Лабораторная работа № 4 (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012))

ОглавлениеЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4................................................................................................................. 21. ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ .............................................................................................. 22. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ .................................................................................................................. 33. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ .............................................................................................

3ДАННЫЕ УСТАНОВКИ ....................................................................................................................... 44. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ...............................................................................

4ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ...................................................................................................... 5КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ...................................................................................................................

52Лабораторная работа № 4ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСАЦель работы: изучение закона сохранения импульса на примере системы, состоящей из пушки и снаряда.Пружинная пушка укреплена на тележке, которая может двигаться с малым трением по горизонтальным рельсам. При срабатывании спускового механизма снаряд выталкивается распрямляющейся пружиной и движется вначале в стволепушки, а затем в воздухе.Систему пушка-снаряд можно считать приближённо замкнутой в горизонтальномнаправлении, так как сила трения между колесами тележки и рельсами многоменьше внутренних сил, действующих малый промежуток времени.

Действиемсилы трения за это время можно пренебречь. Поэтому для взаимодействия пушкии снаряда, происходящего от начала действия пружины до момента вылета снаряда из ствола, сохраняется проекция импульса на горизонтальное направление(вдоль оси пушки).

Начальный импульс системы равен нулю, так как оба тела неподвижны. Поэтому проекция импульса системы должна оставаться равной нулюдо конца взаимодействия, т. е. должно иметь место равенство(1)m1 v1 x  m2 v2x  0 ,где m1 – масса пушки и тележки, v1 – скорость пушки в конце её взаимодействиясо снарядом, m2 – масса снаряда, v2 – скорость снаряда в конце взаимодействия.Введем следующие обозначения: импульсы – P1 = m1v1, P2 = m2v2, тогда из соотношения (1) следует, что(2)P1  P2 .Соотношение (2) проверяется в данной работе.1. Описание метода измеренийДля проверки соотношения (2) необходимо найти массу пушки и массу снаряда ирассчитать скорости v1 и v2. Масса m1 задана на установке, массу m2 требуетсянайти взвешиванием на технических весах. Абсолютные величины скоростей v1 иv2 найдём, исследуя независимые движения пушки и снаряда по окончании ихвзаимодействия.Для этого зафиксируем начальное положение указателя тележки.

К концу взаимодействия пушка сместится. Однако это смещение много меньше перемещенийпушки и снаряда после отрыва снаряда от ствола. Поэтому фиксированноеначальное положение указателя тележки можно принять за начальную точку независимого движения пушки. Движение пушки после вылета снаряда из её стволаявляется прямолинейным, равнозамедленным под действием постоянной силытрения.

Начальная скорость этого движения – v1; конечная скорость – vt = 0. Измеряя расстояние S, пройденное пушкой до остановки, и время t1 этого движения,можно найти v1 по формуле2Sv1 .(3)t13Независимое движение снаряда есть свободное падение (сопротивлением воздухапренебрегаем) с начальной скоростью v2 , направленной горизонтально. Выберемсистему координат, как показано на РИС.

1. Законы движения снаряда имеют видgt 22.(4)x  v2t2 , y 2Подставив в уравнения (4) значения x = l и y = h и исключив время, получим формулу для расчёта скоростиg.(5)2hТаким образом, измеряя величины l и h, можно рассчитать скорость снаряда v2.v2  lРис. 12. Описание установкиЭкспериментальная установка показана на РИС.

2. Пружинная пушка укреплена натележке, которая передвигается по горизонтальным рельсам. Для проверки горизонтального положения рельсов служит уровень 1, расположенный между рельсами. При горизонтальном положении рельсов пузырёк воздуха должен стоять вцентре уровня. Пружина пушки 2 надета на стержень 3. Снаряд насаживают настержень и сжимают им пружину. Для удержания пружины в сжатом положениииспользуют электромагнит 4.

Напряжение к электромагниту подаётся от источника питания УБП. Тумблер 5 служит для замыкания цепи электромагнита.Рис. 23. Порядок выполнения работы1. С помощью уровня проверить горизонтальность рельсов.2. Взвесить на технических весах снаряд.3. Измерить высоту h (см. РИС. 1).4. Включить источник питания.45. На площадку, на которую падает снаряд, положить миллиметровую и копировальную бумагу.6. Сжать пружину пушки, замкнуть цепь электромагнита.7. Произвести выстрел – разомкнуть цепь электромагнита и одновременно пустить в ход секундомер.8.

Остановить секундомер одновременно с остановкой тележки и измерить полинейке путь S, пройденный тележкой.9. По следу, оставленному на миллиметровой бумаге в том месте, где упал снаряд,измерить путь l, пройденный снарядом по горизонтали. Из РИС. 1 видно, что путьl = l1 + l2, где l1 – расстояние от края ствола до площадки, накрытой бумагой, онозадано на установке, а l2 – расстояние, измеренное по бумаге.

После каждого измерения след нужно зачеркнуть, чтобы не спутать с ним последующие следы.Пункты 6-9 повторить 5 раз. Полученные результаты занести в ТАБЛ. 1.Данные установкиm1 = …; Δm1 = …; l1 = …; Δl1 = …Результаты взвешивания: m2 = …; Δm2 = …Измерение h: h = …; Δh = …Таблица 1Измерения S, t и l 2№ п/пS, мм12345СреднееΔS, ммt, сΔt, с––l2, ммΔl2, мм–Расчёт случайных погрешностей ΔS, Δt и Δl2:ΔSсл = …ΔSинс = …ΔSсум = …Δtсл = …Δtинс = …Δtсум = …Δl2сл = …Δl2инс = …Δl2сум = …S  S  ΔSt  t  Δtl2  l2  Δl24. Обработка результатов измерений1.

По формуле (3) найти скорость пушки v1.2. Рассчитать погрешность Δv1 по формуле22 ΔS   Δt Δv1  v1    . S   t Рассчитать относительную погрешность δv1 v1 в виде v1  v1  Δv1 .Δv1. Записать результат измеренияv153. По формуле (5) найти скорость снаряда v2.4. Рассчитать погрешность Δv2, используя формулу2Δv2  v2(Δl1 )2  (Δl2 )2 1  Δh    .(l1  l2 )24 h Рассчитать относительную погрешность δv2 Δv2.

При этом убедиться, что поv2грешность g/g мала.Записать результат измерения v2 в виде v2  v2  Δv2 .5. Рассчитать импульсы пушки и снаряда P1 = m1v1, P2 = m2v2.6. Рассчитать погрешности ΔP1, ΔP2, используя формулу22 Δm   Δv ΔР  Р    . m   v Рассчитать относительную погрешность δP ΔР. Записать результаты расчётов вРвиде P1  P1  ΔP1 , P2  P2  ΔP2 .7.СравнитьразностьP2  P1спогрешностьюэтойразности,равной(ΔР1 )2  (ΔР2 )2 .

Объяснить полученный результат.Дополнительное заданиеПо указанию преподавателя рассчитать модуль силы трения, действующей напушку от начала её движения до остановки.Контрольные вопросы1. При взаимодействии каких тел в данной работе сохраняется проекция импульса на горизонтальное направление?2. При выполнении каких условий можно считать систему пушка-снаряд приближенно замкнутой в горизонтальном направлении?3.

Какие силы являются внутренними, какие – внешними для рассматриваемойсистемы тел?4. Каким образом осуществляется взаимодействие снаряда и пушки?5. Сохраняется ли механическая энергия в процессе взаимодействия пушки иснаряда? Чему она равна в начальный и конечный момент взаимодействия?.