Astakhov_Baranov_Mashanov_-_Mekhanika_elektrichestvo_i_magnetizm_Praktikum
.pdfФедеральное агентство связи
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(ГОУ ВПО «СибГУТИ»)
B.М. Астахов C. В. Баранов
В.И. Машанов
МЕХАНИКА
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Практикум
Издание шестое, исправленное
Новосибирск
2009
!
■j
УДК 530 (075.8)
Кф-мн, доцент В.М. Астахов, кхн, доцент С.В. Баранов, кф-мн В.И. Машанов
Механика. Электричество и магнетизм: Практикум. - Издание шестое, исправленное. - СибГУТИ. - Новосибирск, 2009 г. - 45 с.
Практикум предназначен для ознакомления студентов с основными проявлениями электрических и электромагнитных явлений и служит руководством к выполнению соответствующих лабораторных работ.
Кафедра физики
1
Рис. — 20, табл. — 4, список литературы — 5 найм.
Для специальностей 200900, 201000,201100, 220100
Рецензент: ктн, доцент С.С. Абрамов
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве практикума
© Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2 (Н№ i
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................... |
4 |
Работа 1.2 |
|
«ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО |
|
ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАЯТНИКА ОБЕРБЕКА».................................. |
5 |
Работа 3.1. |
|
«ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ».......................... |
11 |
Работа 3.2 |
|
«ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ГОЛЯ»..20 |
|
Работа 3.3 |
|
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА».... |
28 |
Работа 4.1 |
|
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА |
|
МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА»......................................................................... |
36 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Цель лабораторного практикума «Электричество и электромагнетизм» состоит в том, чтобы познакомить студентов с реальными проявлениями некоторых физических законов, привить навыки экспериментальной работы с электроизмерительными приборами и аппаратурой, ознакомить с методикой измерения различных физических величин, научить делать мотивированные выводы из полученных результатов. Отметим, что выполнение лабораторных работ является одним из наиболее эффективных методов развития навыков самостоятельной работы.
Перед выполнением лабораторной работы студент должен заранее самостоятельно изучить материал работы с использованием методических указаний, конспекта лекций и указанной литературы, а также приготовить отчет по форме, принятой в СибГУТИ.
Студент допускается к выполнению работы, если он имеет отчет, знает цель работы и основные теоретические положения, подлежащие экспериментальной проверке, может объяснить практический ход выполнения работы. После проведенных измерений, обработки результатов и оформления отчета производится защита лабораторной работы.
При выполнении данного цикла работ используются источники напряжения и различные электроизмерительные приборы, смонтированные на вертикальном электрическом стенде. С устройством стенда студенты знакомятся с помощью преподавателя перед выполнением работы 3 .1 .
При проведении лабораторных работ, связанных с электрическими цепями и источниками напряжения, следует соблюдать требования техники безопасности.
Основные из них следующие:
Не включать источники напряжения без разрешения преподавателя! Сборку схемы и подключение проводников производить только при
выключенных источниках напряжения.
Перед общим включением стенда ручки у всех регуляторов напряжения должны быть приведены в крайнее левое (против часовой стрелки) положение.
Диапазоны измерений многопредельных измерительных приборов переключать только при обесточенных источниках вместе с преподавателем. Во время работы диапазоны не переключать!
4
I
Работа 1.2
«ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАЯТНИКА ОБЕРБЕКА»
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить законы вращательного движения. Определить момент инерции грузов.
2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Вращательнымдвижением твердого теланазывается такой вид движения, при котором каждая точка тела описывает окружности вокруг некоторой прямой, называемой осью вращения.
Основным законом динамики вращательного движения является связь момента силы М с моментом инерции Уи угловым ускорением /?:
= м , |
(1) |
Этот закон является отображением второго |
закона Ньютона для |
вращательного движения. Направление вектора углового ускорения Р совпадает с направлением момента сил М, который в свою очередь совпадает
с осью вращения. |
|
|
Для материальной |
точки момент инерцииопределяется |
как |
произведение массы на квадрат расстояния от оси вращения до центра масс
тела: |
|
У = m R 2. |
(2 ) |
Моменты инерции тел различной геометрической формы отличаются |
|
числовыми коэффициентами к: |
|
] = km R 2. |
|
Моментом силы относительно оси вращения называется произведение |
|
величин: |
|
М = [г F], |
|
где F — сила, действующая на тело, г — расстояние от оси вращения до |
|
точки приложения силы. Направление вектора М |
перпендикулярно |
плоскости, в которой лежат вектора Г и F , в соответствии с правилом
векторного произведения. Из Рис. 1 видно, что, если Г и F ориентированы произвольно относительно друг друга, то значение вектора М может быть определено как:
М = rFsin а , где Гs i n # = / — плечо приложения силы F.
