Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

методичка для лаб физика

.pdf
Скачиваний:
21
Добавлен:
31.05.2015
Размер:
1.38 Mб
Скачать

гдеI0 - тензор момента инерции относительно системы координат, начало которой совпадает с центром масс. Компоненты I0 будут постоянны во времени, если система координат неизменно связана с телом.

Зная I0 , можно найти момент инерции относительно любой оси, проходящей через O - центр масс тела. Пусть направление оси вращения задано вектором n . Тогда, учитывая, что Nω = Iω ωr, по формуле (8) проекцию Nr на n можно записать так: Nn = N0nr = nrI0nrωr = Inω , где In - момент инерции относительно оси n . Или: In = nI0n . Если записать число In через компоненты тензора I0 и вектора n , то получим довольно

громоздкое выражение. Приведем более краткую и ясную формулу, приняв

за

оси

координат

главные

направления

nr1, nr2 , nr3 ;

тогда

n =α1n1 +α2n2 +α3n3 ,

где α1,α2 ,α3

– направляющие косинусы

n по

отношению к осям n1,n2,n3 . Следовательно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I0n =α1I0n1 +α2 I0n2 +α3I0n3 =α1I x n1 +α2 I y n2 +α3I z n3.

 

Поэтому:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r r

2

 

2

 

2

I z .

 

 

 

 

(9)

 

 

In = nI0n

=α1 I x +α

2 I y

+α3

 

 

 

 

 

где I x , I y , I z

– моменты инерции относительно главных осей, проходящих

через

центр

масс. По формуле (9)

можем

при

известных I x , I y , I z

и

αr1,α2 ,α3 точно определить момент инерции

 

In относительно любой оси

n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Описание эксперимента

 

 

 

 

 

 

 

Итак, для момента инерции I

имеем

 

 

 

 

формулу:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = I x cos2 α + I y cos2 β + I z cos2 γ ,

 

 

 

 

 

(10)

cosα, cos β, cosγ

 

 

 

 

 

 

 

 

где

- направляющие

 

 

 

 

косинусы;

I x , I y , I z

-

моменты инерции

 

 

 

 

относительно осей, проходящих через

 

 

 

 

середины

противоположных

граней

и

 

 

 

 

через

геометрический

центр прямой

 

 

 

 

призмы – точку O

 

DD

 

 

 

 

(оси NN ,

, KK

 

 

 

 

 

на

рис.4),

 

а

I

момент

инерции

 

 

 

 

относительно

 

 

диагональной

оси,

 

 

 

 

проходящей

 

через

 

противоположные

 

 

 

51

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вершины груза (осьRR).

Запишем выражение для уравнения колебаний физического маятника

 

 

 

 

T = 2π

I / mgl ,

(11)

которое можно переписать в виде:

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T = 2π

 

,

 

 

 

 

 

(11а)

 

 

 

 

 

 

 

f

 

f

 

= mgl = const .

 

где I - момент инерции маятника,

а

 

Выразим момент

инерции I через период колебаний T , т.е.

 

 

 

 

 

 

 

I =

f

 

T 2

= kT 2 ,

 

 

(12)

 

 

4π 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

k =

 

f

 

= const

 

 

 

 

 

 

4π 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

x

= kT 2,

I

y

= kT 2

,

I

z

= kT 2

(13)

 

x

 

 

 

 

y

 

 

z

 

Подставляя эти соотношения в формулу (10), получим:

kT 2 = kTx2 cos2 α + kTy2 cos2 β + kTz2 cos2 γ

или

T 2 =Tx2 cos2 α +Ty2 cos2 β +Tz2 cos2 γ

Теперь рассмотрим для примера образец в виде параллелепипеда с ребрами a,b,c. Для его диагонали направляющих косинусов имеют вид:

cos2 α =

 

 

a2

 

 

,

cos2

β =

 

b2

 

,

 

a2 + b2

+ c2

a2 + b2

+ c2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 γ =

 

 

c2

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

a2 + b2

+ c2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда выражение (14а) принимает вид:

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2 a2

2

b2

 

2 c2

 

 

 

 

T

 

= Tx

 

 

+Ty

 

 

+Tz

 

 

,

 

 

 

 

r 2

 

r 2

r 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

r 2 = a2 +b2 + c2 .

Следовательно

(14)

(14а)

прямого

квадраты

(15)

(16)

T 2 =

a2Tx2 + b2Ty2 + c2Tz2

,

(17)

a2 + b2 + c2

 

 

 

где левая часть

Tэксп2 = Tэксп 2 ± ∆Tэксп2 ,

52

а правая часть

Tрасч2 = Tрасч 2 ± ∆Tрасч2 .

