МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНСТИТУТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ИМ. АКАДЕМИКА М.К.ЯНГЕЛЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ
(МЕХАНИКА И ТЕРМОДИНАМИКА)
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВСЕХ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ
И ВСЕХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
УТВЕРЖДЕНО
КАФЕДРОЙ ФИЗИКИ
ПРОТОКОЛ №23
ОТ 21.02.92
ХАРЬКОВ ХИРЭ 1992
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Настоящие указания состоят из двух частей. В первую часть включены
работы по механике я термодинамике, разработанные на кафедре физики
Харьковского института радиоэлектроники. Вторая часть содержит работы по
механике, разработанные и изготовленные в Польше.
Все работы отличаются от традиционных оригинальными техническими
решениями, облегчающими Проведение экспериментов и повышающими точность
измерений. В частности, для измерения малых промежутков времени
используются электронные секундомеры с автоматическим включением и
отключением.
Выполнение лабораторной работы включает предварительную подготовку»
проведение экспериментов и составление отчета о результатах
исследований.
При Подготовке к выполнению работы необходимо изучить теоретическое
введение, описание лабораторной установки и методы измерений, соблюдать
указанный порядок выполнения экспериментальной и расчетной части работы.
При проведении экспериментов необходимо строго выполнять все
установленные в лаборатории правила техники безопасности.
Отчет о работе должен содержать название, цель работы, краткое описание
лабораторной установки и методов измерений в расчетную часть, включающую
таблицы измерений, графики, расчет искомых величин и их погрешностей.
Контрольные вопросы, приведенные в конце каждой работы, облегчают
подготовь к защите работы. В конце указаний приведен список литературы,
рекомендуемой для самостоятельной подготовки к выполнению лабораторных
работ.
ЧАСТЬ 1.
1. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ
Цель работы
Экспериментально определить ускорение при свободном падении тела я поле
тяготения Земли.
Приборы и принадлежности
Установка для исследования свободного падения (рис. I) с автоматической
регистрацией времени полета, стальной шарик, линейка.
Теоретическое введение
В поле тяготения Земли на тело массой m действует сила тяжести Р=mg. Под
действием этой силы тело, поднятое над поверхностью Земли и
предоставленное самому себе, свободно падает с ускорением .свободного
падения, g . Вблизи поверхности Земли ускорение свободного падения
зависит ОТ широты местности. Это объясняется нешарообразностью формы
Земли и влиянием суточного вращения Земли вокруг своей оси. Как показали
расчеты и измерения, зависимость ускорения свободного падения от широты
местности выражается формулой:
(1)
где g? и g0 – ускорение свободного падения на географической широте ? и
на широте полюса (? = 90°) соответственно. Максимальное значение 9,83
м/с2 g? имеет на полюсах Земли, а минимальное значение 9,78 м/с2 – на
экваторе, где ?=0.
В данной работе g? определяется по времени падения шарика с известной
высоты. При свободном падении без начальной скорости и без учета сил
трения о воздух тело движется равноускоренно по закону
где h – расстояние, пройденное телом за время t. Из соотношения (1)
следует, что
Если измерить время падения шарика с различной высоты и построить график
зависимости ?h от t , то получим прямую, тангенс угла наклона которой к
оси t будет равна ?g/2. Определив тангенс угла наклона ? по формуле
(2)
В которой t1 – время падения шарика с высоты h1, а t2 – c высоты h2, и
приравняв его ?g/2, найдем
(3)
Описание лабораторной установки
Установка для исследования свободного падения (рис.1) состоит из штатива
на котором установлена, перемещающаяся платформа 1.
На платформе 1 укреплен электромагнит 3, удерживающий стальной шарик 4.
На столе 5 установлены ловушки 6 для шарика, электронный секундомер 7 и
тумблер включений 8. Ловушка предназначена для точной фиксации времени
пролета шариком расстояния h. В ловушке установлены источник света и
фототранзистор. Падающий в ловушку шарик прерывает световой поток,
распространяющийся от лампы к фототранзистору, а последний отключает
электронный секундомер. Секундомер включается тумблером, который
одновременно отключает питание электромагнита и дает возможность шарику
свободно падать. Высота падения h изменяется путем перемещения
электромагнита 3 и измеряется линейкой. Для удобства извлечения шарика
из ловушки нижняя часть ловушки сделана подвижной. Устройство
автоматической регистрации времени полета шарика обеспечивает
погрешность измерения времени 0,01 с, т.е. ?t = 0,01 с.
