11666

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА

Лабораторная работа

Физика

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить момент инерции физического маятника и исследовать зависимость момента инерции от положения центра масс маятника относительно оси вращен

Русский

2013-04-10

221.71 KB

60 чел.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1.2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО

МАЯТНИКА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить момент инерции физического маятника и исследовать зависимость момента инерции от положения центра масс маятника относительно оси вращения.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: физический маятник на кронштейне, секундомер, призма на подставке, масштабная линейка.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Периодические смещения тела относительно некоторого устойчивого положения (положения равновесия) называют колебательным движением или простыми колебаниями. Колебательные движения в общем случае представляют собой сложные физические процессы. Учение о колебаниях служит основой целого ряда прикладных дисциплин (акустика, теория машин, сейсмология и др.).

Простейшим видом колебаний является гармоническое колебательное движение. Гармонические колебания тела возникают при действии на него силы, пропорциональной смещению, т.е. . Эту силу называют квазиупругой или возвращающей. Природа возвращающей силы может быть различна (сила упругости, гравитации и др.) При гармоническом движении зависимость пути (смещения ) от времени выражается функцией синуса или косинуса:

,

где   максимальное смещение тела от положения равновесия (амплитуда),

 круговая или циклическая частота,

 время одного полного колебания (период),

 начальная фаза колебания.

Ускорение тела, совершающего гармонические колебания, пропорционально смещению и направлено всегда в сторону равновесия, т.е. для каждого момента времени смещение и ускорение имеют противоположные знаки:

             .                 (1)

Гармонические колебания совершают маятники под действием силы тяжести, если углы отклонения от отвесного положения (положения равновесия) малы.

Маятники бывают простые и сложные. Тело малых размеров (материальная точка), подвешенное на длинной нити, растяжением и весом которой можно пренебречь, называют простым или математическим маятником. Твердое тело произвольной формы, укрепленное на горизонтальной оси, не проходящей через центр тяжести, представляет собой сложный или физический маятник.

Всякое твердое тело можно рассматривать как совокупность неизменно соединенных материальных точек с массами , , . . ., , поэтому момент инерции физического маятника можно определить как сумму моментов инерции всех его материальных точек:

                                               ,                                     (2)

где r – расстояние от каждой из них до оси вращения.

На практике воспользоваться формулой (2) не представляется возможным, поэтому для определения момента инерции физического маятника мы опишем его колебания с помощью закона динамики вращательного движения.

На физический маятник действуют две силы: сила тяжести, приложенная к центру тяжести маятника (точке ), и сила реакции опоры, приложенная в месте крепления маятника, где проходит ось вращения.

При отклонении физического маятника от положения равновесия на угол (рис.1)  сила тяжести будет создавать вращательный  момент, под действием которого начнутся колебания.

Рис. 1

Момент силы тяжести определяет угловое ускорение .

Если обозначить расстояние от оси вращения до центра тяжести через , то момент силы тяжести выразится так:

или при малых углах

    ,     (3)

где  плечо силы тяжести,  масса маятника,   ускорение свободного падения тела. «-» объясняется возвращающим характером момента силы. Он направлен противоположно углу отклонения маятника.

При колебаниях маятника центр его тяжести движется по дуге круга, поэтому описать его движение можно с помощью закона динамики вращательного движения. Он запишется в виде:

   ,    (4)

где  момент инерции тела относительно оси вращения.

 Подставив в уравнение (4) значение (3) и решив его относительно углового ускорения, получим

    ,     (5)

Уравнение (5) отличается от уравнения (1) только тем, что в него входят угловые величины вместо линейных.

Из сравнения уравнений (1) и (5) следует, что или , откуда получается формула для периода колебаний физического маятника:

    .     (6)

Из формулы периода колебаний физического маятника (5) найдем его момент инерции:

,     (7)

где  период колебаний маятника.

