12093

Движение тела, брошенного с некоторой высоты под углом к горизонту

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа 112 Движение тела брошенного с некоторой высоты под углом к горизонту. Краткая теория 1. Основные понятия кинематики материальной точки. Кинематика это раздел механики описывающий движение тел без выяснения причин обусловивших это дв...

Русский

2013-04-24

319 KB

95 чел.

Лабораторная работа 1-12

Движение тела, брошенного с некоторой высоты

под углом к горизонту.

Краткая теория

1. Основные понятия кинематики материальной точки.

Кинематика - это раздел механики, описывающий движение тел без выяснения причин, обусловивших это движение. Рассмотрим основные понятия, которыми оперирует кинематика, и взаимосвязь между ними.

Материальная точка - тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Система отсчета - тело, по отношению к которому рассматривается движение, связанная с ним система координат и прибор для отсчета времени.

Положение материальной точки в данной системе отсчета в любой момент времени задается радиусом- вектором  , проекции которого на оси декартовой системы координат называются координатами материальной точки х, у, z.

                                                                                      (1)

где  - орты декартовых осей координат.

Линия, которую описывает конец радиус-вектора при движении материальной точки, называется траекторией (рис.1).

Расстояние  между точками 1 и 2, отсчитанное вдоль траектории, называется путем, пройденным материальной точкой. Вектор , проведенный из начального положения в конечное, называется перемещением.

Тогда   

                                                       (2)

                           (3)

Очевидно, что при криволинейном движении  

                                                                                                                   (4)

Скорость - кинематическая характеристика, показывающая быстроту движения тела (точки). Различают несколько видов скоростей.

1 .Средняя по модулю скорость (или просто «средняя скорость») - величина, равная отношению пройденного пути ко времени, за которое этот путь пройден:

                                                                                                                             (5)

Это скалярная величина.

2.Средний вектор скорости - величина, равная отношению перемещения тела  к промежутку времени  за который это перемещение произошло.

                               (6)

Как видно  - вектор, совпадающий по направлению с   (рис. 2). Очевидно, что

                                        (7)

3. Мгновенная скорость   (или просто "скорость") равна пределу, к которому стремится  средний вектор скорости, когда промежуток времени  стремится   к нулю.

                     (8)

Таким образом, скорость есть производная радиуса - вектора по времени. При этом скорость характеризует не только быстроту движения тела по траектории, но и направление, в котором оно движется в каждый момент времени. В соответствии с (8) скорость направлена по касательной к траектории в каждой ее точке (рис. 2). При этом, так как  , то модуль мгновенной скорости может быть найден как

                                                                                                   (9)

Ускорение - векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости и равная изменению скорости в единицу времени:

                                                                                                     (10)

При криволинейном движении скорость изменяется как по величине, так и по направлению. Для того чтобы характеризовать эти изменения отдельно, ускорение разделяют на две составляющие (рис. 3):

  1.  

тангенциальное  ускорение - составляющая ускорения, направленная по касательной к траектории и равная изменению модуля скорости в единицу времени:

                                    (11)

  1.  

нормальное ускорение - составляющая ускорения, направленная по нормали к траектории к центру ее кривизны  и показывающая изменение  направления скорости в единицу времени: 

                                                                    (12)

где R - радиус кривизны траектории в данной точке,  - единичный вектор нормали. При этом     и так как   , то

                                           (13)

Основной задачей кинематики является нахождение закона движения материальной точки, т.е. зависимость ее радиуса- вектора от времени:

                                                   

Зная зависимость от времени ускорения   и начальные условия (радиус-вектор  и скорость точки  в некоторый момент времени ), можно решить эту задачу. Из (10) следует, что

                                                 

Интегрируя это выражение, получаем

                                                                                                         (14)

Из (8) получаем:

Интегрируя это равенство, с учетом (14), получим

                                      (15)

К вычислению этого интеграла и сводится основная задача кинематики.

2. Движение тела в поле силы тяжести.

В лабораторной работе 1-12 проводится модельный эксперимент по исследованию зависимости дальности полета тела в поле силы тяжести от угла бросания в случае, когда точка бросания находится на некоторой высоте над поверхностью Земли.

Рассмотрим движение тела в поле силы тяжести. Как известно, если пренебречь сопротивлением воздуха и вращением Земли, это равноускоренное движение:  . Если принять  = 0, то интегрирование равенства (15) даёт следующее выражение:

а интегрирование равенства (14) приводит к выражению:

Таким образом, параметры состояния материальной точки при таком движении - радиус-вектор  и скорость  - задаются уравнениями:    

                                                                               (16)

Это уравнения движения в векторной форме.

Известно, что рассматриваемое движение является плоским (траектория лежит в вертикальной плоскости), поэтому для его описания достаточно системы отсчета с двумя координатными осями х и у. Начало системы отсчета и направление координатных осей выбираются из соображений удобства решения конкретной задачи.