Порядок выполнения работы
1. Установить платформу 1 на определенной высоте над ловушкой 6 и
добиться, чтобы центр шарика и центр ловушки были расположены вдоль
одной прямой. Секундомер установить в нулевое положение.
2. Включить секундомер, измерить время полета и данные (hiti) занести в
таблицу измерений.
3. Повторить операции пп. 1 и 2 для пяти разных значений высоты падения
hi. Данные измерений занести в таблицу.
4. Построить график зависимости ?h от t.
5. Используя соотношение (2), определить тангенс угла наклона кривой к
оси t по графику.
6. По формуле (3) вычислить g. Определить погрешности ускорения
свободного падения.
7. Вычислить g? по теоретической формуле (1) для широты Харькова (? =
50°) и сравнить с найденным экспериментальным значением.
Контрольные вопросы
1. Что называется ускорением свободного падения?
2. Почему ускорение свободного падения зависит от широты местности?
3. По какому закону происходит свободное падение тел?
4. Как определяется ускорение свободного падений в данной работе?
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ УПРУГОГО И НЕУПРУГОГО УДАРОВ
Цель работы
Определить скорость пули и энергию диссипации при абсолютно неупругом
ударе, а также коэффициент восстановления относительной скорости для
частично упругого удара.
Приборы и принадлежности
Цилиндрический маятник со шкалой отсчета, наклонная трубка, стальная
пуля, линейка.
Теоретическое введение
Ударом называется взаимное изменение состояния движения тел вследствие
столкновения. Различают два предельных вида удара – абсолютно упругий и
абсолютно неупругий. Удар, при котором механическая энергия тел не
переходит в другие вида анергии, называется абсолютно упругим. Законы
сохранения механической энергии и импульса для абсолютно упругого удара
имеют вид
(4)
, (5)
где m1 и т2 – масса первого и второго тел; V1 и V2 – скорости первого и
второго тел до столкновения; U1 и U2 – их скорости после столкновения.
При неупругом ударе кинетическая энергия взаимодействующих тел полностью
или частично переходит во внутреннюю анергия. Часть механической
энергии, которая переходит в другие вида энергии, называется анергией
диссипации (рассеяния).
При неупругом ударе закон сохранения механической энергии не
выполняется, а имеет место закон сохранения полной анергии разных видов
– механической и внутренней. Закон сохранения импульса выполняется.
Если удар был абсолютно неупругий, то тела после столкновения двинется с
одинаковой скоростью U = U1 = U2, как одно тело с массой m=m1+m2, и
закон сохранения импульса имеет вид
m1V1+m2V2=(m1=m2)U. (6)
Степень упругости удара удобно характеризовать коэффициентом
восстановления К относительной скорости движения тел. Этот коэффициент
равен отношению абсолютного значения относительной скорости
взаимодействующих тел после удара /U2-U1/ к абсолютному значению
относительной скорости до удара /V2-V1/, и зависит только от упругих
свойств соударяющихся тел:
, (7)
При абсолютно упругом ударе К = 1, при абсолютно неупругом ударе U1 = U2
и К = 0, во всех остальных случаях (0 ?S(Дж/К)
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое обратимые и необратимые процессы?
2. Охарактеризуйте энтропию и ее изменение.
3. Что такое термодинамическая вероятность состояния (статистический
вес).
4. Статистический смысл изменения энтропии.
5. Первый закон термодинамики.
6. Вывод рабочей формулы (36) данной работы.
7. Второй закон термодинамики и его статистический смысл.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА
Цель работы
Исследовать фазовый переход первого рода на примере плавления и
кристаллизации металла. Определить температуру, удельную теплоту
плавления металла и изменение энтропии при плавление и кристаллизации.
Приборы и принадлежности
Тигель с исследуемым металлом, термопара, нагреватель, термометр,
цифровой вольтметр, секундомер.
