Лабораторная работа № 7 Градуировка динамометра и измерение сил

Определения и обозначения

Динамометр — прибор для измерения силы. Его действие основано на деформации пружины: под действием силы пружина изменяет свою длину, а указатель перемещается по шкале. Это определение помогает понять, почему сила становится видимой на приборе. По показанию шкалы можно сравнивать силы и записывать их значения.

Градуировка динамометра — нанесение на шкалу отметок, которым соответствуют известные значения силы. При градуировке прибору сообщают известные силы и отмечают положения указателя. Так шкала перестаёт быть просто набором черточек: каждой её отметке соответствует определённое значение. Градуировка нужна, чтобы по положению указателя находить силу.

Цена деления шкалы — значение силы, приходящееся на одно деление. Чтобы её найти, выбирают две соседние подписанные отметки, вычисляют разность их значений и делят на число промежутков между ними. Например, между 0 Н и 2 Н может быть несколько равных промежутков, поэтому недостаточно просто посмотреть на числа у отметок. Цена деления показывает, какому изменению силы соответствует один шаг указателя.

Предел измерения — наибольшее значение силы, которое можно измерить данным динамометром. Обычно оно соответствует последнему значению на шкале. Этот показатель нужен, чтобы заранее понять, подходит ли прибор для измерения. Нельзя считать надёжными показания за пределами шкалы.

Как это устроено

Когда к динамометру прикладывают силу, пружина деформируется — меняет форму или длину. При обычной работе пружина стремится вернуться в исходное состояние, поэтому её называют упругой. Чем больше сила в пределах рабочего диапазона прибора, тем сильнее растягивается пружина и тем дальше перемещается указатель. Связь между удлинением и силой позволяет использовать шкалу для измерений.

Чтобы проградуировать шкалу, сначала находят положение указателя без нагрузки и принимают его за нулевую отметку. Затем к динамометру прикладывают известную силу и отмечают положение указателя, потому что теперь известно, какое значение должно стоять у этой отметки. Повторяя действие с другими известными силами, получают несколько опорных отметок. Нулевое положение необходимо: от него отсчитывают показания при дальнейших измерениях.

Между известными отметками часто нужно определить значения, которых отдельно не задавали. Если промежутки шкалы одинаковы и зависимость указателя от силы равномерна, промежуток между отметками делят на равные части. Каждой части соответствует одинаковое изменение силы. Например, если между 0 Н и 2 Н четыре одинаковых промежутка, на каждый приходится 0,5 Н. Так получают значения для промежуточных делений, не прикладывая отдельно каждую возможную силу.

При измерении исследуемую силу прикладывают к крючку прибора. Динамометр удерживают так, чтобы указатель мог свободно перемещаться: если он задевает корпус или застрял, его положение не отразит действие силы правильно. Показание снимают после того, как указатель остановился, иначе можно прочитать промежуточное значение. На шкалу смотрят прямо, чтобы положение черточки не казалось смещённым.

Результат измерения записывают числом и единицей силы — ньютоном, который обозначают Н. Одного числа недостаточно: запись «2» не сообщает, какую физическую величину и в каких единицах измерили. Перед измерением проверяют ноль, чтобы ошибка прибора не перешла в результат. Также сверяют силу с пределом шкалы, поскольку за максимальной отметкой прибор уже не обеспечивает правильного измерения.

Градуировка и применение динамометра

Используйте таблицу как последовательный план: переходите к следующему этапу только после проверки предыдущего. Особенно внимательно считайте промежутки между отметками, а не сами черточки. В конце убедитесь, что измеренная сила не превышает предел шкалы.

Разбор задач

Задача 1. Между отметками 0 Н и 2 Н на шкале четыре одинаковых промежутка. Нужно найти цену деления. Она показывает, на сколько ньютонов изменяется сила при переходе от одного деления к следующему. Поэтому разность значений крайних отметок надо разделить на число промежутков.

1. Находим разность значений отметок: 2 Н − 0 Н = 2 Н.
2. Считаем именно промежутки: их четыре, а не пять отметок с учётом границ.
3. Делим разность на число промежутков: 2 Н / 4 = 0,5 Н.

Ответ: цена деления равна 0,5 Н. Проверка: четыре деления по 0,5 Н дают в сумме 2 Н, то есть значение верхней отметки.

