Цель работы:
Научиться градуировать пружину, получать шкалу с любой (заданной) ценой деления и с её помощью измерять силы.
Приборы и материалы:
Динамометр, шкала которого закрыта бумагой, набор грузов массой по 102 г, штатив с муфтой, лапкой и кольцом.
Указания к работе:
1.Прочитайте в учебнике § 30 "Динамометр".
2.Укрепите динамометр с закрытой шкалой вертикально в лапке штатива. Отметьте горизонтальной чертой начальное положение указателя динамометра, − это будет нулевая отметка шкалы.
3.Подвесьте к крючку динамометра груз, масса которого 102 г. На этот груз действует сила тяжести, равная 1 Н. С такой же силой груз растягивает пружину динамометра. Эта сила уравновешивается силой упругости, возникающей в пружине при её растяжении (деформации).
Новое положение указателя динамометра также отметьте горизонтальной чертой на бумаге.
Примечание. Грузы массой 102 г можно получить, прибавив 2 г (колечко из проволоки) к имеющимся грузам массой 100 г.
4. Затем подвешивайте к динамометру второй, третий, четвёртый грузы той же массы (102 г), каждый раз отмечая чёрточками на бумаге положение указателя (рис. 204).
5. Снимите динамометр со штатива и против горизонтальных чёрточек, начиная с верхней, проставьте числа 0,1,2,3,4... Выше числа 0 напишите: "ньютон".
6. Измерьте расстояния между соседними чёрточками. Одинаковы ли они? Почему (см. § 30)? На основании сделанного вывода скажите, с какой силой растянут пружину грузы массой 51 г; 153 г.
7. Не подвешивая к динамометру грузы, получите шкалу с ценой деления 0,1 Н.
8. Измерьте проградуированным динамометром вес какого−нибудь тела, например кольца от штатива, лапки штатива, груза.
9. Нарисуйте проградуированный динамометр.

рис. 204.

Для решения задачи необходимо понять основные физические принципы, которые лежат в основе работы динамометра, а также разобраться в методике градуировки шкалы. Давайте подробно рассмотрим теоретические аспекты.

Понятие силы
Сила — это физическая величина, которая характеризует взаимодействие тел или частиц. Сила измеряется в ньютонах (Н). Один ньютон — это сила, которая придаёт телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². Формула для силы тяжести:
$$ F = m \cdot g $$
где:
− $ F $ — сила тяжести (Н),
− $ m $ — масса тела (кг),
− $ g $ — ускорение свободного падения (9,8 м/с²).

Динамометр и его принцип работы
Динамометр — это прибор для измерения силы. Он работает на принципе действия силы упругости, возникающей при деформации пружины. Деформация пружины пропорциональна действующей на неё силе, согласно закону Гука:
$$ F = k \cdot x $$
где:
− $ F $ — сила, растягивающая (или сжимающая) пружину (Н),
− $ k $ — коэффициент жёсткости пружины (Н/м),
− $ x $ — удлинение пружины от её естественного (недеформированного) состояния (м).

Когда груз подвешивается к пружине динамометра, на него действует сила тяжести, $ F $, и эта сила растягивает пружину. Динамометр измеряет силу, которую пружина уравновешивает за счёт силы упругости.

Градуировка шкалы динамометра
Градуировка шкалы — это процесс нанесения делений на шкалу, соответствующих определённым значениям силы. В данной задаче шкала создаётся с использованием грузов известной массы.
1. Подвешивание первого груза массой 102 г вызывает удлинение пружины, соответствующее силе тяжести равной $ F_1 = 1 \, Н $. На шкале это положение обозначается как "1 Н".
2. При добавлении второго груза общая сила, действующая на пружину, станет $ F_2 = 2 \, Н $. Положение указателя отмечается на шкале.
3. Аналогично, третий груз вызывает силу $ F_3 = 3 \, Н $, и так далее.

Постоянство расстояний между делениями
Согласно закону Гука, удлинение пружины пропорционально действующей силе. Это означает, что расстояние между соседними делениями шкалы динамометра будет одинаковым, если использовать грузы одинаковой массы.

Ценность градуировки динамометра
Градуировка позволяет создать шкалу с необходимой ценой деления, например 0,1 Н. Это достигается путём условного деления расстояния между отметками на более мелкие части.

Как измерить силу с помощью динамометра
После градуировки шкалы можно измерять силы, действующие на пружину. Например:
1. Подвесить тело к крючку динамометра.
2. Отметить положение указателя на шкале.
3. Считать значение силы, соответствующее отметке.

Почему важно учитывать массу груза
Грузы массой 102 г используются для создания точной силы тяжести $ F = 1 \, Н $. Это связано с приближённым значением ускорения свободного падения $ g = 9,8 \, \text{м/с}^2 $:
$$ F = m \cdot g = 0,102 \, \text{кг} \cdot 9,8 \, \text{м/с}^2 \approx 1 \, \text{Н}. $$
Если масса груза будет отличаться, сила тяжести изменится, что повлияет на точность шкалы.

Применение шкалы с ценой деления 0,1 Н
Для более точных измерений можно создать шкалу, где каждая отметка соответствует 0,1 Н. Это достигается путём нанесения дополнительных делений между основными (например, между "0 Н" и "1 Н").

Выводы
1. Градуировка динамометра основана на законе Гука.
2. Расстояния между делениями шкалы одинаковы, так как сила линейно зависит от удлинения пружины.
3. Правильно градуированный динамометр позволяет измерять силы с высокой точностью.

Эта теоретическая часть поможет вам правильно выполнить работу по градуировке динамометра и измерению силы.