Теоретическое введение
Сильное нагревание твердого тела может привести к разрушению его
кристаллической решетки и к переходу вещества из твердой фазы в жидкую.
Фазовое превращение, сопровождающееся поглощением или выделением
количества теплоты и изменением удельного объема (объема, занимаемого
единицей массы), называется фазовым переходом первого роди. Плавление
(переход вещества из твердого состояния в жидкое) и обратный процесс
(кристаллизация) для многих кристаллических веществ является фазовым
переходом первого рода. Такой переход всегда изотермичен. Во время
фазового переходе сохраняется .двухфазное состояние (например, жидкое и
твердое), но плавно меняется соотношение масс каждой фазы. Температура
перехода зависит от давления. Если при определенном давлении сообщать
твердому телу за равные малые промежутки времени одинаковое количество
тепла Q, то абсолютная температура тела будет изменяться в соответствии
с графиком рис.5. Участок AB представляет собой нагревание твердого тела
до температуры плавления Тn .
Для кристаллических тел в точке 6 прекращается дальнейшее повышение
температуры. Изотермический участок ВС характеризует переход тела из
твердого состояния в жидкое и соответствует одновременному существованию
двух фаз: твердой и жидкой. На участке BС при плавлении телом
поглощается определенное количество теплоты при постоянной температуре.
Это количество теплоты, рассчитанное на единицу массы тела, называется
удельной теплотой плавления rп . Обозначим через UЖ и UТ внутренние
анергии единицы массы вещества в точках С и B , соответствующих жидкой и
твердой фазам и через Vж и VT - удельные объемы жидкости и твердого
тела. Тогда по первому закону термодинамики удельная теплота плавления
может быть выражена так:
где р - постоянное давление, при котором совершается фазовый переход.
Для фазовых переходов первого рода можно рассчитать изменение энтропии
по формуле Клаузиуса
В данном случае
где т - масса тела. Знак "+" соответствует поглощению телом количества
теплоты (плавлению), знак "-" - кристаллизации, которая сопровождается
выделением количества теплоты.
Процесс плавления представляет совой переход вещества из более
упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное -
жидкое. По второму закону термодинамики такой переход должен
сопровождаться возрастанием энтропии вещества.
При охлаждении большинства жидкостей до некоторой температуры, зависящей
от давления и состава жидкости, начинается процесс кристаллизации -
перехода вещества из жидкой фазы в твердую. Он связан с выделением
теплоты, равной теплоте плавления, и для химически чистых жидкостей
протекает при постоянной температуре, равной температуре плавления.
Качественно процесс кристаллизации, как и процесс плавления, можно
объяснить изменением характера теплового движения частиц вещества. Под
влиянием сил взаимного притяжения между частицами их движение при
охлаждении вещества в конце концов превращается в хаотические тепловые
колебания около некоторых неизменных средних положений - узлов
кристаллической решетки.
Зависимость температуры плавления твердых тел от давления показана на
графике рис.6 (кривая плавления). Это кривая равновесия двухфазной
системы твердое тело - жидкость, разделяющая друг от друга области
существования твердой и жидкой фаз. Другой разновидностью фазового
переходи первого рода является переход вещества из жидкой фазы в
газообразную и обратно.
Фазовые переходы второго рода не связаны с поглощением или выделением
теплоты фазового перехода. При этих переходах скачком изменяются
какие-либо из параметров системы - теплоемкость, коэффициент теплового
расширения и некоторые другие характеристики вещества. Пример такого
перехода - превращение ферромагнетика в парамагнетик в точке Кюри.
Описание лабораторной установки
На лабораторной установке (рис.7) тигель 3 с рабочим веществом 4
установлен над нагревателем 2. На штативе 5 укреплена термопара 1.
Термопара представляет собой два спаянных проводника из разных металлов.
Если спаи 12 и II имеют разную температуру, то на концах термопары
(клеммы 8) возникает термоЭДС Е . Один конец термопары (12) погружен в
нагреваемое рабочее вещество (металл), а другой (11) - имеет температуру
окружающего воздуха T1, измеряемую термометром 9. ТермоЭДС прямо
пропорциональна разности температур горячего T2 и холодного T1 спаев
определяется по градуировочной кривой термопары (рис. 8). Величина
термоЭДС измеряется цифровым вольтметром 10 через равные промежутки
времени после нагревания тигля с рабочим веществом, а также при
охлаждении рабочего вещества. Температура Т2, вычисляется по формуле T2
= ?T + T1.
