Время удара t шара о плиту определим по времени разряда конденсатора в результате удара. В курсе «Электричество и магнетизм» показывается, что напряжение на конденсаторе ёмкости С при его разряде через резистор сопротивлением R меняется по экспоненциальному закону:
U =U0 exp(−t RC), |
(5) |
где U0 - напряжение при зарядке конденсатора; |
|
U - напряжение на конденсаторе через время t. |
|
Отсюда время разряда конденсатора: |
|
t = RC ln U0 . |
(6) |
U |
|
Подставим значение скорости шара (3) и значение времени разряда (6) в формулу (4). Таким образом, получим расчетную формулу средней силы удара шара о плиту:
|
4 m gl sin |
α |
|
|||
F = |
|
2 |
. |
(7) |
||
|
|
|||||
|
RC ln |
U0 |
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
4. Описание экспериментальной установки
Общий вид установки показан на рис.2.
4
5
3
8 |
7 |
|
|
|
6 |
|
9 |
12
10
11
|
|
|
1 |
13 |
14 |
15 |
2 |
|
Рис. 2
5
Установка состоит из основания 1, которое оснащено регулируемыми ножками 2, позволяющими его выравнивать. На основании закреплена стойка 3, на которой укреплен кронштейн 4. На кронштейне подвешен стержень 5, на нижнем конце которого прикреплен электромагнит 6. Стержень с электромагнитом может перемещаться в горизонтальной плоскости и закрепляться в определенном положении на линейке 7. Кроме того, на кронштейне подвешен на двух металлических нитях 8 стальной шарик 9, способный свободно вращаться в вертикальной плоскости. На основании также размещены: массивная плита 10, о которую ударяется шар; демпфирующее устройство 11, состоящее из площадки для предотвращения повторного удара шара о плиту и фиксатора площадки в горизонтальном положении; вольтметр 12 для измерения напряжения на конденсаторе.
На лицевой панели основания расположены: тумблер 13 «зарядка С», с помощью которого производится зарядка конденсатора; кнопка 14, при нажатии которой производится измерение напряжения на конденсаторе; тумблер 15 для включения и отключения электромагнита от источника питания.
Шар 9 удерживается электромагнитом 6 в отклоненном от равновесия состоянии. При отключении электромагнита от источника питания шар начинает свободно падать и ударяется о массивную плиту 10. При движении шара после удара в обратном направлении срабатывает демпфирующее устройство, и площадка предотвращает повторный удар шара о плиту. Измеряя напряжение на конденсаторе при его зарядке и сразу после удара, можно рассчитать время разряда конденсатора. Это позволит рассчитать среднюю силу удара шара о плиту.
5.Порядок выполнения работы
1.Подключить сетевой шнур от установки к розетке напряжением 36 В.
2.Записать исходные данные (указаны на установке).
3.Подключить электромагнит к источнику питания, для этого тумблер 15 перевести в положение «ВКЛ».
4.Поднести шар к электромагниту и после его притяжения измерить с помощью линейки угол отклонения шара от вертикали.
5.Опустить площадку демпфирующего устройства 11 до фиксации.
6.Произвести зарядку конденсатора, для этого тумблер 13 «зарядка С» перевести в положение «ВКЛ».
7.Произвести измерение напряжения на конденсаторе при зарядке U0. Для этого тумблер 13 «зарядка С» перевести в положение «ИЗМ», нажать на короткое время кнопку 14 и записать показание вольтметра.
Замечание: при нажатой кнопке 14 конденсатор разряжается через вольтметр 12, поэтому вольтметр следует включать на короткое время.
8.Отключить электромагнит от источника питания, для этого тумблер 15 перевести в положение «ВЫК».
9.После удара шара о массивную плиту и остановки его демпфирующим устройством измерить напряжение U на конденсаторе, для чего нажать на короткое время кнопку 14 и записать показание вольтметра.
10.По формуле (7) рассчитать среднюю силу удара шара о плиту.
11.Повторить п.п. 2-10 шесть раз.
|
Рассчитать среднее значение силы удара: F = |
∑6 |
Fi |
||
12. |
i=1 |
. |
|||
6 |
|||||
|
|
|
|||
13. |
Рассчитать абсолютную погрешность средней силы удара F . |
||||
14. |
Записать окончательный результат: F ± F . |
|
|
|
|
15. |
Сделать вывод по лабораторной работе. |
|
|
|
|
6
6.Литература
1.Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 1: Механика. Молекулярная физика.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 352 с.
2.Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов/Т.И. Трофимова. – 7-е изд., стер.
– М: Высш. шк., 2003. – 542 с.: ил.
3.Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. Ч. Китель, У. Найт, М. Рудерман. Издание 2- е, стереотипное. Перевод с англ. Изд-во «Наука», гл. ред. физ. – мат. лит., 1975.
7