5
Рис.1 |
J |
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ |
| |
Законы вращательного движения проверяются на установке, |
| |
называемой маятником Обербека, который представляет собой крестовину, |
| |
вращающуюся вокруг горизонтальной оси (Рис. 2). На шкив радиуса г |
| |
наматывается нить, к которой через блок прикреплен подвес. Подвес |
|
представляет собой плоские цилиндры с прорезью для их закрепления на |
|
нить. Подвес при опускании движется вдоль вертикальной линейки, на |
|
которой отмечаются начальная и конечная точки движения. С помощью |
|
секундомера фиксируется точное время движения между этими точками. |
|
Рис. 2
6
4. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
Перед выполнением лабораторной работы необходимо установить основные физические закономерности, наблюдаемые на маятнике Обербека. Второй закон Ньютона, применимый к описанию движения подвеса т п, запишется как:
ш п а = ТПп9 ~ ^нат*
Сила, приложенная к оси крестовины радиуса г маятника Обербека:
^нат ~ т пд — т па,
а момент силы:
м = Г^нат = г т ^ - а ). |
(3) |
Момент инерции маятника Обербека определится из уравнения 1 как:
М
J ~ T
Для проверки закона вращательного движения необходимо определить моменты инерции грузов на крестовинах маятника Обербека, закрепленных на различных расстояниях R от оси вращения. Согласно определению момен та инерции вращающихся тел J является функцией R2, т.е. для одного и того же тела массы ш:
к = шЯг 2-,]2 = mR22; |
= mRn2; или |
|
к |
h |
к |
V I |
= m ;— 2 = m ; .-TTT = т - |
|
п 1 |
**2 |
К п |
Для любых расстояний от оси вращения можно записать:
к |
к |
|
к |
|
|
к |
R i2 |
• |
---- = --- - ---------- = const, ИЛИ |
-г ==--- 9 |
|||||||
Й! 2 Й22 |
Rn |
|
|
к |
R22 |
|
||
Линейное ускорение а в формуле (3) можно связать с угловым |
||||||||
ускорением, используя законы кинематики: |
|
|
|
|||||
|
|
|
а = /?г. |
|
|
|
(5) |
|
Тогда момент инерции маятника: |
|
|
|
|
|
|||
|
М |
_ |
т п(д - а )г |
_ |
т „ (д - |
|
а ) г 2 |
(6) |
J ~ |
p |
~ |
ft |
~ |
а |
|
|
|
Если подвес подает из неподвижного положения с высоты h, то |
||||||||
ускорение а определится из закона равноускоренного движения: |
||||||||
|
|
|
a t2 |
|
2h |
|
|
(7) |
* = - 2 - - « - j r . где t - время опускания груза.
Таким образом, при обработке результатов эксперимента нам понадобятся формулы (3), (6 ) и (7). Отметим, что в данном рассмотрении мы пренебрегаем силами трения в осях вращающихся деталей. Исходя из малых числовых значений линейного ускорения а, следует ускорение свободного падения брать с точностью до сотых единиц: g = 9.81
7
5. ЗАДАНИЕ
I часть работы:
Определение собственного момента инерции крестовины.
1.Для числовых обработок определите заранее массу подвеса т п, с помощью штангенциркуля измерьте радиус шкива намотки нити г, измерьте высоту опускания подвеса h.
2.Намотайте нить на шкив и из зафиксированного положения опустите подвес с одновременным включением секундомера.
3.Измерьте три раза время падения каждой из выбранных масс подвесов. Время движения удобно считать до удара подвеса о пол.
4.Данные измерений и расчетов ускорений движения, моментов сил и моментов инерции по формулам (7, 6 , 3) занесите в таблицу 1.
т п,г t, с |
2 h |
м |
М = т {д - а)г, |
Jo, кг-м2 |
Таблица 1 |
/о, кг*м2 |
|||||
|
а = — |
с2 |
Н м |
|
|
|
t 2 |
|
|
II часть работы:
Установление зависимости момента инерции тела от квадрата расстояния до оси вращения. .