Порядок выполнения работы
1. Соединить проводниками клеммы 8 термопары со входом цифрового
вольтметра. Положить в нагреватель не более четверти таблетки сухого
горючего. Включить цифровой вольтметр.
2. Зажечь сухое горючее, включить секундомер и производить измерение ЭДС
через каждые 10 с.
3. После того как будет отмечено несколько одинаковых значений ЭДС
(соответствующих плавлению металла), продолжать измерения, пока
температура не начнет устойчиво повышаться. Через 3-4 измерения потушить
(задуть) сухое горючее.
4. Снять кривую охлаждения. Для этого измерять Е, через каждые 10 с по
мере охлаждения металла.
5. По графику градуировки термопары определить разность температур ?Т
для каждого значения ЭДС при плавлении и кристаллизации металла.
6. Определить комнатную температуру T1 и, прибавив ее к значениям ?T ,
полученным из графика, найти и записать температуру металла,
соответствующую каждому измерению.
7. Построить графики зависимости температуры T металла от времени при
плавлении и кристаллизации.
8. По графикам определить среднюю температуру плавления и
кристаллизации.
9. По температуре плавления и данным табл.2 идентифицировать рабочее
вещество и найти его удельную теплоту плавления.
10. По формуле (39) определить теплоту плавления для данной массы
рабочего вещества (m = 85 г) и, используя соотношение (38), вычислить
изменение энтропии фазового перехода для случая плавления и
кристаллизации.
II. Определить погрешности изменения энтропии.
Таблица 2
Металл Тпл, К rn, кДж/кг
I. Алюминий 931,1 396,79
2. Висмут 542 54,4
3. Олово 504,86 61,12
4. Свинец 600,4 20,93
5. Серебро 1233 92,09
6. Сурьма 903,5 101,72
7. Цинк 692,5 111.35
8. Сплав: олово 61 %,
свинец 39 % 427 45.44
9. Сплав: олово 40 %,
свинец 60 % 611 37
10. Сплав: олово 30 %,
свинец 70 % 525 33
Контрольные вопросы и задания
1. Что называется фазовым переходом первого рода, второго рода?
2. Что называется плавлением и кристаллизацией твердых тел.
3. Раскройте сущность физического смысла изменения энтропии при
плавлении и кристаллизации твердых тел.
4. Какие системы называют гомогенными и гетерогенными? Что называется
фазой в термодинамике?
5. Объясните ход температурной кривой при плавлении и кристаллизации?
6. Что называется удельной теплотой плавления твердого тела? Как она
определяется?
7. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ МЕТАЛЛА
Цель работы
Определить сопротивление не нагретой и нагретой металлической
проволоки, ее удлинение при нагревании и коэффициент линейного
расширения.
Приборы и принадлежности
Нихромовая проволока (Ni 90 %, Сr 10 %), источник питания постоянного
тока, вольтметр, амперметр, пружина, шкала для измерения длины
проволоки.
Теоретическое введение
Опыт показывает, что с повышением температуры происходит расширение
твердя тел, называемое тепловым расширением. Для характеристики этого
явления введены коэффициенты линейного и объемного расширения. Пусть l0
- длина тела при температуре 0 ?С. Удлинение этого тела ?l при
нагревании его до температуры t°С пропорционально первоначальной длине
l0 и температуре:
где ? - коэффициент линейного расширения, характеризующий относительное
удлинение ?l/l, происходящее при нагревании тела на 1 К.
Длина тела при температуре t
отсюда
Тепловое расширение большинства твердых тел весьма незначительно.
