Лабораторная работа № 15 «Измерение силы»

Определения и обозначения

Сила — физическая величина, которая характеризует действие одного тела на другое. Например, толкая игрушечную машинку, мы действуем на неё силой. Чтобы сравнивать такие действия и получать точное значение, силу измеряют специальным прибором.

Динамометр — прибор для измерения силы. Его действие основано на растяжении пружины: под действием силы пружина растягивается, а указатель показывает значение на шкале. Динамометр нужен, когда силу нельзя определить одним лишь наблюдением и требуется численный результат.

Ньютон — единица измерения силы, обозначается Н. Это значит, что результат измерения записывают не только числом, но и названием единицы, например 2 Н. Обозначение помогает понять, что измерена именно сила, а не длина или масса.

Цена деления — значение, соответствующее одному промежутку между соседними отметками шкалы динамометра. Например, если между двумя соседними штрихами разница составляет 0,2 Н, каждый такой промежуток означает 0,2 Н. Зная цену деления, можно прочитать показание, даже если указатель остановился не на подписанной отметке.

Как это устроено

Когда одно тело действует на другое, оно может изменить его движение: например, неподвижный предмет начнёт двигаться или движущийся станет двигаться иначе. Сила может также изменить форму тела — это называют деформацией. Такое происходит, например, когда мы сжимаем мягкий мяч. Изменение движения или формы помогает заметить действие силы, хотя для точного измерения всё равно нужен прибор.

В динамометре приложенная сила растягивает пружину, и вместе с ней перемещается указатель. Пружина меняет длину не случайно: её растяжение связано с действующей силой, поэтому его можно использовать для измерения. Шкала позволяет сопоставить положение указателя с числом и единицей силы. Если убрать силу, пружина обычно возвращается к прежнему положению, если прибор не повреждён.

В динамометре есть пружина, указатель, шкала и крючок. Пружина растягивается, указатель показывает её смещение, а шкала помогает прочитать результат в ньютонах. Крючок нужен, чтобы подвесить груз или зацепить предмет, который действует на прибор силой. Все части работают вместе: без шкалы нельзя было бы удобно перевести смещение указателя в численное показание.

Чтобы определить цену деления, сначала выбери две подписанные отметки шкалы и найди разность их значений. Затем посчитай промежутки между этими отметками: промежуток — это расстояние от одного штриха до следующего, а не количество самих штрихов. Раздели разность значений на число промежутков. Например, если от 0 Н до 1 Н пять промежутков, цена деления равна 1 Н : 5 = 0,2 Н.

Перед измерением поставь динамометр так, чтобы сила действовала вдоль его оси, то есть по прямой линии прибора. Зацепи предмет за крючок или приложи силу предусмотренным способом, не дёргай прибор. Подожди, пока указатель остановится: при колебаниях его положение меняется, и показание трудно определить точно. После остановки прочитай значение по шкале и запиши его в ньютонах.

Подготовка и измерение силы динамометром

Используй таблицу по порядку: сначала подготовь прибор и разберись со шкалой, а затем измеряй. Если указатель оказался между подписанными отметками, определи значение по цене деления. Перед записью проверь, что указатель остановился и к числу добавлена единица Н.

Разбор задач

Задача 1. На шкале динамометра между отметками 0 Н и 1 Н пять одинаковых промежутков. Определите цену деления. Чтобы ответить, нужно узнать, какая часть одного ньютона приходится на каждый из пяти равных промежутков.

1. Найди разность значений подписанных отметок: 1 Н − 0 Н = 1 Н.
2. Посчитай промежутки: их пять. Раздели разность на их число: 1 Н : 5 = 0,2 Н.
3. Проверь смысл результата: пять промежутков по 0,2 Н составляют 1 Н.

Ответ: цена деления равна 0,2 Н.

Задача 2. Указатель динамометра остановился на отметке 2 Н. Запишите результат измерения силы. Здесь значение уже показано на шкале, поэтому вычислять цену деления не требуется, если указатель стоит точно на подписанной отметке. Осталось правильно оформить результат.

1. Считай со шкалы число, на которое указывает стрелка: это 2.
2. Определи единицу измерения: шкала показывает силу в ньютонах.
3. Запиши число вместе с единицей, чтобы было понятно, что именно измерено.

Ответ: сила равна 2 Н.

Задача 3. При подвешивании груза указатель остановился между отметками 3 Н и 4 Н. Между ними четыре равных промежутка, указатель находится на третьем. Чтобы найти показание, сначала вычислим цену деления, а затем отсчитаем три промежутка от отметки 3 Н.

1. Найди разность подписанных значений: 4 Н − 3 Н = 1 Н.
2. Раздели её на четыре промежутка: 1 Н : 4 = 0,25 Н. Это цена одного деления.
3. Умножь цену деления на три: 0,25 Н × 3 = 0,75 Н. Прибавь полученное значение к ближайшей подписанной отметке 3 Н: 3 Н + 0,75 Н = 3,75 Н.
4. Проверь направление отсчёта: указатель находится между 3 Н и 4 Н, значит, показание больше 3 Н, но меньше 4 Н.

Ответ: показание динамометра равно 3,75 Н.

Типичные ошибки

Показание иногда записывают одним числом, например «2», без обозначения Н. Так происходит, если забыть, что число само по себе не сообщает, что именно измерено. Проверь себя: рядом с результатом должна стоять единица измерения силы — ньютон, Н. Поэтому правильная запись — 2 Н.

При определении цены деления можно случайно посчитать подписанные отметки вместо промежутков между ними. Ошибка возникает потому, что штрихи и промежутки легко перепутать, особенно на мелкой шкале. Проверь себя: если от одной подписанной отметки до другой проходят пять равных шагов, делить нужно на пять. После вычисления умножь цену деления на число промежутков — должна получиться разность значений отметок.

Если снимать показание, пока указатель колеблется, результат может оказаться неточным. Колебания мешают понять, на каком делении остановилась стрелка, и легко прочитать разные значения. Подожди, пока указатель успокоится, и только тогда смотри на шкалу. Для проверки можно убедиться, что его положение больше не меняется.

Силу иногда прикладывают не вдоль оси динамометра, а в сторону. Это случается, если прибор держат наклонно или тянут за крючок боком; в таком случае механизм может работать неправильно, а шкалу сложнее читать. Расположи прибор и направление силы по одной прямой. Проверь себя перед измерением: сила должна тянуть или давить вдоль оси, а не поперёк неё.

Связь с другими темами

Чтобы измерить силу, нужно уметь читать шкалу и считать равные промежутки между отметками. Это навык, который пригодится и при работе с другими измерительными приборами. Сила также связана с темами о весе тела, силе тяжести и силе трения. Динамометр помогает измерять такие силы, а значит, понимание его шкалы понадобится при изучении этих явлений.

Что запомнить

• Силу измеряют динамометром.
• Единица силы — ньютон, обозначение — Н.
• Работа динамометра основана на растяжении пружины.
• Перед измерением определяют цену деления шкалы.
• Силу прикладывают вдоль оси динамометра.
• Показание записывают вместе с единицей измерения.