Начальный радиус – вектор   задают с помощью начальных координат и  в момент временя t=0; начальный вектор скорости  задаётся его модулем   и углом α  между вектором  и осью координат х. 

B работе № l - 12 точка броска находится на некоторой высоте  по отношению к точке падения, поэтому систему отсчета и направление координатных осей рациональнее всего выбрать, как показано на рис. 1. Тогда  и первое из уравнений (16) в проекциях на оси х и у будет иметь вид

                                         (17)                                    

                          

Поскольку в точке падения      , то

        , отсюда

         

 Решение этого уравнения будет таким:

                                                                          (18)

И подставляя (19) в (18), получим:

                                                  (19)   

Kaк видно, формула (19) достаточно сложна для анализа, и получить простое выражение для угла , соответствующего максимальной дальности броска, не представляется возможным. Поэтому целью работы   1-12 является экспериментальное исследование зависимости S() при постоянных    и   и определение угла, при котором дальность полета максимальна.

Краткие сведения пo работе с программой.

Программа выполнена со стандартным для системы Windows интерфейсом и реализует многооконный режим работы. Каждое окно имеет заголовок, позволяющий ориентироваться в программе. Если возникнет необходимость переместить окно в пределах рабочего стола Windows, следует щелкнуть левой кнопкой мыши на строке заголовка и, удерживая нажатой кнопку мыши, переместить окно.    

При одновременной работе с графиком, панелью «Управление движением»  и таблицами рекомендуется сворачивать те окна, которые не нужны в данный момент. При этом окно минимизируется в кнопку, расположенную над панелью задач Windows (внизу рабочего стола Windows).

При выполнении лабораторной работы в окне «Центр контроля» («Управление движением») задаются скорость (в метрах в секунду); угол бросания (в градусах); высоты, с которой бросают тело над углом к горизонту; направление вертикальной оси у и начала отсчета по этой оси в соответствующих строках. При нажатии кнопки «Построить график» на экране появляется траектория движения тела при указанных значениях скорости и угла. После изменения угла и скорости графическое представление информации изменяется.

Если выделить указателем мыши при нажатой кнопке участок траектории, заключив его в рамку, проведенную из левого верхнего угла в правый нижний угол, то можно развернуть данный участок траектории на весь экран.   Если после этого обвести указателем мышки рамку произвольной площади в произвольном месте графика из правого нижнего угла в левый верхний, то первоначальный вид графика будет восстановлен.     При увеличенном изображении участка траектории на весь экран перемещение указателя мыши при нажатой правой кнопке приводит к перемещению экрана по графику в соответствующем направлении.

При задании режима «Стробоскоп» на графике появляются составляющие векторов скорости для точек траектории, нанесенных на нее через равные интервалы времени.

Моменты времени с соответствующими значениями кинематических характеристик указаны в таблице, которая появляется после нажатия кнопки “Таблица”.   Нажав кнопку «Движение», можно на графике наблюдать вектора, указные в правом верхнем углу графика, и характер их изменения в процессе движения тела. Скроллер, расположенный в окне "Управление движением", позволяет масштабировать во времени процесс движения тела.    Остановить движение, получив мгновенный «снимок» векторов, позволяет кнопка «Стоп». Повторное нажатие этой кнопки возвращает режим движения тела.  

Ход работы

  1.  В эксперименте моделируется движение реального тела при заданных программно значениях начальной скорости V0  и угла бросания α. При этом на экране отображается траектория движения в координатных осях  y(x). Начало отсчета и направление оси у задаётся в соответствии с выбранной системой координат.

  1.  Нажмите кнопку "Построить график" для проведения эксперимента, моделирующего движение тела. Пронаблюдайте составляющие вектора скорости  и  в различных точках траектории тела, установив в центре «Управление движением» режим «Стробоскоп».

  1.  Отмените режим «Стробоскоп» и, нажав кнопку "Движение", пронаблюдайте изменение составляющих скорости и ускорения тела. Для удобства наблюдения можно изменять временной масштаб, перемещая движок на линейке, расположенной над кнопкой «Движение». Используя центр «Управление движением», можно отключать изображения векторов составляющих и пронаблюдать их изменения с течением времени для любой комбинации векторов путем нажатия кнопки «Движение». Все векторы будут обозначены соответствующим цветом.

  1.  Значения кинематических характеристик будут представлены в Таблице 1.

                                                                                                                         Таблица 1

t, с

X, м

Y, м

Vx, м/с

Vy, м/с

an, м/с2

aτ, м/с2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

  1.  Нажимая кнопку "Построить график" в центре «Управление движением»,  для заданного значения начальной скорости необходимо провести по 5 опытов для 10 разных значений угла бросания при постоянной начальной скорости. Шаг угла бросания автоматически устанавливается 200.

  1.  При   нажатии   кнопки   "Построить график" в центре «Управление движением» будет появляться значение дальности полета в каждом опыте, а на экране - соответствующая траектория движения. После пяти первых бросаний появится Таблица 2, которую для удобства наблюдения траектории можно временно свернуть или переместить.

                                                                                                                 Таблица 2

Угол α

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

S1

S2

S3

S4

S5

<S>

ΔSi

Sтеор

V0 =       м/с

α  =    º

  1.  Сверните таблицы и пронаблюдайте теоретическую зависимость дальности полета от угла бросания Sтеор(α) с нанесенными экспериментальными точками.
  2.  Нажмите кнопку «Отчет» и перепишите или распечатайте полученные результаты.
  3.  Для окончания работы закройте все окна и выйдите из программы.

Обработка результатов измерений.

  1.  Качественно изобразите траекторию движения тела в координатных осях у(х) и все вектора составляющих скорости и ускорения при подъёме тела в произвольный момент времени.
  2.  По данным Таблицы 2 постройте график теоретической зависимости дальности полета от угла бросания Sтеор(α) и нанесите на него экспериментальные точки (средние значения дальности полета <S> для 10 углов бросания).
  3.  По методу расчета погрешности при прямых измерениях найдите случайные погрешности дальности полета для каждого из углов Si. Запишите их в Таблицу 2.
  4.  Укажите на графике S(α) доверительные интервалы для каждой экспериментальной точки <S> (α).
  5.  По полученному графику Sтеор(α) определите, при каком значения угла бросания дальность полета максимальна. Сделайте вывод о соответствии экспериментальных и теоретических данных.                 
  6.  Выведите формулы для расчета нормального и тангенциального ускорения в зависимости от времени в соответствии с заданной системой отсчета. Используя полученные формулы и формулу для любых двух моментов времени из Таблицы 1 посчитайте значения полного ускорения. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

  1.  Система отсчета. Задание положения материальной точки в пространстве.
    1.  Траектория, путь, перемещение.
    2.  Скорость (средняя, средний вектор, мгновенная).
    3.  Ускорение, составляющие ускорения при криволинейном движении.
    4.  Основная задача кинематики. Закон движения материальной точки.
    5.  Кинематические характеристики тела, движущегося в поле силы тяжести.

 

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69427. Структура MS-DOS. Особливості організації файлової системи 18.85 KB
  Операційна система виконує такі функції: керування пам’яттю введенням-виведенням файловою системою взаємодією процесів; захист інформації; облік використання ресурсів оброблення командної мови; виявлення різних моментів що виникають у процесі роботи і відповідну реакцію...
69428. Команди для роботи з файлами та каталогами в MS-DOS 20.09 KB
  Існує два типи команд операційної системи MS DOS: внутрішні та зовнішні. Внутрішні команди – це найпростіші та найчастіше використовувані команди системи. Вони є частиною командного процесора COMMAND.COM і завантажуються...
69429. Код Хаффмена 74.5 KB
  Все кодируемые сообщения источника располагаются в столбец по убывающим вероятностям. Затем два наименее вероятных сообщения расположенных в последних строках столбца объединяются в одно которому приписывается суммарная вероятность.
69430. Код с проверкой по модулю q 88 KB
  Краткие теоретические сведения Принцип построения данного кода аналогичен по построению двоичного кода с одной проверкой на четность по mod 2. k информационные элементы кодовой комбинации принимающие значения от 0 до q1 то проверочный разряд b1 определяется суммой...
69431. Рекуррентный код 92 KB
  Последние формируются путем сложения по модулю 2 двух информационных посылок отстоящих одна от другой на шаг сложения k. Пусть имеем последовательность информационных посылок: 0 1 2. Тогда последовательность проверочных посылок...
69432. Код с простым повторением 89.5 KB
  В основу построения данного кода по аналогии с двоичным положен метод повторения исходной кодовой комбинации. Отличие qичного кода от аналогичного двоичного заключается в том что повторение кодовой комбинации qичного кода может производится параллельно во времени...
69433. Код Эллайеса 191 KB
  Цель: Изучить код Эллайеса выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения Код Эллайеса как итеративный код содержит 2 системы проверок внутри каждой кодовой комбинации.
69434. Код Варшамова 157.5 KB
  Цель: Изучить код Варшамова выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения Код предложенный Варшамовым является типичным представителем систематических кодов т. Благодаря этому возможно построить все комбинации кода...
69435. Коды Рида-Маллера 277 KB
  Эти m строк составляют векторы первого порядка b. Далее идут строки векторов второго порядка которые получаются из всех произведений двух строк первого порядка затем – строки третьего порядка являющиеся всеми произведениями трех строк первого порядка и т.