Поэтому длина l0 при 0 °С очень мало отличается от длины l при другой
температуре t, например комнатной. Поэтому в выражении коэффициента
линейного расширения (41) l0 можно заменить на l1, а l - на длину l2 при
температуре t2, значительно большей, чем t1:
Причина расширения твердых тел при нагревании - возрастание амплитуды
тепловых колебаний атомов. График зависимости потенциальной энергии
взаимодействия соседних атомов от расстояния между их центрами r
приведен на рис. 9. Пунктиром показан уровень полной энергии E взаимного
колебания атомов при данной температуре. При данной энергии Е расстояние
между атомами при тепловых колебаниях изменяется от r1 до r2. Если
r0
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.
h
H
j
j
????????????_?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 ОХ 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 0,3M
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:
I1=I0+ma12, I2=I0+ma22, (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 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:
определение периода колебаний 10 рамки прибора (без дополнительных
грузов). В соответствии с (81)
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.
Работа с прибором
1. Закрепить (или снять) грузы на крестовине при отключенной питании
прибора. Проверить правильность намотки нити на вращающийся
двухступенчатый диск.
2. Поднять грузы 9 массой m (рис.19), вращая крестовину, на определенную
высоту так, чтобы основание грузов совпадало с риской на верхнем
фотоэлектрическом датчике.
3. Включить клавишу "Сеть". Отжать клавишу "Пуск". При этом включается
блокирующее устройство и грузы фиксируются в первоначальном состоянии.
4. Включить клавишу "Пуск". При этом отключается электромагнит,
фиксирующий систему грузов, и запускается миллисекундомер. Когда грузы
пересекут луч второго фотокатода, отключается миллисекундомер и
включается электромагнит, тормозящий движение грузов. Показания
миллисекундомера занести в таблицу.
5. Нажать клавишу "Сброс". При этом очищается от показаний
миллисекундомер и освобождается блокирующее устройство, позволяющее
передвигать грузы в исходное положении.
6. Поднять грузы на определенную высоту в соответствии с п. 2, отжать
клавишу "Пуск". Состояние грузов снова будет зафиксировано.
7. Нажать клавишу "Пуск". Повторить измерения времени движения грузов
между верхним и нижним датчиками.
Порядок выполнения работы
Определение момента инерции крестовины.
1) Снять грузы с крестовины маятника. Измерить время движения груза
массой m01. Повторить опыт три раза. Найти среднее значение времени
падения груза. Повторить эксперимент, изменяя массу подвижных грузов
(использовать грузы m01 = 54,5 г; m02 = 54,5 + 40 г, m03 = 54,5 + 40 +
239 г).
2) Определить ускорение, с которым двигался подвижный груз:
Высоту падения грузов измерить по шкале, укрепленной на колонне.
3) Найти угловое ускорение двуступенчатого диска
где r = 4,3 см - радиус большой ступени диска; r = 2,4 см - радиус малой
ступени.
4) Вычислить момент сил, действующих на диск для трех значений: m01,
т02, т03 по формуле:
M=m0(g-a)r2, (88)
5) Все данные измерений и вычислений занести в таблицу.
6) Построить зависимость М от E по полученным данным. По графику
определить момент инерции I0 крестовины без грузов на ней.
Определение моментов инерции грузов
1. Установить четыре груза на расстоянии R от оси вращения крестовины
(расстояние между насечками на крестовине 1 см). Измерения провести для
трех значений R.
2. Определить момент инерции системы Ic; путем измерения времени
падения грузов m0 при одном значении m0. Повторить опыт три раза,
расчет ic выполнить по формуле:
3. Учитывая, что Ic = I0 + 4I2,0 найти Iгр для данного значения m0.
4. Установить грузы на другом расстоянии R от оси вращения. Повторить
измерения Iс. Вычислить Iгр для нового значения R.
5. Повторить эксперименты, описанные в пп. 2-4, меняя расстояние R,
Вычислить для каждого значения R моменты инерции Iгр.
6. Данные занести в таблицу.
7. Начертить график Iгр= f(R2).
8. Объяснить полученные результаты
Контрольные вопросы и задания
1. Что является мерой инертности тела при поступательном и вращательном
движении?
2. Что называется моментом инерции тела относительно оси вращения?
Назовите единицу измерения момента инерции.
3. Какие способы определения момента инерции тел вы знаете?
4. Сформулируйте теорему Штейнера.
