11276

Изучение динамики вращательного движения с помощью маятника максвелла

Лабораторная работа

Физика

Изучение динамики вращательного движения с помощью маятника максвелла Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения момента инерции с помощью маятника Максвелла. Методические указания предназначены для студентов инженерных спе...

Русский

2013-04-05

231 KB

59 чел.

Изучение динамики вращательного движения с помощью маятника максвелла

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения момента инерции с помощью маятника Максвелла.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Механика и молекулярная физика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2008


Лабораторная работа  №21

ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА МАКСВЕЛЛА

Цель работы:  Определение момента инерции маятника Максвелла с учётом и без учёта силы трения, и сравнение его с теоретическим расчётом. Вычисление силы трения.

  Оборудование: экспериментальная установка.

  1.  Теоретическая часть.

Если маятник массы опускается с высоты , а поднимается на высоту , то можно сказать, что часть его потенциальной энергии расходуется на работу против сил трения, т.е.

.  (1)

Из этого уравнения получаем выражение для вычисления силы трения:

.   (2)

С другой стороны, потенциальная энергия маятника в верхней точке () превращается в нижней точке в кинетическую энергию поступательного движения (), вращательного движения () и в работу против сил трения (), т.е.

. (3)

Решаем совместно уравнения (1), (2), (3), учитывая, что  и , где - линейная скорость движения маятника,  - его угловая скорость вращения,  - радиус оси, на которую наматывается нить,  - время движения маятника до нижней точки.

 Получаем выражение для момента инерции маятника Максвелла с учётом силы трения:

.  (4)

Если рассмотреть идеальный вариант, т.е., когда , то , и мы получаем выражение для момента инерции маятника Максвелла без учёта силы трения:

.  (5)

  1.  Описание экспериментальной установки

На вертикальной стойке основания 1 (рис. 1) крепятся два кронштейна: верхний 2 и нижний 3. Верхний кронштейн снабжён электромагнитами и устройством 4 для крепления и регулировки бифилярного подвеса 5.

Маятник представляет собой диск 6, закреплённый на оси 7, подвешенной на бифилярном подвесе. На диск крепятся сменные кольца 8. Маятник со сменными кольцами фиксируется в верхнем исходном положении с помощью электромагнита. На вертикальной стойке 1 нанесена миллиметровая шкала, по которой определяется высота перемещения маятника. Фотоэлектрический датчик 9 закреплён с помощью кронштейна 3 в нижней части вертикальной стойки. Кронштейн 3 обеспечивает возможность перемещения фотодатчика вдоль вертикальной стойки и его фиксирования в любом положении в пределах шкалы (0 – 42 см). Фотодатчик 9 предназначен для передачи электросигналов на миллисекундомер 10, который выполнен самостоятельным прибором с цифровой индикацией времени и жёстко закреплён на основании 1.

  1.  Порядок выполнения лабораторной работы:

ЗАДАНИЕ 1.  Определение моментов инерции маятника Максвелла с учётом и без учёта силы трения. Определение силы трения.