Это выражение является расчетной формулой для определения момента инерции физического маятника.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Физический маятник в данной работе состоит из стального стержня ОD, на котором винтами крепится массивное тело В цилиндрической формы (рис.2). При освобождении опорных винтов, тело В можно перемещать по стержню и, следовательно, изменять положение центра тяжести маятника.

Для подвеса маятника служит специальный кронштейн, на который подвешивается маятник в точке .

Рис. 2

Рис. 3

Для нахождения центра тяжести маятника (точка ) служит специальная призма, укрепленная на устойчивой подставке (ребро стула). Маятник кладется горизонтально на ребро этой призмы и, наблюдая за балансированием, отыскивается такое положение, при котором моменты сил тяжести, действующие на правую и левую части маятника, окажутся равными (рис.3). При таком положении центр тяжести маятника будет расположен в стержне против точки опоры. Расстояние определяется при помощи масштабной линейки.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Определяют общую массу маятника (стержень и груз) в килограммах.
  2.  Укрепив груз В на конце стержня , определяют на какой-либо опоре положение точки и измеряют расстояние r масштабной линейкой.
  3.  Подвесив маятник на кронштейн, отклоняют его от положения равновесия на небольшой угол (конец стержня отводят на расстояние 6-8 см) и отпускают его. Пропустив 3-4 полных колебания, пускают в ход секундомер в тот момент, когда маятник достигает максимального отклонения. Определяют время  3050 полных колебаний маятника ().
  4.  Повторяют описанную в пункте 3 операцию еще 3 раза и по полученным данным определяют среднее значение периода колебаний маятника при данном положении груза.
  5.  Передвигают груз по стержню на 6-7 см и повторяют описанные операции определения и при новом положении груза B.
  6.  Работа заканчивается, если таких перемещений груза с сопровождающими измерениями проделано 3-5 раз.
  7.  Полученные опытные данные подставляют в формулу (7) и вычисляют в системе единиц СИ моменты инерции маятника при разных расстояниях центра тяжести от оси вращения.
  8.  Запись результатов измерений и вычислений производится в таблице:

, кг

, м

, с

, с

,

кг·м2

, кг·м2

, кг·м2

, кг·м2

1

2

3

, кг

, м

, с

, с

,

кг·м2

, кг·м2

, кг·м2

, кг·м2

1

2

3

, кг

, м

, с

, с

,

кг·м2

, кг·м2

, кг·м2

, кг·м2

1

2

3

  1.  Результаты моментов инерции записываются в стандартном виде (в виде интервалов).
  2.  По результатам таблицы делается вывод о зависимости момента инерции физического маятника от положения центра его тяжести.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Какие колебания называются свободными?
  2.  Какие колебания называются гармоническими?
  3.  Запишите уравнение свободных гармонических колебаний.
  4.  Что такое частота колебаний, их период и амплитуда?
  5.  Какие характеристики гармонических колебаний не изменяются с течением времени?
  6.  Какие характеристики колебаний являются гармоническими функциями времени?
  7.  Дайте определение моменту инерции материальной точки и моменту инерции тела.
  8.  Дайте определение физическому маятнику. Как момент инерции физического маятника зависит от положения цилиндра на стержне?
  9.   Дайте 2! определения моменту силы (через расстояние от центра тяжести до оси вращения и через плечо силы). Как определить направление момента силы?
  10.  Запишите основной закон динамики для вращательного движения и получите формулу для периода колебаний физического маятника с сопутствующими объяснениями (используйте дополнительную литературу).