5. Запишите основной закон вращательного движения.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ НАКЛОННОГО МАЯТНИКА
Цель работы
Ознакомиться со сложным механическим движением; определить коэффициенты
трения различных пар материалов.
Приборы и принадлежности
Наклонный маятник, набор пар трения - шариков и плоских поверхностей
качения.
Описание экспериментальной установки
Наклонный маятник (рис.20) собран на платформе I, оснащенной
регулировочными винтами, позволяющими устанавливать платформу в
горизонтальном положении. На платформе закреплена поворотная штанга 2,
положение, которой изменяется ручкой 3, а угол наклона ? контролируется
по шкале 4. Со штангой 2 посредством специального держателя жестко
связана плоская полированная пластинка 5, являющаяся одним телом
трущейся пары. В качестве второго тела в установка используются сменные
шарики 6, подвешиваемые с помощью тонкой нити к пилону штанги 2.
Отклонение шарика 6 от положения равновесия (угол ?) измеряется по
шкале.
Данный прибор допускает измерение коэффициентов трения скольжения для
различных твердых трущихся пар. По известным значениям коэффициентов
может быть определена сила трения
Fmp = f*N,
где f - коэффициент трения; N - сила нормального давления. Работа с
прибором
1. Установить штангу маятника 2 в положение, соответствующее нулевое
показанию индикатора угла наклона 4.
2. Проверить правильность установки прибора с помощью шарика,
используемого в качестве отвеса. При правильном положении прибора угол
отклонения шарика (?) должен быть равен нулю и шарик лишь слегка
касается поверхности качения.
3. Откорректировать при необходимости положение прибора регулировочными
винтами в платформе прибора.
4. Установить угол наклона штанги прибора ? в пределах 50...60°.
Теоретическое введение
На шарик выведенный из положения равновесия, действуют следующие силы:
тяжести (тg), натяжения нити (Т), реакции опоры (N) и трения (Fтр) (рис.
21). Под действием скатывающей силы, являющейся геометрической суммой
указанных сил (Fck = mg + T + N + Fmp), шарик совершает колебательное
движение. Наличие силы трения между шариком и поверхностью качения
приводит к уменьшения амплитуды колебаний шарика во времени. Работа сил
трения может быть представлена в виде
, f - коэффициент трения; N - сила реакции опоры; N = mg*sin?; R -
длина нити подвеса; ?0 - начальный угол отклонения шарика; ?n - конечный
угол отклонения шарика; n - число полных колебаний, совершенных шариком
при его движении.
Вследствие работы сил трения уменьшается механическая энергия шарика.
Убыль механической энергии численно равна работе сил трения:
W0-Wn=Amp, (91)
где W0,Wn - механическая энергия шарика в исходном и конечном
состояниях.
В качестве начального и конечного состояний шарика наиболее удобно
принимать положения его максимального отклонения, когда скорость
движения шарика равна нулю, а механическая энергия численно равна
потенциальной энергии шарика. В этом случае
Amp=П0-Пn=mg(h0-hn), (92)
где h0, hn - начальная и конечная высота подъема шарика. Высота подъема
шарика может быть выражена через угол наклона штанги ?, угол отклонения
шарика от положения равновесия в плоскости колебаний ? и длину нити
подвеса (рис. 21)
h=Rcos?(1-cos?), (93)
В этом случае выражение (92) принимает вид
Amp=mgRcos?(cos?n-cos?0)=
?,
Сопоставляя соотношения (90) и (95), получаем выражение для коэффициента
трения
где ?0 и ?n выражены в радианах. Поскольку шкала для измерения углов @@
про градуирована в градусах, то рабочий вид формулы (96) имеет вид:
где углы ?0 и ?n выражены в угловых градусах.
Порядок выполнения работы
1. Установить угол ? наклона штанги прибора на 50...60°.
2. Отклонить шарик от положения равновесия на угол ?0Параметры маятника:
диапазон отклонения маятника от положения равновесия - 0-90°;
значение деления угловой шкалы - 1°;
масса каждого из грузов, перемещаемых по стержню маятника (указана
непосредственно на грузах);
масса "снаряд" (указана на установке).
Работа с прибором
1. Включить шнур питания прибора в сеть и нажать клавишу "Сеть".