  1.  Занести в таблицу 1 все известные величины и их абсолютные погрешности, указанные на установке, учитывая, что масса маятника , где - масса оси, - масса диска, - масса кольца.
  2.  Установить нижний кронштейн 3 с фотодатчиком 9 (рис. 1) на высоте , указанной преподавателем. Занести в таблицу 1.
  3.  Установить с помощью устройства 4 необходимую длину бифилярного подвеса таким образом, чтобы нижний край среза кольца маятника находился на 5 мм ниже оптической оси фотодатчика 9, а ось маятника занимала горизонтальное положение.
  4.  Включить в сеть шнур питания миллисекундомера.
  5.  Нажать на кнопку «сеть», расположенную на лицевой панели миллисекундомера, при этом должна загореться лампочка фотодатчика и цифровые индикаторы миллисекундомера.
  6.  Вращая маятник, зафиксировать его в верхнем положении при помощи электромагнита, при этом надо следить  за тем, чтобы нить наматывалась виток к витку.
  7.  Нажать кнопку «сброс» и убедиться, что на индикаторе устанавливаются нули.
  8.  При нажатии кнопки «пуск» на миллисекундомере электромагнит обесточивается, маятник раскручивается, миллисекундомер начинает отсчёт времени, а в момент пересечения маятником оптической оси фотодатчика отсчёт времени прекращается.
  9.  Произвести отсчёт времени хода маятника  по миллисекундомеру. Одновременно измерить высоту подъёма маятника . Повторить измерения 5 раз. Все значения  и  занести в таблицу 2.
  10.  Вычислить по формуле (2) силу трения (для среднего значения ).
  11.  Вычислить по формуле (4) момент инерции маятника  с учётом силы трения (для средних значений времени  и ).
  12.   Вычислить по формуле (5) момент инерции маятника без учёта силы трения (для средних значений времени  и ).
  13.  Результаты вычислений по формулам (2), (4) и (5) занести в таблицу 3.
  14.  Произвести статистическую обработку результатов измерения времени  и заполнить таблицу 2.
  15.  Вычислить относительные и абсолютные погрешности  по формулам (6) – (11) и занести в таблицу 3:

, (6)

;  (7)

,  (8)

  (9)

,   (10)

.    (11)

Таблица 1

Таблица 2

п/п

с

с

с2

с

-

с

с

с

1

2

3

4

5

Ср.

Таблица 3

ЗАДАНИЕ 2. Теоретический расчёт момента инерции маятника Максвелла.

1. Момент инерции маятника Максвелла  равен сумме моментов инерции оси , диска  и кольца :

=++,

где ,  ,  .

Результат занести в таблицу 3.

2. Сравнить теоретическое и экспериментальные значения момента инерции и объяснить результат.

Контрольные вопросы

  1.  Что называется моментом инерции материальной точки?
  2.  Что называется моментом инерции твёрдого тела? От чего он    зависит?
  3.  Момент инерции тел простейшей формы относительно оси, проходящей через центр инерции.
  4.  Физический смысл момента инерции.
  5.  Вывести формулу для определения силы трения при движении маятника Максвелла.
  6.  Вывести формулу для определения момента инерции маятника Максвелла.
  7.  Записать основной закон динамики вращательного движения.
  8.  Теорема Штейнера.
  9.  Найти момент инерции однородного диска радиусом  относительно оси вращения, перпендикулярной плоскости диска и проходящей через его край.  
  10.  Чем обусловлена сила трения в данной работе?

Рекомендуемая литература

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики (т.1). М.: Наука, СПб.: Лань, 2006.
  2.  Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Шк., 2004.
  3.  Справочное руководство по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика, электричество, магнетизм: Учеб.-метод. пособие.-Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008.

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица ознакомленные с её устройством и принципом действия.
  2.  Для предотвращения опрокидывания установки необходимо располагать её только на горизонтальной поверхности.

Составители: С.И. Егорова, И.Н. Егоров, Г.Ф. Лемешко, В.С. Кунаков

ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА МАКСВЕЛЛА

Методические указания к лабораторной работе №21 по физике

(Раздел «Механика»)

Редактор А.А.Литвинова

В печать

Объём 0,7 усл.п.л. Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ №       . Тираж          . Цена           

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1.