И тогда соотношение (17) можно записать в виде:

T

2 ± ∆T 2

= T

расч

2 ± ∆T 2

(18)

эксп

эксп

 

расч

 

Таким образом, проверка выполнения соотношения для моментов инерции (10) сводится в эксперименте к проверке соблюдения соотношения для периодов колебаний(18), что и является задачей этой лабораторной работы.

Величины T 2 ,Tx2 ,Ty2 ,Tz2 определяются экспериментально из 5 опытов. Для каждого периода колебаний вычисляются

 

 

T 2

 

= T 2

 

± ∆T 2 ,

 

 

 

эксп

 

 

'эксп

 

 

 

 

 

 

 

 

Tx2ээкс

= Tx2'эксп ± ∆Tx2 ,

 

 

 

T 2

 

= T 2

 

 

± ∆T

2 ,

 

 

 

yээкс

 

'yээкс

 

 

 

y

 

 

 

T 2

 

= T 2

 

 

± ∆T

2

 

 

 

zээкс

 

'zээкс

 

 

 

z

 

T 2

определяется по формуле: T 2 = tαn S

T

2 , где tαn – коэффициент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стьюдента.

 

 

 

(T T

)2

 

 

 

 

S T 2

 

 

 

 

 

 

 

=

 

n(in 1)

 

 

 

(19)

Затем рассчитывается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T 2

 

= T 2

 

± ∆T 2

 

 

 

 

расч

 

 

' расч

 

 

расч

 

T 2

 

определяется по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

' расч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tрасч2

a2 Tx2 + b2 Ty2 + c2 Tz2

 

 

 

=

 

 

a2 + b2 + c2

(20)

 

 

 

 

 

 

 

Для расчета доверительного интервала находят среднее квадратичное величины T' 2расч

53

 

 

 

 

T2

 

 

 

2

T2

 

 

2

T2

 

 

2

S

 

=

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

T2

 

2

 

T2

+

2

S

T2

+

2

S

T2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расч

 

 

Tx

 

x

 

Ty

y

 

Tz

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

a2

S 2

2

b2

S 2

2

c2

S 2

2

 

1

a4S2

+b4S2

+c4S2

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

=

 

 

2

 

2

 

2

 

2

 

r

Tx

 

r

Ty

 

r

Tz

 

 

r

2

2

2

 

 

 

 

 

 

Tx

Ty

Tz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где r 2 = a2 +b2 + c2

Tрасч2 = tαn S

2

(21)

 

Tрасч

 

где tαn – коэффициент Стьюдента.

Приборы и принадлежности:

крутильный маятник ГРМ-05, набор образцов (тел правильной геометрической формы), штангенциркуль.

Порядок проведения работы

1.Подготовить прибор к работе, установить магнит в выбранном положении.

2.Измерить с помощью штангенциркуля геометрические размеры

образца – длину, высоту и ширину a,b, c – в формуле (20).

3.В рамке прибора закрепить образец по оси, проходящей через центры противоположных сторон (главная ось).

4.Поворачивая рамку прибора, приблизить ее стрелу к электромагниту таким образом, чтобы электромагнитная сила фиксировала положение рамки.

5.Нажать кнопку «Пуск».

6.После считывания измерителем не менее 10 крутильных колебаний, нажать кнопку «Стоп».

7. Вычислить период колебаний крутильного маятника по формуле

T= tn , где n – число колебаний, t - их время.

8.Повторить опыт 5 раз. Вычислить среднее значение квадрата периода

T 2 . Вычислить среднее квадратичное S

T 2

по формуле (19).

 

 

9. Поочередно закрепляя образец относительно двух других главных осей, повторить эксперимент согласно пунктам 4 – 8, определив, таким

образом, средние квадраты периодов Tx2 , Ty2 , Tz2 .

10. Рассчитать среднее значение периода колебаний относительно оси, совпадающей с пространственной диагональю образца, определить

54

доверительный интервал, используя формулы (20) и (21). Записать результат

ввиде: Tрасч2 = Tрасч2 ± ∆Tрасч2 .

11.Закрепить образец вдоль его пространственной диагонали. Повторить эксперимент, описанный в пунктах 4. – 8.

12.Определить доверительный интервал, используя формулу (19).

Записать ответ в виде: Tэксп2 = Tэксп2 ± ∆Tэксп2 .

13.Сравнить Tэксп2 и Tрасч2 . Сделать вывод.

14.Повторить весь эксперимент для другого образца.

Контрольные вопросы

1.Что называется моментом инерции тела?

2.Запишите основное уравнение динамики вращательного движения и уравнение моментов.

3.Что называется тензором инерции?

4.Что такое главные и центробежные моменты инерции?

5.Что такое эллипсоид инерции? Запишите уравнение, определяющее эллипсоид инерции.