1 . Выберите и зафиксируйте подвес с винтами.
2.На крестовине маятника Обербека закрепите симметрично два груза.
3.Намотайте нить на шкив и трижды определите время опускания подвеса для двух-трех различных положений грузов на крестовине маятника.
4.Данные измерений времени опускания, расстояния грузов от оси вращения, расчетов ускорений движения, моментов сил и моментов инерции по формулам (7, 6 , 3) занесите в таблицу 2.
5.Полагая, что момент инерции маятника с грузами равен сумме собственного момента инерции маятника и моментов грузов, найдите моменты инерции двух грузов. Для этого воспользуйтесь данными таблицы 1 .
|
|
J |
R ^ |
|
|
|
6 . Оцените соотношение ~ = -V |
|
|
||||
|
|
h |
я22 |
|
Таблица 2 |
|
R, м t, с |
2 /i |
м |
М = т {д - а)г, |
/, кг-м2 |
||
Угр, КГ'М2 |
||||||
^ |
*■2 ’ |
2 |
Н м |
|
|
|
|
t l |
С1 |
|
|
||
III часть работы:
Рассчитайте погрешность определения моментов инерции грузов на осях маятника.
1. Выведите формулу для определения погрешности а .
2 .Выведите формулу и определите погрешность измерения момента инерции.
3.Сделайте вывод о результатах работы и точности измерений.
6.ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Савельев И. В. «Курс общей физики», т.1, гл. V, § 35, 36, 38,39.
7.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Вывести формулу основного закона динамики вращательного движения.
2.Провести аналогию между параметрами кинематики и динамики
поступательного и вращательного движения. Указать единицы измерения ос новных величин.
3.Какое движение называется вращательным? Приведите примеры. В каких случаях размером тел при рассмотрении законов движения можно пре небречь.
4.Дайте определение момента инерции твердого тела. Расскажите о теореме Штейнера.
5.Как в данной работе определить момент инерции маятника Обербека без грузов?
6. Как в данной работе определить массу грузов на стержнях маятника
Обербека?
7. Как можно изменить момент инерции маятника Обербека?
8 . Если увеличить высоту опускания подвеса, то какие величины изменяются и как (момент инерции маятника, время опускания подвеса, кинетическая энергия системы маятник-груз, угловое ускорение маятника)?
9
8.ЗАДАЧИ
1.Найти линейную скорость Земли при ее движении по орбите. Средний радиус земной орбиты R = 1,5’108 км.
2.Автомобиль движется со скоростью 60 ™. Сколько оборотов в
секунду делают его колеса, если они катятся без скольжения, а внешний диаметр покрышек колес равен 60 см! Найти величину центростремительного ускорения точек на покрышках колес.
3.Человек находится на краю круглой горизонтальной платформы радиусом 4 м. Сколько оборотов в минуту должна делать платформа вокруг вертикальной оси, чтобы человек мог удержаться на ней при коэффициенте трения /х - 0,27?
4.Совершает ли работу равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равномерно движущемуся по окружности?
5.Мотоциклист едет по горизонтальной дороге со скоростью 74
делая поворот радиусом кривизны 100 м. На сколько при этом он должен наклониться, чтобы не упасть на повороте?
6 . Самолет делает «мертвую петлю» с радиусом R = 100 м и движется по ней со скоростью 280 С какой силой тело летчика, массой 80 кгубудет давить на сидение самолета в верхней и нижней точках петли?
7. Определить момент инерции диска относительно оси, проходящей через точку на краю диска перпендикулярно его плоскости.
8 . Сплошной диск массой 20 кг и радиусом 120 мм вращается с угловой скоростью 600 — . С какой силой нужно прижать к нему горизонтальную
колодку, чтобы диск остановился через 3 с, если коэффициент трения pt =
0,1?
9. Диск совершает 70 — . Где можно положить на диск тело, чтобы оно
мин
не соскользнуло? Коэффициент трения покоя fi = 0,44.
10. Точка движется по окружности радиусом R = 10 см с постоянным тангенциальным ускорением: ат. Найти тангенциальное ускорение точки, если известно, что к концу пятого оборота после начала движения скорость точки стала V= 79, 2
10