263. Виртуальная лабораторная работа по физике «Исследование зависимости силы трения скольжения от площади соприкосновения тел, прижимающей силы, рода поверхности» - https://efizika.ru/html5/263/index.html

Цель работы: исследовать зависимость силы трения скольжения от площади соприкосновения тел, прижимающей силы и рода поверхности. Определить коэффициент трения для поверхностей

Приборы и материалы: динамометр, брусок, набор грузов массой 100 г. каждый, набор из пяти различных поверхностей.

263. Virtual laboratory assignments in physics «Investigation of the dependence of sliding friction force on the area of contact between bodies, normal force, and type of surface» - https://efizika.ru/html5/263/indexe.html

The purpose of the work: to investigate the dependence of sliding friction force on the area of contact between bodies, the normal force, and the nature of the surfaces; to determine the coefficient of friction for the surfaces.

Equipment and materials: spring scale, wooden block, set of weights (100 g each), set of five different surfaces.

Виртуальная лабораторная работа по физике

Тема: «Исследование зависимости силы трения скольжения от площади соприкосновения тел, прижимающей силы, рода поверхности»

Цель работы:

1. Экспериментально установить зависимость силы трения скольжения от площади соприкосновения тел.

2. Экспериментально установить зависимость силы трения скольжения от прижимающей силы (силы нормальной реакции опоры).

3. Экспериментально установить зависимость силы трения скольжения от рода трущихся поверхностей.

4. Определить коэффициенты трения скольжения для различных пар материалов.

Теоретическая часть (краткий конспект для ученика)

• Сила трения скольжения (F_tr) — сила, возникающая при относительном движении двух соприкасающихся тел и направленная вдоль поверхности соприкосновения против направления движения.

• Основные законы трения скольжения (эмпирические):

  1. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры (N): F_tr = μ * N, где μ — коэффициент трения скольжения (безразмерная величина).

  2. Сила трения скольжения зависит от рода трущихся поверхностей и не зависит от площади соприкосновения (при одинаковой нормальной силе).

  3. Коэффициент трения скольжения зависит от материалов и качества обработки поверхностей.

• Сила нормальной реакции опоры (N) численно равна весу тела, если оно лежит на горизонтальной поверхности и на него не действуют другие вертикальные силы. N = m * g.

Описание виртуальной установки

Интерфейс лаборатории должен включать:

1. Лабораторный стол.

2. Динамометр (цифровой, с возможностью считывания показаний в Ньютонах).

3. Набор тел разной площади:

   • Деревянный брусок с возможностью поворота на разные грани (например, размеры 100x50x20 мм, чтобы были разные площади контакта: 100x50, 100x20, 50x20).

   • Набор грузов известной массы (например, по 100 г).

4. Набор поверхностей для замены: Дерево, металл, стекло, наждачная бумага.

5. Элементы управления:

   • Кнопка "Старт" / "Стоп" для начала и окончания измерения.

   • Ползунки или кнопки для выбора поверхности стола.

   • Кнопка для добавления/снятия грузов.

   • Кнопка для изменения ориентации бруска.

   • Поле для ввода массы бруска и грузов.

6. Таблица для внесения результатов:

    

   № опыта	Масса тела, кг	Сила нормальной реакции, N (Н)	Род поверхности	Площадь соприкосновения, м²	Показание динамометра, F_tr (Н)	Коэффициент трения μ
   1
   2
   ...

Ход работы (Инструкция для учащегося)

Часть 1: Зависимость силы трения от прижимающей силы

Гипотеза: Сила трения увеличивается с увеличением силы, прижимающей тело к поверхности (силы нормальной реакции опоры).

1. Установите на стол деревянную поверхность. Положите брусок на самую большую по площади грань.

2. Прицепите динамометр к бруску. Плавно тяните за динамометр. Важно: Сила трения измеряется в момент равномерного движения бруска. В виртуальной лаборатории это можно реализовать как фиксацию показаний динамометра при установившейся скорости.

3. Запишите показание динамометра (F_tr) в таблицу. Рассчитайте силу нормальной реакции (N = m_бруска * g), где g ≈ 9.8 Н/кг. Запишите площадь соприкосновения.

4. Положите на брусок один груз. Измерьте и запишите новую силу трения. Рассчитайте новую силу нормальной реакции (N = (m_бруска + m_груза) * g).

5. Повторите опыт с 2 и 3 грузами.

6. Вывод по части 1: Постройте график зависимости F_tr(N). Сделайте вывод о виде зависимости. Определите коэффициент трения μ как тангенс угла наклона графика (μ = F_tr / N). Сравните полученные значения μ для разных опытов. Они должны быть примерно одинаковыми.

Часть 2: Зависимость силы трения от площади соприкосновения

Гипотеза: Сила трения не зависит от площади соприкосновения.

1. Вернитесь к исходному состоянию (только брусок без грузов).

2. Установите брусок на стол на грань с наибольшей площадью. Измерьте силу трения.

3. Не меняя массу (не добавляя грузы), установите брусок на грань с средней площадью. Снова измерьте силу трения.

4. Повторите опыт для грани с наименьшей площадью.

5. Вывод по части 2: Сравните значения силы трения для трех разных площадей при одинаковой силе нормальной реакции. Сделайте вывод о зависимости (или ее отсутствии) силы трения от площади соприкосновения.

Часть 3: Зависимость силы трения от рода трущихся поверхностей

Гипотеза: Сила трения зависит от материалов, из которых сделаны тела.

1. Установите брусок (без грузов) на самую большую грань.

2. Проведите серию опытов, меняя материал поверхности стола (дерево, металл, стекло, наждачная бумага).

3. Для каждого случая измеряйте силу трения.

4. Вывод по части 3: Рассчитайте коэффициент трения μ для каждой пары материалов по формуле μ = F_tr / N. Составьте рейтинг поверхностей от самой "гладкой" (наименьший μ) до самой "шероховатой" (наибольший μ).

Контрольные вопросы и задания

1. Сформулируйте основные законы трения скольжения, которые вы проверили в работе.

2. Почему в первой серии опытов сила трения увеличивалась, хотя материал и площадь оставались неизменными?

3. Объясните, почему показания динамометра в начале движения (для преодоления силы трения покоя) больше, чем при равномерном движении.

4. Как изменился бы результат работы, если бы ее проводили на Луне, где ускорение свободного падения меньше?

5. Рассчитайте, с какой максимальной силой можно тянуть за веревку, лежащую на льду (μ=0.03), чтобы она не выскальзывала из рук, если масса груза, привязанного к веревке, составляет 40 кг.