Лабораторная работа №5. Исследование силы трения скольжения

Физика, 7 класс. Учебник: Кронгарт Б.А. и др. (Мектеп, 2025). Глава 5: Взаимодействие тел. Страницы 110–112.

Чему научишься

• Измерять силу трения скольжения динамометром.
• Находить силу нормального давления по весу бруска с грузами.
• Строить график $F_{\text{тр}}$ от $N$ и находить коэффициент трения $\mu$.
• Оценивать погрешность и делать вывод о зависимости трения от нагрузки и площади.

Разминка

• Что такое сила трения скольжения? Сила, которая возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого, и мешает этому движению.
• По какой формуле её считают? $F_{\text{тр}}=\mu N$.
• Что такое $N$? Сила нормального давления: с какой силой тело прижимается к поверхности. На горизонтальной поверхности она равна весу тела.
• От чего зависит $\mu$? От материалов и состояния соприкасающихся поверхностей (дерево по дереву, лёд по стали и т. д.).

💡 Если тянуть брусок динамометром равномерно, то скорость не меняется. Значит, сила тяги и сила трения равны по модулю, и динамометр показывает именно трение.

Разбираемся

Цель и оборудование

Цель. Научиться измерять силу трения скольжения; выяснить, как она зависит от силы нормального давления, и найти коэффициент трения.

Оборудование. Брусок, набор грузов, динамометр, деревянная линейка (по ней скользит брусок).

Задание 1. Зависимость трения от нормального давления

Тянем брусок с грузами по горизонтальной линейке так, чтобы он двигался равномерно. Показание динамометра равно по модулю $F_{\text{тр}}$. Тем же динамометром взвешиваем брусок с грузами: вес равен силе нормального давления $N$. Повторяем с разным числом грузов.

📌 У динамометра погрешность $\Delta F=0{,}05,\text{Н}$, если стрелка точно на штрихе. Если стрелка между штрихами или дрожит — $\Delta F=0{,}1,\text{Н}$.

⚠️ Частая ошибка. Тянуть динамометр рывками. Пока брусок разгоняется, показание больше силы трения, и результат врёт. Тяни плавно, с постоянной скоростью, и снимай показание в момент равномерного движения.

Пример заполненной таблицы

Брусок вместе с грузами весит 2,0 Н, 3,0 Н и 4,0 Н. Динамометр показал силу трения при равномерном движении:

Например, для третьего опыта: $\mu=\dfrac{1{,}25,\text{Н}}{4{,}0,\text{Н}}\approx0{,}31$. Единицы сократились — $\mu$ безразмерный.

График

Масштаб по оси силы — 2 клетки на 0,5 Н (клетка = 0,25 Н). Точки лежат почти на прямой через начало координат: значит, сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления.

Коэффициент трения по графику и среднее значение

По прямой берём точку в середине: $N=3{,}0,\text{Н}$, $F_{\text{тр}}=0{,}90,\text{Н}$, значит $\mu=0{,}30$.

Среднее по трём опытам: $\mu_{\text{ср}}=\frac{0{,}30+0{,}30+0{,}31}{3}\approx0{,}30.$

Абсолютная погрешность

Берём опыт 2: $F_{\text{тр}}=0{,}90,\text{Н}$ (стрелка на штрихе, $\Delta F=0{,}05$ Н), $N=3{,}0,\text{Н}$ ($\Delta N=0{,}05$ Н). Относительные погрешности складываются:

$\varepsilon=\frac{\Delta F}{F_{\text{тр}}}+\frac{\Delta N}{N}=\frac{0{,}05}{0{,}90}+\frac{0{,}05}{3{,}0}\approx0{,}056+0{,}017=0{,}072.$

$\Delta\mu=\mu_{\text{ср}}\cdot\varepsilon=0{,}30\cdot0{,}072\approx0{,}02.$

📌 Результат: $\mu=0{,}30\pm0{,}02$. Это близко к значению для дерева по дереву (его можно проверить в Приложении учебника).

Вывод

Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления: график — прямая через начало координат, а отношение $F_{\text{тр}}/N$ почти не меняется. Коэффициент трения дерева по дереву в нашем опыте $\mu=0{,}30\pm0{,}02$.

Дополнительное задание: влияет ли площадь соприкосновения?

Положи брусок на самую большую грань, измерь $F_{\text{тр}}$ при равномерном движении. Потом поставь тот же брусок (с тем же грузом!) на самую узкую грань и измерь снова.

Силы совпали в пределах погрешности. Вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения. Вес один и тот же, а на широкой грани он просто «размазан» по большей площади.

🌟 Брусок на узкой грани давит на опору сильнее на каждый квадратный сантиметр, а на широкой — слабее. Но общая сила нормального давления одна и та же, поэтому и трение скольжения одинаковое. Это одно из «неожиданных» открытий физики трения.

⚠️ Техника безопасности. Не тяни брусок за динамометр с рывком — он может ударить по руке или упасть на ногу. Грузы клади на брусок аккуратно, чтобы не уронить на пальцы.

👨‍👩‍👧 Родителю. Дома можно провести то же самое с книгой на столе и пластиковым пакетом с водой вместо динамометра: чем больше груза в книге, тем тяжелее её тянуть. Пусть ребёнок сам скажет, почему книгу на гладкой скатерти тянуть легче, чем на шершавом коврике.

Шпаргалка

• $F_{\text{тр}}$ растёт прямо пропорционально $N$.
• От площади соприкосновения трение скольжения не зависит.
• Тяни брусок плавно и равномерно.

Мини-тест