Задача 2. После градуировки указатель остановился на третьем делении от нуля, а цена деления равна 0,5 Н. Требуется определить силу. Каждое деление соответствует одинаковому добавлению силы, поэтому три деления дают три таких добавления. Значение находим умножением числа делений на цену одного деления.

1. Записываем число делений от нуля: 3.
2. Умножаем на цену деления: 3 × 0,5 Н = 1,5 Н.
3. Проверяем единицу: поскольку цена деления дана в ньютонах, результат также выражен в ньютонах.

Ответ: динамометр показывает 1,5 Н. Отсчёт ведётся именно от нуля, а не от края шкалы.

Задача 3. Динамометр показывает 1,6 Н, когда пружина растянута на 4 см. Нужно узнать силу при растяжении 7 см, если связь линейная, а шкала проградуирована до 3 Н. При линейной зависимости во сколько раз увеличивается удлинение, во столько же раз увеличивается сила. После вычисления обязательно проверим предел измерения: превышать его нельзя.

1. Находим силу, приходящуюся на 1 см удлинения: 1,6 Н / 4 см = 0,4 Н/см.
2. Умножаем это значение на 7 см: 0,4 Н/см × 7 см = 2,8 Н.
3. Сравниваем результат с пределом: 2,8 Н меньше 3 Н, значит, он находится в диапазоне шкалы.

Ответ: при растяжении на 7 см динамометр покажет 2,8 Н. Если бы расчёт дал значение больше 3 Н, измерять такую силу этим прибором было бы нельзя.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать цену деления по числу подписанных отметок, а не по промежуткам между ними. Её легко допустить, если пересчитывать черточки вместе с крайними отметками: например, между 0 Н и 2 Н может быть пять черточек, но только четыре промежутка. Проверьте себя, указав пальцем на каждый участок между соседними отметками. В формуле делителем должно быть число этих участков.

Вторая ошибка — записать показание без единицы измерения или указать сантиметры вместо ньютонов. Сантиметры могут описывать удлинение пружины, но динамометр измеряет силу. Такая путаница возникает, когда в условии одновременно встречаются сила и длина. Перед записью спросите себя, что именно измерялось, и укажите значение в ньютонах (Н).

Третья ошибка — снимать показание, пока указатель движется, или смотреть на шкалу под углом. В первом случае положение ещё не установилось, а во втором деление может казаться сдвинутым относительно указателя. Дождитесь остановки и расположите глаза напротив указателя и шкалы. Для проверки можно повторно прочитать значение, не меняя положения прибора.

Четвёртая ошибка — приложить силу, которая больше предела измерения. Показание за последней отметкой нельзя считать точным, а сильное растяжение может повредить пружину. Так происходит, если предел не проверили заранее или попытались измерить слишком большую нагрузку. Сначала найдите максимальное значение шкалы, а при превышении выберите прибор с большим пределом.

Связь с другими темами

Для работы нужно знать, что такое сила, как её обозначают и в каких единицах измеряют. Силу измеряют в ньютонах, поэтому это название и обозначение единицы используют при записи показаний. Нужно также различать силу и длину: удлинение пружины можно измерять в сантиметрах, но результат измерения силы записывают не в них. Эти знания помогают правильно читать условие и оформлять ответ.

Понимание силы тяжести и веса тела позволяет использовать знакомые силы для градуировки и практических измерений. Не менее важны сведения о деформации и упругости: пружина меняет длину под действием силы и может возвращаться к исходной форме. Градуировка связывает наблюдаемое удлинение с числовым значением силы. Если пружина перестала работать упруго, показания прибора могут стать неверными.

Навык градуировки и измерения пригодится при изучении взаимодействий тел: сила показывает, как тела действуют друг на друга. Он понадобится и в следующих лабораторных работах, где нужно пользоваться измерительными приборами и записывать результаты. Умение оценивать предел измерения помогает выбрать подходящий прибор. Точность измерений зависит не только от шкалы, но и от аккуратности выполнения работы.

Что запомнить

• Динамометр измеряет силу.
• Действие динамометра основано на деформации пружины.
• Шкалу динамометра градуируют с помощью известных сил.
• Цену деления находят, деля разность значений соседних подписанных отметок на число промежутков между ними.
• Силу записывают в ньютонах.
• Перед измерением проверяют ноль и предел измерения прибора.