МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ (МЕХАНИКА И ТЕРМОДИНАМИКА) (стр. 8 из 12)
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 Тi 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?
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА С ПОМОЩЬЮ КРУТИЛЬНОГО МАЯТНИКА
Цель работы
Определить моменты инерции твердого тела.
Приборы и принадлежности
Крутильный маятник, набор тел различной формы и массы.
Описание экспериментальной установки
К основанию крутильного маятника (рис.18) прикреплены миллисекундомер 2 и колонна 3. На последней с помощью прижимных винтов закреплены кронштейны 4-6. Кронштейны 4 и б имеют зажимы, служащие для .закрепления стальной проволоки, на которой подвешена рамка 7, а на кронштейне 5 находится стальная плита 8. На ней размещены фотоэлектрический датчик 9 и электромагнит 10. Конструкция рамки позволяет закреплять к ней тела различной формы 11. Эти тела крепятся в рамке подвижной планкой, а планка затягивается гайками на зажимных втулках.
Работа с прибором
1. Включить питающее напряжение нажатием клавиши "Сеть". При этом должны светиться лампочки фотоэлектрического датчика и индикатора секундомера.
2. Нажать клавишу "Сброс". Это вызывает зануление индикатора секундомера, генерирование сигнала разрешения на измерение и включение обмотки электромагнита.
3. Повернуть рамку прибора так, чтобы стрелка рамки была фиксирована электромагнитом.
4. Нажать клавишу "Пуск". Нажатие этой клавиши отключает электромагнит, рамка опускается и совершает крутильные колебания. Миллисекундомер при этом отсчитывает число и время колебаний.
5. После совершения рамкой определенного числа колебаний систему остановить нажатием кнопки "Стоп". Показания индикатора времени занести в таблицу. Время измеряется три раза при одном и том же числе колебаний.
6. Изменив момент инерции системы путем установки в рамку цилиндра или исследуемого тела, снова нажимаем клавишу "Сброс" и проводим измерения числа колебаний и времени по пп. 3-5.
С учетом данных (масса цилиндра т и диаметр d) рассчитывают момент инерции цилиндра 10.
Теоретическое введение
Момент силы, который действует на тело, закрепленное в крутильном маятнике,
где К - коэффициент жесткости нити подвеса, зависящий от материала нити и ее геометрических размеров - длины и диаметра. Знак "-" отражает противоположную направленность момента упругой силы нити и угла ее деформации. Записав основное уравнение динамики вращательного движения с учетом (79), получим
где I - момент инерции тела, совершающего крутильные колебания. Решая уравнение (80),найдем период колебаний
Если вращающееся тело - составное (рамка с закрепленным в ней исследуемым телом), то I=Ip+Im, где Ip, Im - моменты инерции рамки и исследуемого тела соответственно. Поэтому период колебаний рамки с закрепленным в ней исследуемым телом
Из формулы (82) следует, что для нахождения момента инерции тела Im измеренной величине Т2 необходимо знать момент инерции рамки Ip и коэффициент жесткости нити подвеса к, т.е. нужны два дополнительных измерения:
I) определение периода колебаний 10 рамки прибора (без дополнительных грузов). В соответствии с (81)
II)
2) определение периода колебаний Т1 рамки прибора с закрепленным в ней талом, момент инерции которого известен. Например, цилиндр с моментом инерции I0=mr2/2, где m и r - масса и радиус цилиндра:
Решая совместно (83) и (84), находим величины - Iр и К по измеренным периодам колебаний T0 и T1. После подстановки значений Ip и К в (84) получаем:
Порядок выполнения работы
1. Определить периоды колебаний рамки T0 и рамки T1 с исследуемым телом. При выполнении работы необходимо измерить моменты инерции тела относительно его трех главных осей.
2. Данные занести в таблицу.
3. По полученным значениям определить по формуле (85) моменты инерции исследуемого тела относительно трех главных осей.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое момент инерции твердого тела? Какова размерность момента инерции в СИ?
2. Запишите основное уравнение динамики вращательного движения:
а) в дифференциальной форме; б) в проекции на неподвижную ось.
3. Чему равна угловая частота колебаний крутильного маятника?
4. Сформулируйте теорему Штейнера.
5. ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ЕРАЩАТЕПЬНОГО ДВИДЕНИЯ НА КРЕСТООБРАЗНОМ МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА
Цель работы
Изучить основной закон динамики вращательного движения
Приборы и принадлежности
Маятник Обербека, набор грузов.
Описание экспериментальной установки
На вертикальной колонне 1 (рис. 19), установленной на основании 2, укреплены: кронштейны - нижний неподвижный 3 и верхний подвижный 4 и две неподвижные втулки – нижняя 5 и верхняя 6. На верхней втулке 6 закреплен подшипниковый узел диска 7. Через него перекидывается нить 8. На одном конце нити крепятся грузы 9, а второй конец фиксируется к двухступенчатому диску 10.
На нижней втулке 5 находится подставка II, к которой прикреплен тормозной электромагнит, удерживающий с пометой фрикционной муфты крестовину с грузом в состоянии покоя. Подвижной кронштейн 4 перемещается вдоль колонны и его можно фиксировать в любом положении, изменяя таким образом длину пути, проходимую грузами 9.
На колонну нанесена миллиметровая шкала 12. На подвижном 4 и неподвижном 3 кронштейнах закреплены фотоэлектрические датчики. дающие сигналы для измерения времени и включающие тормозной электромагнит, когда грузы достигнут резинового амортизатора 13, ограничивающего их движение. На основании прибора расположен миллисекундомер, фиксирующий время прохождения грузами определенного расстояния.