6.Получите формулы для моментов инерции диска, цилиндра, конуса относительно их геометрических осей.

7.Запишите выражение для кинетической энергии тела, участвующего в поступательном и вращательном движении.

8.Запишите формулу полной энергии цилиндра, скатывающегося с наклонной плоскости.

9.Сформулируйте теорему Гюйгенса-Штейнера.

Библиографический список

1.Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М., Высшая школа.

1986.

2.Сивухин Д.В. Общий курс физики. М., Наука. 1990. Т.1.

3.Савельев И.В. Курс общей физики. М., Наука. 1987. Т.1.

55

Лабораторная работа 1-4

ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ

Цель работы: изучение физического явления трения качения.

Задача работы: экспериментальное определение коэффициента трения качения.

Теория

Трение – явление, сопровождающее нас везде и повсюду. В одних случаях оно вредно, и мы с ним ведем борьбу, в других случаях оно полезно, и мы всячески стараемся его увеличить. Различают трение покоя, трение скольжения и трение качения. В основе всех видов трения лежат электрические силы взаимодействия молекул.

 

 

М

N

 

ε

 

 

 

k

 

 

 

R

 

 

а в

Fтр

 

 

Рис.1 б

Рис.1a

 

 

Данная работа посвящена изучению трения качения. Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого. Это явление можно наблюдать, если толкнуть шар по плоской горизонтальной поверхности. Шар остановится, прокатившись, некоторое расстояние. Какая сила вынуждает его к этому? Предположим, что

это сила трения покоя Fmp , действующая на шар и, направленная против

скорости движения (рис.1а). Однако, исходя из основного закона динамики вращательного движения

 

Mr = [Fr

× Rr

Iεr = M ,

где

] - момент сил, действующий на шар, следует, что сила

 

mp

 

 

Fmp способствует увеличению скорости катящегося шара, так как вектор

момента силы трения Мr , в этом случае, сонаправлен с вектором углового ускорения ε (момент силы вычисляется относительно центра масс шара).

56

Следовательно, причиной тормозящей движение является другая сила. Если цилиндр и поверхность стола, по которой он катится, являются абсолютно твердыми (абсолютно жесткими), то контакт между ними имеет место лишь в одной точке (рис.1а). При этом сила тяжести и сила реакции опоры проходят через точку соприкосновения шара с плоскостью и не приводят к возникновению тормозящего момента этих сил относительно центра масс.

На самом деле абсолютно твердых тел не существует. Вследствие деформации касание тел происходит не в одной точке, а вдоль некоторой

площадки a b (рис 1 б). При этом результирующая сила реакции опоры N в

области контакта, будет смещена на некоторое расстояние k по направлению движения в силу того, что при движении шара, его передняя часть области деформации как бы «ударяется» о поверхность стола и получает некоторый импульс силы. При этом поверхность стола действует вверх на переднюю, часть шара немного сильнее, чем в случае, когда он покоится. Что касается задней области контакта, то тут шар начинает двигаться вверх, и, следовательно, поверхность стола действует на него несколько слабее, чем в случае покоящегося шара, что и приводит к смещению действия силы реакции опоры на величину k . Возникающий при этом момент силы

M N = kN , действует так, что угловая скорость шара будет уменьшаться.

Входящую в формулу линейную величину k называют коэффициентом трения качения, измеряют его обычно в сантиметрах. Он существенно отличается от коэффициента трения покоя, так как является размерной величиной и, по существу, характеризует плечо силы реакции опоры относительно оси цилиндра. Значение коэффициента зависит от материала тел и определяется опытным путем.

Ниже приведены значения этого коэффициента для некоторых

материалов:

 

Дерево по дереву

0.05-0.08 см

Сталь мягкая по стали (колесо по рельсу)

0.005 см

Сталь закаленная по стали (шариковый подшипник)

0.001 см

Ньютоном установлено, что если шар, под действием импульса силы движется прямолинейно по горизонтальной упруго деформируемой плоскости, то момент сил трения покоя связан с моментом силы трения

качения соотношением Fтр R = k N , откуда Fтр = Rk N , где N – сила

нормального давления. Обычно отношение Rk для большинства материалов

значительно меньше коэффициента трения скольжения. Этим объясняется то, что в технике, когда это, возможно, стремятся заменить скольжение качением (колеса, катки, шариковые подшипники и т.п.).

57

В данной работе для определения коэффициента трения качения

используется наклонный маятник (рис.2).

 

 

 

 

 

 

Наклонный

маятник

представляет собой плоскость,

отклоненную от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вертикали

на угол β , и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шарика

радиуса

R

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

массой

m закрепленного

β

 

 

 

 

 

 

 

α

при помощи

тонкой нити

 

 

 

 

 

 

 

 

 

длиной

 

l

на

этой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плоскости.