2. Проверить работу индикаторов и лампочек фотоэлектрического датчика:
индикаторы электронного секундомера и счетчика числе колебаний
(периодов) должны высвечивать "О" вс всех разрядах, а лампочке
фотоэлектрического датчика светиться.
3. Если на индикаторах отсутствуют "О" во всех разрядах, то необходимо
нажать клавишу "Сброс".
4. После нажатия клавиши "Сброс" счетчик периодов и электронный
секундомер готовы к измерениям.
5. для окончания измерений следует нажать клавишу "Стоп".
П р и м е ч а н и е. После нажатая клавиши "Стоп" секундомер
останавливается не мгновенно, а продолжает счет до окончания очередного
периода колебаний.
Теоретическое введение
В основе экспериментального определения скорости полета тела с помощью
баллистического маятника лежит закон сохранения момента импульса.
Если тело массой m движется со скоростью V в плоскости колебаний
маятника (рис. 24), то момент импульса тела относительно оси маятника
L0=mVr,
где r - кратчайшее расстояние от оси маятника до траектории движения
тела. Во время выстрела маятник покоится, т.е. момент импульса его равен
нулю. После влипания тела в мисочку маятника последний вместе с телом
приобретает начальную угловую скорость вращения w0.
Из закона сохранения момента импульса для системы тело - маятник
следует, что
mV2=I1w0, (98)
начинает поворачиваться. При этом происходит закручивание подвеса
(упругой нити) и возникает тормозящий момент. Поворот маятника
прекращается, когда его кинетическая энергия вращения полностью перейдет
в потенциальную энергию закрученной нити:
где К - коефициент упругости нити; ?0 максимальный угол закручивания
маятника.
Решая совместно уравнения (98) и (99), находим
Дня определения скорости V из (100) необходимо знать величины К и I1.
Для этого следует выполнить два дополнительных измерения, основанных на
законах крутильных колебаний маятника.
Из второго закона динамики для вращательного движения следует
IE=M= - k?, (101)
- угловая скорость маятника); М - тормозящий момент; ? - угол поворота
маятника.
Таким образом, уравнение крутильных колебаний маятника (101)
преобразуется к виду;
- циклическая частота колебаний маятника). Решением уравнения (105)
являются гармонические колебания с периодом
Период колебания маятника можно найти экспериментально, причем период
будет зависеть от момента инерции маятника и коэффициента упругости
подвеса k.
Изменяя момент инерции маятника перемещением грузов массой М из
положения R1, для которого момент инерции I1, в положение R2, для
которого момент инерции I2, и определяя для этих моментов периоды T1 и
T2, составляем систему уравнений (рис. 24):
где I0 – момент инерции системы без подвижных грузов;
I1= I0+2MR12; I2= I0+2MR22.
Решая систему (104), находим коэффициент упругости нити
и момент инерции
I1= I0+2MR1;
Подставляя значения К и I1 в выражение (100), определяем скорость полета
тела
Порядок выполнения работы
1. Приблизить грузы, перемещаемые по стержням, к оси маятника на
расстояние 4-5 см (R1).
2. Установить маятник в таком положении, чтобы черта на мисочке с
пластилином совпадала с положением "О" на прозрачном экране.
3. Выстрелить тело из стреляющего устройства (первая зарядка тела в
стреляющее устройство осуществляется при помощи преподавателя или
лаборанта).
4. Измерить максимальный угол отклонения маятника ?0.
5. Включить и обнулить счетчик времени и периодов.
6. Отклонить вручную маятник на угол ?0, деблокировать измеритель
времени (нажатием клавиши "Сброс") и отпустить маятник.
7. Измерить время десяти колебаний и вычислить период крутильных
колебаний Т1.
8. Отдалить от оси подвижные грузы на расстояние 9-10 см (R2) и
повторить действия согласно пп. 2, 5, 6 данного подраздела.
9. Измерить время десяти колебаний и вычислить величину Т1
10. Вычислить скорость полета тела по формуле (107).
11. Повторить опыт по определению скорости полета тела не менее трех
раз.
12. Вычислить среднее значение скорости полета тела.
Контрольные вопросы и задания
1. Сформулируйте закон сохранения импульса.