1

7

5

6

8

9

10

2

4

Рис. 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28319. Участие публично-правовых образований (ППО) в гражданско-правовых отношениях 15.9 KB
  Участие публичноправовых образований ППО в гражданскоправовых отношениях. Участие государства и иных ППО в вещных отношениях: РФ ее субъекты и МО являются собственниками своего имущества и в этом качестве участвуют в вещных ПО. Как собственники своего имущества ППО независимы друг от друга и выступают в ГПО как самостоятельные равноправные и имущественно обособленные субъекты например государство может устанавливать порядок приватизации но не может определять объекты. РФ не отвечает своей казной по обязательствам иных ППО а последние...
28320. Объекты гражданских правоотношений: понятие, виды 14.94 KB
  Статья 128 содержит перечень таких объектов: а вещи включая деньги и ЦБ иное имущество в том числе имущественные права; б работы и услуги; в информация; г результаты интеллектуальной деятельности и исключительные права на них интеллектуальная собственность; д нематериальные блага. Общеизвестно что объектом правового регулирования может выступать поведение деятельность людей а вещи и иные материальные и нематериальные блага составляют объект соответствующих действий субъектов ПО. Виды объектов ГПО: а К материальным благам...
28321. Вещи: понятие, сравнительная характеристика с имуществом, классификация 15.8 KB
  Вещи: понятие сравнительная характеристика с имуществом классификация. Вещи являются результатами труда имеющие в силу этого определенную экономическую ценность. Вещи становятся объектами права собственности и других вещных прав. С этой точки зрения вещи делятся на 3 группы: а вещи разрешенные в обороте – свободное обращение без специального разрешения публичной власти; б вещи ограниченные в обороте – могут принадлежать только определенным участникам оборота оружие либо находится в обороте по специальному разрешению валютные...
28322. Понятие, виды и особенности правового режима ценных бумаг 16.33 KB
  Если бы право могло быть осуществлено беспрепятственно без бумаги то ему незачем было искать воплощение в бумаге. К ценным бумагам относятся: государственная облигация; облигация; вексель; чек; депозитный и сберегательный сертификаты; банковская сберегательная книжка на предъявителя; коносамент; акция; приватизационные ценные бумаги и другие документы которые законами о ценных бумагах или в установленном ими порядке отнесены к числу ценных бумаг. Ценные бумаги могут быть классифицированы по различным признакам. Так по содержанию...
28323. Сделки: понятие, признаки, виды 20.42 KB
  Сделки акты осознанных целенаправленных волевых действий физических и юридических лиц совершая которые они стремятся к достижению определенных правовых последствий. Сущность сделки составляют воля и волеизъявление сторон. Волеизъявление важнейший элемент сделки с которым как правило связываются юридические последствия. Признаки сделки: 1.
28324. Условия действительности сделок. Последствия признания сделок недействительными 16.85 KB
  Действительность сделки означает признание за ней качеств юридического факта порождающего тот правовой результат к которому стремились субъекты сделки. Действительность сделки определяется законодательством посредством следующей системы условий: законность содержания; способность физических и юридических лиц совершающих ее к участию в сделке; соответствие воли и волеизъявления; соблюдение формы сделки. Законность содержания сделки означает ее соответствие требованиям законодательства. Законность содержания сделки предполагает ее...
28325. Недействительность сделок: понятие, виды, последствия 22.11 KB
  Недействительность сделки означает что она не влечет юридических последствий на достижение которых была направлена но в то же время порождает последствия установленные законом в связи с ее не действительностью. ГК РФ подразделяет недействительные сделки на ничтожные и оспоримые. В теории гражданского права такие сделки называются абсолютно недействительными. Ничтожные сделки не влекут возникновения изменения или прекращения гражданских прав и обязанностей на которые они были направлены.
28326. Осуществление гражданских прав и исполнение обязанностей: понятие, принципы и способы осуществления 15.41 KB
  Под осуществлением гражданского права понимается совершение действий по реализации возможностей заложенных в содержании субъективного права. Содержание границы того или иного субъективного права определяются нормативными актами или договорами например согласно статье 209 ГК РФ содержание права собственности составляет возможность владеть пользоваться и распоряжаться вещью. 9 ГК РФ граждане и юридические лица осуществляют принадлежащие им гражданские права по своему усмотрению принцип диспозитивности. Носитель субъективного права...
28327. Пределы осуществления субъективных гражданских прав. Злоупотребление правом 13.92 KB
  Пределы осуществления субъективных гражданских прав. Злоупотребление правом. Пределы осуществления субъективных гражданских прав ОСГП – это законодательно очерченные границы деятельности управомоченных лиц по реализации возможностей составляющих содержание данных прав. Пределы ОСГП: а осуществление субъективных гражданских прав е имеет временные границы т.