22613

Вивчення коливань фізичного маятника

Лабораторная работа

Физика

Вивчення коливань фізичного маятника. Експериментальне вивчення коливального руху маятникастержня у гравітаційному полі Землі. Маятникстержень макетна установка для здійснення коливального руху маятника та вимірювання періоду його коливань. У випадку фізичного маятника мал.

Украинкский

2013-08-04

210.5 KB

3 чел.

6

Лабораторна робота.

Вивчення коливань фізичного маятника.

Мета роботи.

  1.  Експериментальне вивчення коливального руху маятника-стержня у гравітаційному полі Землі.
  2.  Визначення прискорення вільного падіння.

Прилади та матеріали.

Маятник-стержень, макетна установка для здійснення коливального руху маятника, та вимірювання періоду його коливань.

Вибіркові теоретичні відомості.

 Фізичним маятником може бути будь-яке тіло, спроможне здійснювати коливання у одній площині відносно точки підвісу, розташованій на відстані  від центру мас. Відомо, що рух твердого тіла, яке має нерухому вісь обертання, описується рівнянням моментів:

                                           ,                                          (1)

де момент інерції тіла відносно вісі обертання;

   кутова швидкість обертання;

  підсумковий момент діючих на тіло зовнішніх сил.

 У випадку фізичного маятника (мал.1) його можна подати як

                                                      L

                 0                                      

                                                                                      

                 φ                                                                                                  

                 a

                     

                                  

                                                 Мал.1

                                      ,                                 (2)

де - момент сили тяжіння ;

     маса тіла ;

      відстань від вісі обертання О до центра мас С ;

     кут відхилення центру мас від вертикальної вісі (положення рівноваги).

 Слід  зауважити, що рівняння (2) відтворює ідеалізований випадок руху, бо не враховує дію сил тертя. Але з його допомогою можна визначити як змінюється з плином часу кут відхилення  від положення рівноваги і проаналізувати характер руху фізичного маятника.

Будемо вважати, що у початковий момент часу  тіло проходить положення рівноваги  з відомою кутовою швидкістю . Помножимо обидві частини рівняння (2) на  :

Можна утворити такі еквіваленти останього виразу :

або                                      .                         (3)

Рівняння (3) – це закон збереження енергії під час руху фізичного маятника, відтворений у диференціальному вигляді. Результатом інтегрування цього співвідношення є рівняння:

                                ,                             (4)

у якому перший доданок – це кінетична енергія обертального руху, а другий – потенціальна енергія у полі сил тяжіння. Константа інтегрування В визначається з початкових умов (  ):

.

Тепер рівняння (4) можна подати у вигляді:

 

або                                      .                         (5)

Знаки “+” та “-“ відповідають руху маятника або праворуч, або ліворуч відносно положенню рівноваги. Характер руху маятника суттєво залежить від параметра   рівняння (5). Якщо кінетична енергія тіла у початковий момент часу більша за роботу, яка потрібна, щоб підняти центр мас маятника від найнижчого

положення (положення стійкої рівноваги) до найвищого (положення нестійкої рівноваги), тобто  або  , то підкорінний вираз у правій частині рівняння (5) завжди додатний і кут  з плином часу може необмежено збільшуватись. Іншими словами, якщо початкова кутова швидкість  більша за , то маятник здійснює обертальний рух навколо вісі підвісу із змінною кутовою швидкістю ( крива 1, мал.2 ) .

φ

                                1

π

                                                                             2

                                                                    

                                                           3

                                                                                                 t

                                                                    -

                                          Мал.2

Якщо ж  , тобто  , то підкорінний вираз правої частини рівняння (5) стає нескінченно малим при найвищому терміні . Це означає, що центр мас маятника, рухаючись за колом, нескінчено тривало наближується до найвищої точки своєї траєкторії (положення нестійкої рівноваги), але не доходить її у будь-який кінцевий час (крива 2, мал.2).

І, нарешті, якщо    або    , то підкорінний вираз рівняння (5) має додатний знак тільки тоді, коли значення кута повороту маятника межує у термінах  - , які визначаються рівнянням:

.

Під час руху маятника кут  збільшується до значення +, а потім зменшується до - , тобто маємо коливальний рух (крива 3, мал.2).

Інтегрування рівняння (5) дає змогу визначити залежність часу руху маятника від кута повороту :

                                                    (6)

та на цій підставі отримати формулу періоду його коливань (докладніше див. ,  ). У першому наближенні період нескінчено малих коливань не залежить від їх амплітуди  .

                                           .                                      (7)

Друге наближення дає наступну формулу періоду коливань:

,

а за умовою застосування наближення    маємо:

                                   .                              (8)

Застосувавши теорему Штейнера  , де  момент інерції маятника відносно центра мас, вираз (7) можна перетворити:

                        ,                       (9)

де  радіус інерції маятника.