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37171. Социально-политические изменения в XVII в. Соборное уложение 1649 г. Народные бунты 14.46 KB
  Социальнополитические изменения в XVII в. Общие факты Характерной чертой экономического развития России в XVII веке стало безраздельное господство феодальнокрепостнической системы. Прекратился созыв Земских Соборов которые являлись неотъемлемой частью государственной власти в первой половине XVII в. “Бунташный век†XVII в.
37172. Церковные реформы. Алексей Михайлович Романов и патриарх Никон. Раскол как общественное явление 20.59 KB
  Алексей Михайлович Романов и патриарх Никон. патриархом был избран митрополит Новгородский Никон один из самых крупных могучих русских деятелей XVII века по замечанию историка С. Никон ещё будучи в Новгороде старался привести духовенство к благочестию и соблюдению церковного устава. Став патриархом Никон занялся просмотром патриаршей библиотеки где нашёл древнюю грамоту об учреждении патриаршества в Москве подписанную восточными иерархами.
37173. Предпосылки преобразований в конце XVII века и начало правления Петра I. Вестернизация 34 KB
  Предпосылки преобразований в конце XVII века и начало правления Петра I. Но самое главное отличие от вестернизации Петра Первого то что это мало влияло на обычаи русского народа. Начало правления Петра Первого связанное с европеизацией. Царь отправился в путешествие под именем урядника Преображенского полка Петра Михайлова.
37174. Северная война и ее влияние на внутренне положение России 16.82 KB
  После победы под Нарвой Карл XII решил что разгромленная им русская армия более не сможет продолжать войну. армия получила 268 орудий в том числе 100 полковых а в 1702 г. шведская армия сосредоточилась у Минска где Карл XII уже заручившийся поддержкой Мазепы изменившего русскому царю стал поджидать казачьи войска обещанные гетманом. Но тут русская армия выполняя замысел Петра I начала медленно отступая постоянно тревожить шведов внезапными нападениями и кратковременными стычками.
37175. Реформы Петра Первого 89.44 KB
  Реформы Петра Первого. ВОЕННЫЕ РЕФОРМЫ ПЕТРА I Военные реформы занимают особое место среди Петровских преобразований. Историки насчитывают всего лишь несколько месяцев мирного времени за более чем 35летнее правление Петра. Понятно что именно армия и флот были главным предметом заботы Петра.
37176. Доходы бюджета 42 KB
  Доходы бюджета необходимо рассматривать прежде всего как фактор влияющий на совокупное потребление путем оказания влияния на уровень доходности социальных групп и виды деятельности. Доходы бюджета способны воздействовать на хозяйственную активность на объемы выпускаемой продукции и техническое оснащение производства на равновесие цен на отраслевое и территориальное размещение инвестиций. Доходы бюджета выражают экономические отношения возникающие в процессе формирования основного общегосударственного фонда денежных средств между...
37177. Расходы бюджета 29 KB
  По своему материальновещественному воплощению бюджетные расходы представляют собой денежные средства направляемые на финансовое обеспечение задач и функций государства и местного самоуправления. Посредством такой формы функционирования бюджета как бюджетные расходы образуются доходы нетрудоспособных граждан и оказывается поддержка другим социальнонезащищенным слоям населения. Бюджетные расходы способны оказывать активное влияние на формирование экономического роста приоритетное финансирование научных исследований развитие прогрессивных...
37178. Межбюджетные отношения 36.5 KB
  Низкая доля собственных доходов в бюджетах субъектов Федерации и местных бюджетах заметно снижает заинтересованность на местах в наращивании налогового потенциала в своевременном и полном поступлении налогов в бюджетную систему. Межбюджетные трансферты из федерального бюджета бюджетам бюджетной системы Российской Федерации предоставляются в форме: дотаций на выравнивание бюджетной обеспеченности субъектов Российской Федерации; субсидий бюджетам субъектов Российской Федерации; субвенций бюджетам субъектов Российской...
37179. Бюджетный процесс 30 KB
  В соответствии с Бюджетным кодексом правительство России вносит на рассмотрение Государственной Думы проект федерального бюджета на очередной финансовый год не позднее 26 августа. В первом чтении принимаются основные параметры бюджетапроходит в течение 30 дней со дня его внесения в Государственную думу. Рассматривается: прогнозируемый объём доходов в очередной год и плановый период с выделением объёма нефтегазовых доходов; приложения с нормативами распределения доходов между уровнями бюджетной системы; общий объём расходов; ...