2. Что такое момент силы?
3. Дайте определение момента инерции тела относительно неподвижной оси
вращения.
4. Дайте определение момента импульса тела и сформулируйте закон
сохранения момента импульса для замкнутой системы.
5. Запишите основное уравнение динамики вращательного движения.
6. Запишите формулу кинетической энергии тела, вращающегося вокруг
неподвижной оси.
7. Запишите формулу работы при вращательном движении тела.
8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ДЕФОРМАЦИИ, КОЭФФИЦИЕНТА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ И
СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛ ПРИ УДАРЕ
Цель работы
Изучить законы сохранения энергии и импульса; определить
экспериментально работу деформации, коэффициент восстановления, время и
силу взаимодействия тел при ударе.
Приборы и принадлежности
Прибор для исследования столкновений шаров, комплект шаров. Понятие
"удар" включает в себя совокупность явлений, возникающих при
столкновении движущихся твердых тел, а также при некоторых
взаимодействиях твердых тел с жидкостями и газами (гидравлический удар,
взрыв и т.д.). Отличительная особенность данных физических явлений
заключается в том, что время взаимодействия мало (10-4 - 10-6 с), а
давление, возникающее в точках контакта соударяющихся тел или сред,
достигает значений порядка 107 - 1088 Н/м2.
Описание экспериментальной установки
Общий вид прибора для исследования столкновения шаров показан на рис.
24. В основании I закреплена колонка 2, к которой прикреплены нижний 3 и
верхний кронштейны 4. К верхнему кронштейну подведены провода 5 от шаров
6. Винт 7 позволяет изменять расстояние между шарами. На нижнем
кронштейне укреплены угольники 8 с измерительными шкалами и
электромагнит 9. После отвинчивания болтов 10 электромагнит можно
передвигать вдоль первой шкалы и фиксировать высоту его установки. Сила
притяжения электромагнита регулируется винтом 11, перемещающим сердечник
12.
При включении прибора в сеть и нажатии клавиши "Сеть" загорается
цифровой индикатор. Для установки нулевых показаний необходимо сбросить
измерительную схему нажатием клавиши "Сброс". Управление электромагнитом
осуществляется клавишей "Пуск". При отжатой клавише "Пуск" включается
электромагнит и шар, отведенный к магниту, удерживается в отклоненном
положении. В этом положении по шкале измеряется начальный угол @@
отклонения нити от вертикального положения. При нажатии клавиши "Пуск",
электромагнит отключается, шар под действием силы тяжести начинает
перемещаться и, сталкиваясь с покоящимся шаром, вызывает его смещение.
При этом нить второго шара отклоняется на угол @@, а первого на угол
@@, величины которых зависят от упругих свойств материалов шаров. При
столкновении шара с неподвижной стенкой, установленной вместо
покоящегося шара, нить правого шара отклоняется на угол @@1.
Порядок выполнения работы
Измерение времени взаимодействия шаров и углов ?, ?, ?, ?1.
1) Измерить расстояния R от точки подвеса до центра даров и при
необходимости отрегулировать их; эти расстояния должны быть равны. Массы
шаров указаны на установке.
2) Включить источник питания нажатием клавиши "Сеть".
3) Отжать клавишу "Пуск" и отвести правый шар к электромагниту, измерить
угол первоначального отклонения нити ? от вертикального положения.
4) Нажать клавишу "Сброс".
5) Нажать клавишу "Пуск". Измерить углы максимальных отклонений от
вертикального положения нитей левого шара ? и правого ? после их
взаимодействия. Зафиксировать по микросекундомеру время взаимодействия
шаров. Измерения повторить 3-5 раз и подученные данные занести в
таблицу.
6) Используя пары с различными упругими свойствами, выполнить
исследования в соответствии с пп.1-5.
7) Заменить левый шар неподвижной стенкой и в соответствии с пп.3)-6)
определить максимальный угол отклонения нити ?1 правого шара от
вертикального положения после его взаимодействия со стенкой. Данные
занести в таблицу.
Определение скоростей шаров
При абсолютно упругом столкновении шара массой m1, который двигаетcя со
скоростью V1, с шаром массой m2, который двигается со скоростью V2
(V2
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