Отклоним шар

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

от положения равновесия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на

 

угол

 

α.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предоставленный

самому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

себе, он будет совершать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

затухающие колебания по

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mg

плоскости.

 

 

Полная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

энергия

 

маятника

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

учетом

 

работы

силы

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2

запишется

в

виде

суммы

кинетической (EK ), потенциальной (En )

трех

слагаемых

-

и работы силы трения качения

(Amp ):

 

 

 

 

 

 

 

 

E = Eк + Eп + Aтр,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

0

ω

2

 

I

ω

2

 

 

 

 

 

 

 

где Eк =

 

 

0

+

 

1

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь I0 и I1 моменты инерции шарика; ω0 , ω1 - угловые скорости

шарика при движении по плоскости относительно точки подвеса и собственного вращения соответственно, причем оба члена характеризуют кинетическую энергию вращательного движения шарика.

При отклонении шарика от положения равновесия на угол α его потенциальная энергия будет En = mgh , где h = l(1 cosα)cos β - высота поднятия шарика относительно горизонтальной плоскости (рис.3), то есть

Еп = m g l (1 cosα) cos β .

При колебаниях шарика потенциальная энергия превращается в кинетическую и работу силы трения. При этом работа силы трения качения

определится как A = Fmp S , где S - длина пути пройденного шариком. Обозначим уменьшение угла α0 , пройденного шариком за один период

 

через , тогда за полпериода шарик пройдет расстояние S = l 2α0

, и

 

 

2

58

 

 

β

α0

h0

hn

Рис. 3

работа силы трения качения будет

A

=

k

N S . А с учетом силы

 

 

mp

 

R

нормального давления N = mg sin β (рис.2) работа силы трения качения

 

 

А

 

=

k

m g sin(β) l(2α

 

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тр

 

R

 

 

 

 

 

 

0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Запишем величину потенциальной энергии шарика E0 в начальный

момент времени при угле α =α0 .

E0 = m g l(1 cosα0 ) cos β и после

прохождения им

половины

периода E1,

 

когда

 

α

 

=α0

(шарик

 

 

максимально отклонён в противоположную сторону):

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

= m g l(1cos(α

0

)) cos β +

k

m g(sin β) l(2α

0

) .

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E0 = E1получим

 

 

 

 

Из

закона

сохранения

 

энергии

 

уравнение,

связывающее и k , т е.

 

) cosα0 ) =

k

 

 

 

 

 

 

 

).

 

 

 

 

cos β (cos(α0

(sin β)(2α0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

В данной работе можно принять условие ∆ <<α0 , что есть следствие

малости k . Это позволяет нам воспользоваться разложением cos(α0

2

в

 

 

, т.е.

 

 

 

 

) cosα0 +

sinα0

 

 

 

 

ряд Тейлора по

 

cos(α0

 

и выбирая

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

достаточно длинный подвес, тем самым реализовать приближение маятника

к идеальному, то есть считать sinα0 α0

 

 

 

 

R sinα0

 

R

k =

 

 

 

4 .

tgβ

 

4α0

tgβ

 

59

 

 

 

Как видно окончательное выражение связи k c не зависит от α0 , поэтому проводя n колебаний и беря разность угловых амплитуд и деля

на n , т.е.

∆ =

α0 αn

, где n - число периодов, получим

 

 

 

n

экспериментальное выражение для вычисления коэффициента трения качения

k = R α0 αn tgβ 4 n

Оценить погрешность измерений по Стьюденту и объяснить возможные причины ее появления.

Приборы и принадлежности:

установка «наклонный маятник», набор шаров и соответствующих им образцов (сталь, латунь)

Описание экспериментальной установки

На рис.4 изображен наклонный маятник. В основание 1, оснащенном

 

четырьмя

ножками

с

регулируемой

 

высотой, вмонтирована стойка 2, на

 

которой крепится штатив 3 и

 

червячная передача. Посредством оси

 

червячная

передача

соединена

с

 

кронштейном,

 

к

которому

 

прикреплены градусные шкалы 4 и 5.

 

К корпусу маятника подвешен на нити

 

шар 6, заканчивающийся указателем.

 

 

Шар движется по металлической

 

пластине

7

 

вставленной

в

 

направляющие. Пластины делаются из

 

различных материалов (сталь, латунь)

 

и являются съемными. К кронштейну

 

присоединен

фотоэлектрический

 

датчик 8. На передней панели корпуса

Рис 4

расположена

шкала

секундомера,

табло периодов,

кнопки «сеть»,

 

«сброс» и «стоп».

Порядок выполнения работы

1. Включить прибор в сеть тумблером «сеть» и дать ему прогреться не менее пяти минут.

60