Лабораторная работа № 4 закон сохранения энергии – пружинная пушка

Цель работы: экспериментально проверить закон сохранения энергии с помощью пружинной пушки и закон сохранения момента импульса с помощью физического баллистического маятника.

Оборудование: ЛКМ-2 (пушка с пружиной, набор снарядов, цилиндрические грузы).

Краткие теоретические сведения

Энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. С различными формами движения материи связывают различные формы энергии: механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и др. В одних явлениях форма движения материи не изменяется (например, горячее тело нагревает холодное), в других – переходит в иную форму (например, в результате трения механическое движение превращается в тепловое). Однако существенно, что во всех случаях энергия, отданная (в той или иной форме) одним телом другому телу, равна энергии, полученной последним телом.

Изменение механического движения тела называется силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике вводится понятие работы силы. Работа силы на участке траектории от точки 1 до точки 2 равна алгебраической сумме элементарных работ на отдельных бесконечно малых участках цепи. Эта сумма приводит к интегралу

Для вычисления этого интеграла надо знать зависимость силы от пути вдоль траектории1 – 2. Пусть эта зависимость представлена графически тогда искомая работа определяется на графике площадью заштрихованной фигуры.

Порядок выполнения работы

По измерениям скорости различных снарядов при различных их деформациях исследовать зависимость скорости снаряда от его массы и деформации пружины. Проверить соотношение

kx²/2 = mv²/2 (4.1)

Вследствие конечной массы пружины и наличия сил трения коэффициент полезного действия пушки  = (mv²⁾/(kx²) оказывается меньше единицы.

Определить жесткость пружин и полученные результаты записать в виде:

4.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ПРУЖИН.

Таблица 4.1.

Определение жесткости пружины

Пружина 1

Масса груза, m, г

Расстояние верхнего торца пружины от платформы, х, мм

Жесткость пружины k=mg/х, Н/м

Времяпролётные характеристики записать в таблицу 4.2.

4.2 ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА –

ФИЗИЧЕСКИЙ БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК

Оборудование: ЛКМ-2 (пушка с пружиной, набор снарядов, физический маятник, подвес баллистического маятника со шкалой.)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

По параметрам физического маятника определить его полную массу, m₀ момент инерции I маятника относительно оси подвеса, расстояние Н его центра масс от оси подвеса и приведенную массу М, равную массе мишени плюс одна треть массы стержня. Расстояние Н можно определить экспериментально. Положите маятник на две параллельные линейки, поставленные на столе на ребро. Сближайте линейки, не допуская опрокидывания маятника. Линейки сойдутся вблизи центра масс маятника.

«Прицельный параметр» (расстояние от оси маятника до линии выстрела и до центра мишени) r = 300 мм определен конструкцией пушки. Приведенная масса и моментом инерции маятника связаны соотношением: I = Mr².

Записать результаты для физического маятника в виде:

m₀ = г, I = гм², Н = мм, М = г.

Снаряд массой m, летящий со скоростью с прицельным параметром l, имеет момент импульса L = mr. При ударе сохраняется момент импульса системы «снаряд плюс маятник» относительно точки подвеса. Угол отклонения зависит от вида удара. Если принять, что снаряд после удара движется с той же скоростью, что и мишень, но не прилипает к ней, то соотношение между скоростью снаряда и углом отклонения таково: