Описание прибора

Прибор (рис.1) состоит из электрического моторчикаA, укрепленного в обойме B. Обойма опирается на вертикальный стержень C и может вращаться вокруг горизонтальной оси, а вместе со стержнем – вокруг вертикальной оси.

Рис. 1 Прибор для изучения прецессии гироскопа

Собственно, гироскопом является ротор моторчика с массивным диском E. Момент внешних сил, приложенных к гироскопу, может изменяться при перемещении груза K по стержню обоймы. Прибор содержит также электронный блок G, в состав которого входят: система измерения скорости вращения моторчика, электронный таймер, фотоэлектрическая система измерения угла поворота гироскопа вокруг вертикальной оси.

Включение моторчика производится выведением ручки «скорость вращения» 1 из крайнего левого положения. Дальнейшее вращение этой ручки по часовой стрелке приводит к увеличению скорости вращения моторчика. Стрелочный прибор 2 на панели блока показывает скорость вращения моторчика.

Включение электронного таймера и фотоэлектрической системы измерения угла  поворота гироскопа вокруг горизонтальной оси производится одновременно нажатием клавиши «сеть» 3. При нажатии на клавишу «сброс» 4 происходит обнуление табло электронного блока 6, 7. После нажатия на клавишу "сброс" происходит запуск фотоэлектрической системы измерения угла  и электронного таймера в момент, когда световой пучок попадает на фотоэлемент системы через одну из прорезей на цилиндрической диафрагме D, поворачивающейся вместе с гироскопом вокруг вертикальной оси. После нажатия на клавишу «стоп» 5 происходит остановка измерений времени t и угла  при очередном попадании светового пучка на фотоэлемент системы. Угловую скорость прецессии получают путем деления зафиксированного на табло 7 электронного блока значения угла  на соответствующее время t.

Порядок выполнения работы

1. Закрепите груз K на стержне обоймы так, чтобы весь прибор находился в безразличном положении равновесия, ось гироскопа установите горизонтально.

2. Включите моторчик и подождите 2–3 минуты, пока ротор не начнет вращаться с номинальным числом оборотов. Смещением груза K создайте момент силы тяжести M. Величина этого момента сил определяется по формуле M = Ph, где P – заданный вес груза, h – расстояние этого груза от его начального положения, измеряемого по шкале на стержне. Данные занесите в таблицу.

Р = m g=… (Н)

ω об/мин	Номер измерения i	hi	Mi=Phi	i	ti	Ω=i/ti	Li=Mi/Ωi	=<L>/ωi
2000	1
	…
	среднее	-	-	-	-	-
4000	1
	…
	среднее	-	-	-	-	-
6000	1
	…
	среднее	-	-	-	-	-

3. Измерьте величину угловой скорости прецессии Ω при различных значениях момента M (при различных значениях плеча h). Необходимо сделать 3 – 4 измерения для каждого значения скорости вращения ротора (рекомендуемые значения скорости вращения: 2000, 4000 и 6000 об/мин). При устойчивой работе моторчика (ω = const) в пределах ошибок измерений должно соблюдаться следующее условие

. (6)

4. Определите величину <L> – среднее арифметическое значение величины L для каждого значения скорости вращения ротора ω. Результаты занесите в таблицу.

5. Вычислите момент инерции гироскопа по формуле

= L/ω. В пределах ошибок измерений значения I для всех ω должны совпадать. Результат измерения запишите в стандартном виде:

=( < > ± Δ ) кг∙м² , ε = …% при α = 0,95 .

Контрольные вопросы и задания

1. Почему знание массы тела является недостаточным для описания его инерционных свойств?

2. Где должна быть приложена и как направлена внешняя сила, чтобы ее момент вызвал максимальное угловое ускорение тела?

3. В чем состоит физическая суть гироскопического эффекта и возникающих при этом гироскопических сил? Как они согласуются с законами вращательного движения?

4. Назовите факторы, которые влияют на скорость регулярной прецессии гироскопа с неподвижной точкой опоры.

5. Объясните поведение быстро вращающегося китайского волчка, исходя из гироскопического эффекта.