Описание экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка (рис. 11) собрана на платформе 1 с вертикальной колонной 2 и представляет собой систему грузов 3, соединенных между собой нитью, переброшенной через блок 4. Масса каждого груза равна М = 60 г. Блок 4 для уменьшения сил трения в опоре смонтирован в подшипнике 5, а электромагнит­ная фрикционная муфта 6 обеспечивает начальную фиксацию грузов и их торможение в конце перемещения. Блок с фрикционной муфтой закреплен на верхнем конце колонны 2, а между блоком и основа­нием 1 имеются три подвижных кронштейна 7, 8 и 9, расстояние между которыми определяется с помощью миллиметровой шкалы 10, расположенной на колонне 2.

Верхний кронштейн 7, оснащенный риской, служит для фиксации начального положения системы грузов. Средний кронштейн 8 обеспечивает съем дополнительного грузика 11, а фотоэлектрический датчик 12 на этом кронштейне включает электронный секундомер в момент съема дополнительного грузика. На нижнем кронштейне 9 есть еще един фотоэлектрический датчик 13, выключающий секундомер и включающий электромагнитную муфту 6 для торможения подвижной системы.

 

 

В отсутствие дополнительного грузика 11 вся подвижная система находится в состоянии равновесия и либо покоится, либо двигается равномерно. Неравномерность движения в этом случае может быть обус­ловлена только сопротивлением воздуха, наличием трения в опоре, моментом инерции блока и весом нити. Дополнительный грузик 11, по­мещенный на один из основных грузов, выводит систему из состояния равновесия, и при обесточенной фрикционной муфте 5 система начина­ет двигаться. Это движение в первом приближении является равноус­коренным.

Таким образом, в рабочем состоянии прибора перемещение сис­темы грузов на участке между верхним 7 и средним 8 кронштейнами будет равноускоренным, а на участке между средним 8 и нижним 9 кронштейна­ми - равномерным. Секундомер прибора 14 фиксирует время перемещения рабочего (первого) груза между средним и нижним кронштейнами, т.е. на участке равномер­ного движения длиной S (рис. 12).

 

 

Работа с прибором

 

I. При отключенном питании прибо­ра проверить свободу перемещения системы грузов и переместить рабочий правый груз в верхнее положение.

2. Включить клавишу "Сеть", проверить работу индикаторов и лампочек фотоэлектрических датчиков: индикатор электронного се­кундомера должен высвечивать “О” по всех разрядах, а лампочка светиться. При включенном питании должна сработать электромаг­нитная муфта и зафиксировать положение грузов.

3. Если на индикаторе отсутствует “О” во всех разрядах, то необходимо нажать клавишу "Сброс".

4. Изменить начальное положение системы грузов можно следующим образом. Придерживая балансировочный груз, нажать клавишу «Пуск» и, переместив систему в нужное положение, отжать клавишу «Пуск». Нажатие клавиши «Пуск» обесточивает электромагнитную муфту, предоставляя свободу перемещения системе грузов.

5. Перед началом измерений аккуратно положить на рабочий правый груз дополнительный грузик и проверить установку начального по­ложения по совпадений нижнего среза рабочего груза с риской на верхнем кронштейне.

6. Нажать клавишу «Пуск» и после остановки системы грузов записать показания индикатора, указывающего время равномерного движения системы между фотоэлектрическими датчиками.

7. Для возврата системы грузов в исходное состояние необхо­димо нажать клавишу «Сброс» и, аккуратно опустив вниз балансиро­вочный (левый) груз, установить систему в исходное положение. При совпадении нижнего среза рабочего груза с риской на верхнем кронштейне отжать клавишу «Пуск», в результате чего положение гру­зов будет зафиксировано электромагнитной муфтой.

8. Для изменения расположения среднего кронштейна следует освободите фиксирующий винт, находящийся с его тыльной стороны, переместить кронштейн в нужное положение и нажать фиксирующий винт.

 

Теоретическое введение

 

Найдем закон движения груза 3 с перегрузком 11 (см.рис. 11). Будем пользоваться неподвижной системой координат, центр которой совмещен с осью блока. Ось О_Х направим вниз. Пусть массы грузов 3 равны М, а масса перегрузка - т.

На правый груз с перегрузком (см. рис. 13) действуют силы тяжести (М+т)g и натяжения нити Т₁. По второму закону Ньютона

 

          (47)

 

где а - ускорение правого груза.

Применим второй закон Ньютона к движению левого груза. В силу нерастяжимости нити ускорение левого груза разно ускорению правого груза по абсолютной величине и направлено в противоположную сторону. Оно равно, следовательно, а. Натяжение левого конца нити обозначим Т₂. Тогда

 

                         (48)

 

Если пренебречь моментом инерции блока, натяжения T₁ и T₂ равны:

T₁=T₂                                  (49)

Решая совместно уравнения (47) и (48) с учетом (1.3), получаем:

 

 

Движение правого груза на участке длиной S₁, между кронш­тейнами 7 и 8 будет равноускоренным. В момент достижения грузом кронштейна 8 его скорость

 

 

(начальная скорость правого груза была равна нулю).

После снятия кронштейном 8 грузика 11 дальнейшее движение правого груза на участке длиной S между средним и нижним кронштейнами является равномерным и осуществляется со скоростью, определяемой по формуле (51). Время прохождения этого участка

 

 

Измерив время t, можно из выражения (52) рассчитать ве­личину ускорения свободного падения:

 

 

Порядок выполнения работы

 

1. Установить средний кронштейн на расстоянии S₁ = 0,1 М от верхнего кронштейна.

2. Положить на рабочий правый груз поочередно дополнительные грузики массой m₁, m₂, m₃ и измерить для каждого случая время t равномерного движения системы на участке пути длиной S. Время t для каждого дополнительного грузика измерять три раза.

3. Установить средний кронштейн поочередно на расстоянии S₁ = 0,2 и 0,3 M от верхнего кронштейна и снова измерить время t - прохождения системой участка равномерного движения между средним и нижним фотодатчиками для трех дополнительных грузиков.

4. Данные занести в таблицу.

5. По полученным данным рассчитать величины скоростей равномерного движения системы для различных значений m и S₁; найти значения квадратов этих скоростей.

6. Построить график зависимости квадрата скорости равномер­ного движения системы от величины пути S₁ для различных зна­чений массы дополнительных грузиков.

7. По графикам определить значения ускорений a₁, a₂, и a₃, с которыми двигалась система на участке S₁ для различных масс m₁, m₂, m₃ дополнительных грузиков (учесть, что для равно­ускоренного движения выполняется соотношение (1.5). Результаты за­нести в таблицу.

8. Пользуясь данными таблицы, рассчитать ускорение свободно­го падения по формуле (53) для значений m₁, m₂, т3 и величин S₁ = 0,1м, S₂ =0,2м, S₃ = 0,3м.

9. Рассчитать теоретически значения ускорения системы гру­зов по формуле (50) и сравнить с экспериментально полученными данными. При расчете использовать значение g = 9,8 м/с². Объяснить расхождение теоретических и экспериментально наблюдаемых резуль­татов.

10. Рассчитать погрешности определения ускорения свободного падения. Для расчета воспользуемся формулой (53), считая m, M точно известными величинами. Абсолютные погрешности измере­ния S и S₁ ° считать равными 1 мм, а среднюю погрешность изме­рения времени рассчитать по данным таблицы.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Рассчитайте скорости системы грузов на равномерном участке их движения, используя закон сохранения энергии, и срав­ните результат расчета со значением скорости, полученным в экс­перименте.

2. Что такое перемещение, скорость и ускорение материаль­ной точки?

3. Что такое тангенциальное и нормальное ускорения? Какое ускорение вы измеряли в данной работе?

 

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЙ ЭНЕРГИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТЕЛА С ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА МАКСВЕЛЛА

 

Цель работы

 

Определить экспериментально момент инерции тая вращения.

Приборы и принадлежности Маятник Максвелла.

 

Описание экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка (рис. 13) собрана на основании I. На колонке 2 прикреплены неподвижный верхний кронштейн 3 и под­вижный нижний кронштейн 4. На верхнем кронштейне находятся электромагнит 5, фотоэлектрический датчик 6 и вороток 7 для за­крепления и регулирования длины бифилярной подвески маятника.

Нижний кронштейн вместе с фотоэлектрическим датчиком 8 мож­но перемещать вдоль колонки и фиксировать в произвольно выбран­ном положении.

Маятник прибора 9 - это ролик, закрепленный на оси и под­вешенный по бифилярному способу. На ролик маятника накладываются сменные кольца 10, изменяющие таким образом момент инерции сис­темы.

Маятник с насаженным кольцом удерживается в верхнем положе­нии электромагнитом. Длина маятника определяется по миллиметровой шкале на колонке прибора. Для облегчения измерения длины маятни­ка нижний кронштейн оснащен указателем, помещенным на высоте оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика.

Пульт управления прибором 11, снабженный миллисекундомером, установлен на основании прибора 1.

