Лабораторная работа № 7 (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012))

ОглавлениеЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7................................................................................................................. 21. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................. 22. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ............................................................................................. 3ЧАСТЬ 1 .....................................................................................................................................................

3ЧАСТЬ 2 ..................................................................................................................................................... 43. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................... 4ДАННЫЕ УСТАНОВКИ ....................................................................................................................... 4КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ................................................................................................................... 52Лабораторная работа № 7ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГОДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ОПРЕДЕЛЕНИЕМОМЕНТА ИНЕРЦИИ МАЯТНИКА ОБЕРБЕКАВ настоящей работе экспериментально определяется и исследуется момент инерции тела сложной геометрической формы – крестообразного маятника.1. Описание установки и метода измеренийПрибор Обербека, применяемый в данной работе, схематически изображён наРИС.

1. Крестообразный маятник состоит из четырёх стержней 1 и двух шкивов 2различного радиуса, укреплённых на одной горизонтальной оси. По стержням могут перемещаться и закрепляться в нужном положении четыре (по одному накаждом стержне) цилиндрических грузика 3 одинаковой массы М.Рис. 1Рис. 2При помощи грузов 4 разной массы m, прикреплённых к концу намотанной на тотили иной шкив нити, крестообразный маятник может приводиться во вращение.Высота h, с которой начинает движение груз m, отсчитывается по линейке 5,укреплённой на вертикальной стойке 6.

Нить с грузом пропускается через лёгкийшкив 7. Время движения груза 4 с высоты h отсчитывается по секундомеру 8. Крестообразный маятник, линейка и секундомер смонтированы вместе. Секундомер,применяемый в такой установке, снабжён фотодатчиком 9, который автоматически включает его, когда груз касается опоры1. В данной установке (РИС. 2) используется симметричное расположение цилиндрических грузиков М на стержнях. Если пренебречь моментом сил трения в подшипниках оси, то единственной силой,которая создаёт момент относительно неподвижной оси вращения, является силанатяжения нити T .В лаборатории имеется прибор Обербека, в котором крестообразный маятник, секундомер и линейка не объединены в одну установку.13Основное уравнение динамики вращательного движения для маятника Обербекаимеет вид(1)Iε  Tr ,где I – момент инерции маятника ε – угловое ускорение; r – радиус шкива, на который наматывается нить.Для поступательного движения груза m можно записать систему уравненийat 2,(2)ma  mg  T , h 2где h – высота, с которой начинает движение груз m; t – время движения груза свысоты h; a – ускорение груза в момент времени t.Используя связь линейного и углового ускорений a = εr, получим gt 2I  mr 2  1 . 2h(3)Работа состоит из двух частей.В первой устанавливается независимость момента инерции I от момента внешнихсил.

Изменять величину момента сил можно, изменяя радиус шкива r или массугруза m.Во второй части работы изучается зависимость момента инерции от распределения массы тела относительно оси вращения. Из определения момента инерцииследует, что оставляя массу крестообразного маятника неизменной, но изменяяпри этом распределение массы относительно оси вращения, можно получить разные моменты инерции.

Изменение распределения массы маятника можно осуществить, перемещая цилиндрические грузики М вдоль стержней.2. Порядок выполнения работыЧасть 11. Закрепить цилиндрические грузики М на середине стержня таким образом,чтобы система находилась в положении безразличного равновесия. Этого можнодобиться проверкой равновесия в двух взаимно перпендикулярных положенияхкрестовины: сначала один из стержней располагают горизонтально, потом другой. При этом маятник не должен вращаться.2. Закрепить нить с грузом m на шкиве радиуса r1 и намотать её так, чтобы грузподнялся на высоту h. Высоту отсчитывать по линейке по нижнему торцу груза m.3.

Включить в сеть секундомер (кнопка СЕТЬ), при этом загорается цифровой индикатор и лампочка фотодатчика. Одновременно включается тормоз, не позволяющий вращаться маятнику, и груз m фиксируется на высоте h.4. Переключить секундомер на измерение времени (кнопка ПУСК). Одновременноотключается тормоз и груз m начинает опускаться, вращая маятник.ВНИМАНИЕ: Кнопка ПУСК должна быть включена всё время, пока секундомер отсчитывает время движения груза. Отсчёт времени автоматически прекратитсяпосле того как груз коснется опоры.45. Записать время t1 движения груза m в ТАБЛ.

1, отключить секундомер от сети(кнопка СЕТЬ). Повторить опыт (П. 3-5) пять раз2.6. Перекинуть нить с грузом на другой шкив радиуса r2 и повторить опыт по измерению времени t2 движения груза с той же высоты h 5 раз (ПП. 2-5). Данные занести в ТАБЛ. 2.Часть 21. Закрепить нить с грузом m на шкиве радиуса r1 и в дальнейшем эти параметрыне менять.2. Установить грузики М, сдвигая их от середины ближе к оси вращения.3.

Включить секундомер и повторить опыты (Ч. 1, ПП. 3-5) по измерению времениt3 падения груза 5 раз. Данные занести в ТАБЛ. 3.4. Установить грузики М, сдвигая их от середины дальше от оси, и измерить времяt4 (ТАБЛ. 4).3. Обработка результатов измерений1. По даннымТАБЛ. 1и 2, используя (3), вычислить моменты инерции I1 и I2 и(I  I )найти среднее значение I   1 2 .22.

По данным ТАБЛ. 3 и 4 вычислить моменты инерции I3 и I4. Проверить, выполняется ли соотношение I4 > I' > I3.Данные установкиM = … ΔM = …m = … Δm = …r1 = … Δr1 = …r2 = … Δr2 = …h = … Δh = …Таблица 1iМ – на середине стержняm=…m=…r1 = …r2 = …t1Δt1t2Δt212345СреднееI1  ...Таблица 2–Среднее–Таблица 3Таблица 4М – ближе к осиМ – дальше от осиm=…m=…r1 = …r1 = …it3 Δt3t4Δt412345Среднее–Среднее–I3  ...Если секундомер не соединён с установкой, то измерение времени падения груза с высоты h проводится включением и выключением секундомера вручную.25I2  ...I4  ...I    I1  I2  23. Расчёт погрешности измеренийΔt1i  t1  t1i ,Δt1cл  2,78 Δt21i20, Δt1инс = …;22,Δt1  Δt1сл Δt1инсt1  t1  Δt1 .Δt2сл = …Δt2инс = …t2 = …t2  t2  Δt2Δt3сл = …Δt3инс = ….;t3 = …t3  t3  Δt3Δt4сл = …Δt4инс = …t4 = …t 4  t4  Δt 422222222ΔI1  I1 Δr1  Δt1   Δh  Δm  m   4 r   4 t    h  ; 1  1   ΔI2  I2 Δr2  Δt2   Δh  Δm  m   4 r   4 t    h  ; 2  2   ΔI  1(ΔI1 )2  (ΔI2 )2 ;2I   I   ΔI  .Сравнить I4, I3, I.Найти относительную погрешность δ ΔI .IКонтрольные вопросы1.

Что изменится в системе уравнений (1) и (2) и в формуле (3) для расчёта I, если учесть силу трения в опоре?2. Как из закона сохранения полной механической энергии системы можнонайти скорость груза при ударе об опору?3. При каких условиях в этой системе выполняется закон сохранения механической энергии?4. Как, используя закон изменения полной механической энергии системы,можно найти работу сил трения в системе?.