Для однорідного стержня, яким є маятник у лабораторній роботі, момент інерції вілносно центра мас    та   , де  довжина маятника.

Як свідчить вираз (9) період коливань фізичного маятника прямує до нескінченості у двох випадках: коли  прямує до 0 () та   прямує до нескінченості (). Графік залежності поданий на мал.3.

                                                                          T

                                                                      

                M                                                                                                         N

           -a                          -a2      -a0   -a1           0            a1      a0      a2                    a

                                                                Мал.3.

Це дві дзеркальні криві, кожна з яких належить своїй половині фізичного маятника (відносно цертра мас). Найменші значення періоду коливань отримуються в екстремальних точках, коли  . Якщо прокласти пряму лінію MN, то однакові значення періоду коливань отримуються у чотирьох точках підвісу маятника, відповідних відстанням   та  -. Кожному фізичному маятнику можна підібрати такий математичний маятник, який матиме однаковий з фізичним період коливань. Довжина цього математичного маятника відповідає, так званій, зведеній довжині фізичного маятника. За виразом (9) невжко визначити зведену довжину фізичного маятника:

.

Користуючись цим виразом, запишемо формули однакових періодів коливань у точках  та   (права частина графіка):

,

що дає рівняння

.

За його допомогою зведену довжину можна подати як

.

Отже, графік  дозволяє визначити не тільки період, але й відповідну періоду зведену довжину фізичного маятника. Зрозуміло, що будь-яка пряма, паралельна вісі абсцис, дає також дві пари точок перетину з двома кривими. Кожній прямій відповідатиме інше значення періоду коливань та інша величина зведеної довжини маятника. Існує достатньо значна кількість таких прямих. Точка фізичного маятника, розташована на відстані  від точки підвісу на прямій, яка проходить через центр мас, має назву центра коливань. Центр коливань та точка підвісу взаємно обернені, тобто якщо ці точки поміняти місцями, період коливань фізичного маятника не зміниться.

Опис макетної установки.

У даній лабораторній роботі фізичним мятником є довгий однорідний металевий стержень. До нього додається легка пересувна шайба з опорними призмами, яка може бути закріплена у будь-якому місці стержня. Щоб мати можливість визначити положення закріплення опорних призм, стержень поділений рисками шкали через 1 сантиметр. Опорні призми встановлюються в пази, пробиті у горизонтальній опорі, яка розташована на верхівці вертикального металевого стовпа. Стовп конструктивно поєднаний з важкою горизонтальною платформою, встановленою на регулюючих гвинтах, які дозволяють коректувати горизонтальність верхньої горизонтальної опори маятника. Уздовж стовпа у вертикальному напрямі пересувається пристрій, в якму розташований фотоелемент. З його допомогою та завдяки відповідному електронному устаткуванню вимірюється період коливань фізичного маятника. Інформація стосовно періоду подається у цифровому вигляді.

Загальна довжина маятника-стержня дорівнює :   см ;

координата цнтра мас становить :                          см ;

маса маятника дорівнює :                                        г .

Завдання та рекомендації до його виконання.

  1.  Ознайомтесь з описом лабораторної роботи та з будовою експериментальної установки, призначеної для вимірювання періоду коливань фізичного маятника.
  2.  Користуючись формулою (8) підрахуйте для яких кутів відхилення маятника від положення рівноваги, при фіксованому значенні  , можна вважати період коливань Т сталою величиною.
  3.  Зробіть вимірювання, необхідні для експериментального визначення залежності . Для цього розташуйте фотоелемент макету у крайньому нижньому положенні, призму закріплення маятника зафіксуйте на відповідній довжині так, щоб темний кінець стержня-маятника міг рухатись навпроти віконця фотоелементу. Виміряйте період коливань маятника. Далі, фіксуючи призму закріплення з кроком у 1 см, вимірюйте періоди коливань у кожному новому положенні. Фотоелемент при цьому треба пересувати та закріплювати на рівні темного кінця маятника. Вимірювання припиніть у положенні, яке відповідає координаті центра мас.Побудуйте грфік залежності .
  4.  Користуючись формулою (8) та деяким визначеним значенням кута відхилення  зробіть необхідні розрахунки для визначення аналітичної залежності . Нанесіть отримані аналітичні дані на графік експериментальної залежності. Поясніть особливості досліджуваної залежності, а також розбіжності результатів експерименту та розрахунків.
  5.  За експериментальним графіком залежності   визначіть декілька значень зведеної довжини маятника  та знайдіть його радіус інерції . Порівняйте останній з розрахунковим значенням ().
  6.  Для двох-трьох значень  обчисліть значення   і експериментально перевірте оберненість точки підвісу та центра коливань маятника.
  7.  За отриманими експериментальними результатами визначіть прискорення вільного падіння , застосовуючи  метод найменших квадратів. Для цього треба лінеаризувати залежність , побудувавши її у координатах (). Схема належних перетворень має наступний вигляд.