 

Параметры маятника:

максимальная длина - 0,41 м;

количество сменных колец - 3 шт.;

массы сменных колец - m₁, m₂, m₃ (указаны непосредст­венно на кольцах) или

 

где I - момент инерции маятника относительно оси 0.

Решение этого уравнения дает период свободных колебаний маят­ника

 

                        (75)

 

Из выражения (75) следует, что для нахождения ускорения g с помощью физического маятника необходимо измерить период коле­баний T, массу маятника m, расстояние L₀ и момент инерции I. Период T и масса m измеряются с большой точностью; точность определения величин I и L₀ обычно невелика.

Точное значение ускорения силы тяжести можно найти посредством оборот­ного маятника - разновидности физиче­ского маятника. Достоинство рассмат­риваемого метода - возможность исклю­чить величины I и L₀ расчетной формулы для g.

Оборотный маятник (рис. 17) состо­ит из стального стержня Е, на кото­ром укреплены опорные призмы А и С. Период колебаний маятника можно менять перемещением грузов В и D.

Во всяком физическом и, следова­тельно, оборотном маятнике можно найти такие две точки, что при последователь­ном закреплении маятника в той или другой точке период колебаний маят­ника остается неизменным. При равенстве периодов колебаний оборотного ма­ятника при закреплении его призмами А и С (рис.17)

            (76)

где I₁ и I₂ - моменты инерции маятника относительно осей, проходящих через точки A и С: a₁ a₂ - расстояния от центра тяжести до соответствующих осей качания. На основании теоремы Штейнера:

 

I ₁ = I ₀ + ma ₁ ², I ₂ = I ₀ + ma ₂ ², (77)

 

где I₀ - момент инерции маятника относительно оси, проходящей через его центр тяжести и параллельной оси качания.

Подставив (77) в (76) и исключив I₀ и m, получим формулу для ускорения силы тяжести

 

 

Величина L=a₁+a₂ равна расстоянию между призмами и называется приведенной длиной физического маятника. Таким образом, для опре­деления ускорения силы тяжести с помощью оборотного маятника не­обходимо измерить две величины; период колебаний Т и приведен­ную длину L физического маятника, измерить которую можно пере­распределением масс маятника.

 

Порядок выполнения работы

1. Закрепить грузы В и D так, чтобы они находились на расстоянии 8-10 см от концов стержня.

2. Призму A закрепить в начале стержня, а призму С - на расстоянии 35-40 см от призмы A. По шкале, нанесенной на стержне, найти расстояние между призмами a₁+a₂.

3. Закрепить маятник на вкладыше верхнего кронштейна установ­ки на призме A.

4. Нижний кронштейн установки переместить таким образом, чтобы стержень маятника пересекал оптическую ось фотоэлектри­ческого датчика.

5. Отклонив маятник от положения равновесия на угол 4-5°, предоставить ему возможность совершать свободные колебания.

6. Нажать клавишу "Сброс".

7. После подсчета 10 полных колебаний нажать клавишу "Стоп".

8. По данным измерений количества периодов n и полного времени колебаний маятника t найти период

 

T=t/n

 

9. Для различных положений h груза D на стержне оборотного маятника Е рассчитать периоды колебаний маятника Т_i в соответствии с пп. 5-8. При этом положение груза B остается постоянным.

10. Подвесить маятник на призму С.

11. Выполнить указание п. 4.

12. Определить периоды колебаний оборотного маятника для различных положений груза D на стержне Е в тех же пределах и с тем же числом измерений,

13. По данным таблицы построить на миллиметровой бумаге графики зависимостей периодов T₁, и T₂ от положения груза D на стержне. Точка пересечения кривых определит местонахождение под­вижного груза D, при котором значения периодов будут равны (Т₁=Т₂ =T).

14. Для этого положения груза D в соответствии с пп. 5-8 найти период колебаний маятника относительно призм A и С. Полученные данные занести в таблицу.

15. Рассчитать по формуле (78) ускорение свободного падения.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется ускорением силы тяжести? Как оно направ­лено?

2. От чего зависит ускорение силы тяжести?

3. Что такое свободное падение тел?

4. Дайте определение физического маятника.

5. Выведите формулу для периода колебаний физического маят­ника.

6. Что такое приведенная длина физического маятника?

7. Дайте определение момента.инерции тела.

8. Чему равен момент инерции обруча, диска, шара и стержня. относительно центра масс?

9. Сформулируйте теорему Штейнера.

10. Выведите и сформулируйте основное уравнение динамики вращательного движения.

11. Выведите математическое выражение закона сохранения момента импульса.

12. Как определить направление момента силы и момента импульса?

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: