного падения (g):
μ * cos(α) = sin(α)

Окончательная расчетная формула:
μ = tan(α)

Важный вывод: Коэффициент трения скольжения численно равен тангенсу угла наклона плоскости, при котором тело начинает двигаться равномерно (или только начинает двигаться, для коэффициента трения покоя).

Часть 2: Виртуальный эксперимент

Оборудование:

• Наклонная плоскость (транспортир для измерения угла).

• Брусок с сменными поверхностями (дерево, металл, резина).

• Линейка (альтернативный метод).

• Протокол для записи результатов.

<div style="border: 1px solid #ccc; padding: 15px; margin: 10px 0; background-color: #f9f9f9;"> <h3>🔬 Интерактивный эксперимент</h3>

<label for="materialBlock">Материал бруска:</label>
<select id="materialBlock">
<option value="0.3">Дерево по дереву</option>
<option value="0.4">Металл по дереву</option>
<option value="0.6">Резина по дереву</option>
<option value="0.1">Лёд по льду</option>
</select>

<label for="angle">Угол наклона плоскости, α (°):</label>
<input type="range" id="angle" min="0" max="45" step="0.5" value="10" oninput="updateExperiment()">
<span id="angleValue">10.0</span>

<div id="experimentResult"> <strong>Состояние:</strong> Брусок покоится. <br> <strong>Fск</strong> < <strong>Fтр</strong> </div> <br>

<button onclick="findCriticalAngle()">🎯 Найти критический угол (начало равномерного скольжения)</button>

</div><script> // Эта часть имитирует работу скрипта. В реальности здесь был бы JavaScript. function updateExperiment() { // Код для обновления положения бруска и расчета сил console.log("Эксперимент обновлен!"); } function findCriticalAngle() { // Код для автоматического поиска угла, при котором брусок начнет двигаться alert("В реальной интерактивной лаборатории брусок начал бы медленно и равномерно скользить при угле ~17 градусов."); } // Синхронизация ползунка и значения document.getElementById('angle').oninput = function() { document.getElementById('angleValue').textContent = this.value; updateExperiment(); } </script>

Часть 3: Выполнение измерений и расчетов

Метод 1: Непосредственное измерение угла

1. Установите брусок на плоскость.

2. Плавно увеличивайте угол наклона α.

3. Зафиксируйте угол α₀, при котором брусок приходит в состояние равномерного скольжения.

4. Повторите опыт 5 раз для каждого материала, рассчитайте среднее значение.

5. По формуле μ = tan(α₀) вычислите коэффициент трения.

Таблица для записи результатов:

Метод 2: Измерение с помощью линейки (альтернативный)

Если нет транспортира, можно измерить высоту (h) и длину (L) основания наклонной плоскости в момент начала скольжения.
μ = tan(α) = h / L

Часть 4: Расчет погрешностей

Для Метода 1 (угол):

• Абсолютная погрешность измерения угла: Δα = 0.5° (половина цены деления транспортира).

• Погрешность коэффициента трения рассчитывается по формуле:
  Δμ = (1 / cos²(α)) * (Δα * π/180) (где Δα переведена в радианы).

  Для нашего примера:
  Δμ = (1 / cos²(17.16°)) * (0.5 * 3.1416/180) ≈ (1 / 0.914) * 0.0087 ≈ 0.0095

Окончательный результат для дерева по дереву:
μ = 0.309 ± 0.010
ε_μ ≈ 3.2% (относительная погрешность)

Часть 5: Контрольные вопросы и вывод

1. Вопрос: Почему масса бруска не влияет на результат определения коэффициента трения?
   Ответ: Потому что масса сокращается в итоговой формуле, так как и сила трения, и скатывающая сила пропорциональны массе.

2. Вопрос: Чем отличается коэффициент трения покоя от коэффициента трения скольжения? Какой из них обычно больше?
   Ответ: Коэффициент трения покоя (μ_покоя) соответствует моменту начала движения, а скольжения (μ_скольж) — поддержанию равномерного движения. Обычно μ_покоя > μ_скольж.

3. Вопрос: Как изменился бы ход работы, если бы плоскость была не деревянной, а, например, стеклянной?
   Ответ: Коэффициент трения зависит от пары материалов. Изменив материал плоскости, мы исследуем другую пару (например, "дерево-стекло"), и значение μ будет другим.

Вывод:
В ходе виртуальной лабораторной работы был экспериментально определен коэффициент трения скольжения для пары "дерево-дерево". Он составил μ = 0.309 ± 0.010. Результат хорошо согласуется с табличными значениями. Подтверждена независимость коэффициента трения от массы тела и его зависимость от материалов трущихся поверхностей. Освоен метод определения коэффициента трения через тангенс угла наклона плоскости.

Эта обновлённая работа сочетает в себе теорию, интерактивность, чёткую структуру измерений и современный подход к представлению данных и анализа погрешностей.