                                                     y   =   x   + A .

     Отже за такої лінеаризації коефіцієнти В та А безпосередньо                         дорівнюватимуть  та   відповідно.

  1.  Визначте похибки зроблених вимірювань . Проаналізуйте результати.

Контрольні запитання.

  1.  Який маятник називають фізичним ? Чим фізичний маятник відрізняється від математичного ?
  2.  Що називають зведеною довжиною фізичного маятника ? Як графічно визначити зведену довжину фізичного маятника ?
  3.  Яка точка фізичного маятника має назву центра коливань ? Яка її характерна властивість ?
  4.  Як формулюється теорема Штейнера та як вона застосовується до фізичного маятника ?
  5.  Який вигляд має рівняння моментів для матеріальної точки ? Для твердого тіла ?
  6.  Коли спостерігається обертання твердого тіла, яке має нерухому вісь обертання ? За яких умов виникає коливальний рух ?
  7.  Від яких параметрів злежить період коливань фізичного маятника ?
  8.  Як повинен змінитися аналітичний вираз періоду коливань фізичного маятника, якщо врахувати наявність сил тертя ?

Література.

  1.  Матвєєв А.В. Механіка і теорія відносності. Київ, Вища школа, 1993, гл.2, 6, 8, §§ 21,34.
  2.  Сивухін Д.В. Общий курс физики. Том 1, Механика, М., Наука, 1989, гл.5-7, § 41.
  3.  Хайкин С.Э. Физические основы механики, М., Наука, 1971, гл. 10,13, §§ 90,91.
  4.  Стрелков С.П. Механика, Наука, 1975, гл. 7, 8, 14, §§ 123,124.
  5.  Курс физики. Практикум. Под ред. проф. Городецкого Д.А. Киев, 1992, с. 30-40.  

                                                          


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7799. Развитие системы образования в России в начале 20 века 32 KB
  Развитие системы образования в России в начале 20 века Основным типом школы в России к началу ХХ века, как и раньше, была начальная школа, отличавшаяся пестротой не только по ведомственной принадлежности, но и по срокам и содержанию обучения. Самыми...
7800. Реформы Петра 1 29.5 KB
  Реформы Петра 1. Преобразования в сфере культуры Пётр I изменил начало летосчисления с так называемой византийской эры (от сотворения Адама) на от Рождества Христова. 7208 год по византийской эре стал 1700 годом от Рождества Христова. Однако...
7801. Советская школа в годы ВОВ и послевоенные годы(1941-58гг.) 25 KB
  Советская школа в годы ВОВ и послевоенные годы(1941-58гг.). Война затормозила осуществление всеобщего обязательного семилетнего обучения. Развертыванию всеобщего обучения препятствовали перемещения населения из западных районов в восточные, уход учи...
7802. Советская школа в период с 1921 по 1930гг 25.5 KB
  Советская школа в период с 1921 по 1930гг. По окончании гражданской войны советский народ приступил к мирному строительству, которое осуществлялось в трудных условиях хоз. разрухи и голода. Надо было немедленно восстановить промышленность, поднять с...
7803. Советская школа в период с 1930 по 1940гг 26 KB
  Советская школа в период с 1930 по 1940 гг. Советское правительство принимает ряд постановлений о школе, которые определили ход ее дальнейшего развития, направления в перестройке ее учебно-воспитательной работы, а также новые теоретические достижения...
7804. Советская школа и педагогика в 1945-1964 27 KB
  Советская школа и педагогика в 1945-1964 Реформы коснулись и народного образования. Получили развитие школы рабочей молодежи. Были увеличены масштабы подготовки рабочих через школы фабрично-заводского обучения, ремесленные и железнодорожные уч...
7805. Советская школа и педагогика в сер. 60-х - н. 90х годов 25.5 KB
  Советская школа и педагогика в сер. 60-х - н. 90х годов Советская школа в период с 1958 по 1992г. В 1958г. был принят закон об укреплении связи школы с жизнью и о дальнейшем развитии системы народного образования, который установил в нашей ст...
7806. Становление коммунистической системы воспитания и образования в России после Октябрьской революции 33.5 KB
  Становление коммунистической системы воспитания и образования в России после Октябрьской революции Революционная перестройка школы. Первые декреты Советской власти по народному образованию и проведение их в жизнь. Великая Октябрьская социалистическа...
7807. Сухомлинский и Корчак и их педагогические идеи 30 KB
  Сухомлинский и Корчак и их педагогические идеи Сухомлинский создал оригинальную педагогическую систему, основывающуюся на принципах гуманизма, на признании личности ребёнка высшей ценностью, на которую должны быть ориентированы процессы воспитания и...