- •Ен.Ф.03 физика
- •Ен.Ф.03 физика и биофизика
- •Лабораторный практикум
- •Физические основы механики
- •Оглавление
- •Введение
- •Лабораторная работа № 1 Изучение законов сохранения импульса и энергии. Определение скорости пули методом баллистического маятника
- •1 Общие сведения
- •2 Описание установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 Изучение вращательного движения и определение моментов инерции тел
- •1 Общие сведения
- •2 Описание установки и вывод расчетной формулы
- •1, 2 ‑ Двойной шкив с радиусами r1 и r2; 3 ‑ ось подшипника;
- •4 ‑ Стержни с делениями; 5 ‑ грузики; 6 ‑ гиря; 7 ‑ мерная линейка
- •3 Порядок выполнения и требования к оформлению результатов
- •3.1 Задание 1 Проверка основного закона динамики вращательного движения при постоянном моменте инерции маятника Обербека
- •3.2 Задание 2 Изучение зависимости момента инерции маятника Обербека от положения грузиков на стержнях при постоянном моменте силы
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 Определение коэффициента трения
- •1 Общие сведения
- •2 Описание установки
- •3 Порядок выполнения и требования к оформлению результатов
- •3.1 Задание 1 Определение коэффициента трения покоя
- •3.2 Задание 2 Определение коэффициента трения скольжения
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 Изучение свободных колебаний пружинного маятника
- •1 Общие сведения
- •2 Описание установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения и требования к оформлению результатов
- •3.1 Задание 1 Определение жесткости пружины статическим методом
- •3.2 Задание 2 Определение жесткости пружины динамическим методом
- •3.3 Задание 3 Определение логарифмического декремента затухания и коэффициента сопротивления
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Приложение а
1, 2 ‑ Двойной шкив с радиусами r1 и r2; 3 ‑ ось подшипника;
4 ‑ Стержни с делениями; 5 ‑ грузики; 6 ‑ гиря; 7 ‑ мерная линейка
Поочередно на большой и малый шкивы можно наматывать нить, к концу которой привязана гиря 6 известной массы. Тем самым изменяется момент силы, вызывающий вращательное движение системы. Момент инерции вращающейся системы можно изменять, передвигая грузики 5 на стержнях. Главной измеряемой величиной в данной работе является промежуток времени t, за который гиря 6 проходит определенный путь h.
Выведем формулы для расчета момента силы и момента инерции. Выражения закона динамики образуют систему уравнений:
(1)
Первое уравнение относится к поступательному движению гири 6. Результирующая сила F равна разности сил, действующих на гирю:
F = mg – T, (2)
где T – сила натяжения нити.
Из (2) и первого уравнения системы (1) T выразится как:
T = mg – F = m (g – а). (3)
Второе уравнение системы (1) относится к вращательному движению маятника, где момент силы М определяется силой натяжения T и плечом этой силы r, равным радиусу того шкива, на который намотана нить:
M = T r = m (g – а) r. (4)
В выражении (4) не учитывается момент Mтр сил трения, действующих в системе. Если им нельзя пренебречь, то результирующий момент примет вид:
M = m (g – а) r – Mтр. (5)
Чтобы оценить влияние сил трения, можно проделать эксперимент на основе закона сохранения энергии. Задать гире некоторую высоту h1 и предоставить систему самой себе. Маятник начнет вращаться, при этом гиря опустится, а затем поднимется до высоты h2. Если h1 > h2, то произошла потеря потенциальной энергии, затраченная на работу против сил трения. Оценить эту потерю по относительной разнице . Если 0,1 (10%), то моментом сил трения в работе можно пренебречь.
При отсутствии сил трения момент вращающей силы находят по формуле (4). Линейное a и угловое ускорения – из кинематических уравнений:
. (6)
Первое задание выполняется при постоянном моменте инерции, но различных моментах силы М1 и М2 (используются различные шкивы – радиусов r1 и r2). Различны будут угловые ускорения 1 и 2. Моменты инерции для двух случаев
и , (7)
должны быть равны (в пределах допустимой погрешности), т.к. распределение массы относительно оси вращения не меняется, т.е. J1 = J2 = J, тогда должны быть равны и отношения:
. (8)
В этом и состоит проверка второго закона Ньютона для вращательного движения в задании 1
Для вывода расчетной формулы задания 2 объединим соотношения, описывающие динамику вращательного движения маятника Обербека и поступательного движения гири:
; M=m (g – a) r; ; .
Получим обобщенную формулу для расчета момента инерции:
, (9)
где t – время движения гири; h – расстояние, пройденное гирей массой m; r – радиус шкива, на который наматывается нить; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
Поскольку а<<g, то (9) можно представить в виде:
. (10)
В этой формуле постоянный коэффициент можно вычислить один раз и применять для дальнейших расчетов:
J = kt2 . (10а)