23387

Экспериментальное определение момента инерции маятника Максвелла

Лабораторная работа

Физика

Определение момента инерции маятника Максвелла Методические указания к выполнению лабораторной работы № 4 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Целью данной работы является экспериментальное определение момента инерции маятника Максвелла. Момент инерции тела относительно заданной оси и угловая скорость позволяют вычислить кинетическую энергию вращательного движения этого тела: 5 Экспериментальное...

Русский

2015-01-17

433 KB

29 чел.

Московский государственный технический

университет им. Н. Э. Баумана.

Калужский филиал.

Т.С. Китаева, А.В. Попов

«Определение момента инерции маятника Максвелла»

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 4

по курсу механики, молекулярной физики и термодинамики.

Калуга 2007 г.

Правила техники безопасности.

Необходимо выполнять общие правила безопасности труда, относящиеся к устройствам, в которых используется напряжение до 250 .

Эксплуатация установки допускается при наличии заземления. При любых неполадках в установке обращаться к дежурному лаборанту или преподавателю.

Целью данной работы является экспериментальное определение момента инерции маятника Максвелла.

1. Теоретическая часть.

Момент инерции системы материальных точек относительно некоторой неподвижной оси вращения определяется равенством:

,                                                                                                                     (1)

где  - масса -й точки системы;

       - расстояние от -й точки до оси вращения.

Для твёрдого тела:

,                                                     (2)

где  - элемент массы твёрдого тела;

       - расстояние от элемента массы  до оси вращения;

       - элементарный объём;

       - расстояние от элементарного объёма до оси вращения;

       - плотность вещества тела ().

Момент инерции тела относительно произвольно заданной оси вращения определяется с помощью теоремы Штейнера:

,                                                                                                                  (3)

где  - масса тела;

       - момент инерции данного тела относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно заданной оси;

      - расстояние между указанными осями.

Используя основное уравнение динамики вращательного движения, момент инерции тела относительно неподвижной оси можно вычислить по формуле:

,                                                                                                                       (4)

где  - результирующий момент действующих на тело внешних сил относительно данной неподвижной оси;

      - угловое ускорение тела.

Момент инерции тела относительно заданной оси и угловая скорость  позволяют вычислить кинетическую энергию вращательного движения этого тела:

                                                                                                                       (5)

Экспериментальное определение момента инерции маятника Максвелла основано на законе сохранения энергии в механике: полная энергия изолированной консервативной системы - величина постоянная.

Маятник Максвелла (Рис. 1.) представляет собой диск (маховик 1), жестко закреплённый на осевом стержне 2, висящем на двух нитях 3, прикрепленных к опоре 4.

Вращая маятник Максвелла вокруг его оси и тем самым наматывая нити 3 на осевой стержень 2, можно поднять его на некоторую высоту . В этом случае маятник, обладающий массой , будет иметь потенциальную энергию  ( - ускорение свободного падения).

    Рис. 1. Маятник Максвелла.                    Предоставленный затем самому себе, маятник начнёт раскручиваться, и его потенциальная энергия начнёт переходить в кинетическую энергию поступательного движения  и вращательного движения . Таким образом, на основании закона сохранения механической энергии имеем:

,                                                                                                          (6)

где  - момент инерции маятника относительно его оси вращения;

      - высота, на которую опустилась ось маятника;

      - скорость спуска оси маятника в тот момент, когда ось опустилась на расстояние ;

      - угловая скорость маятника в тот же момент времени.

Из уравнения (6) следует:

                                                                                                        (7)

Раскручивание нитей с осевого стержня маятника совершается без их проскальзывания. Поэтому

,                                                                                                                (8)

где  - радиус осевого сечения стержня;

      - диаметр нити.

В тоже время, поскольку маятник опускается с ускорением , не равным  (), скорость  на расстоянии  от начального верхнего положения можно определить с использованием зависимости:

                                                                                                                         (9)

Подставим (8) и (9) в (7). Тогда момент инерции равен:

                                                                                                (10)

Учитывая, что , , окончательно получим:

,                                                                                         (11)

где  - диаметр осевого стержня, ;

      - диаметр нити, ;

       - время спуска оси маятника на расстояние ;

      - масса маятника;

      - ускорение свободного падения.

С другой стороны, теоретическое значение момента инерции маятника Максвелла можно рассчитать по формуле как сумму моментов инерции составляющих его отдельных элементов:

,                                                                            (12)

где  - масса диска (маховика 1) маятника, включая массу части осевого стержня 2 внутри его;

       - масса части осевого стержня вне маховика;

       - масса кольца 5;

       - радиус осевого стержня, ;

      ,  - внутренний и внешний радиусы кольца, , .

2. Экспериментальная часть.

Общий вид установки для определения момента инерции маятника Максвелла показан на Рис. 2.

Основание 1 снабжено регулируемыми ножками 2, которые позволяют произвести выравнивание установки. В основании закреплена колонка 3, к которой прикреплён неподвижный верхний кронштейн 4 и подвижный нижний кронштейн 5. На верхнем кронштейне находится электромагнит 6, фотоэлектрический датчик № 1 (7) и вороток 8 для закрепления и регулирования длины бифилярной подвески маятника.

Нижний кронштейн 5 вместе с прикреплённым к нему фотоэлектрическим датчиком № 2 (9) можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в выбранном положении.

Маятник 10 прибора представляет собой диск, закреплённый на оси, на которой накладываются сменные кольца 11, позволяющие изменять момент инерции системы.

Маятник с наклонным кольцом удерживается в верхнем положении электромагнитом. Длина маятника определяется по шкале на колонке 3. С целью облегчения этого измерения нижний кронштейн снабжён указателем 13, помещённым на высоте оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика.

Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки для определения момента инерции маятника Максвелла.

Перед проведением эксперимента проверяется параллельность оси маятника основанию прибора. Если необходимо провести корректировку положения оси, следует ослабить нижнюю гайку воротка 8 и вращением верхней гайки в ту или другую сторону добиться параллельности оси и основания, после чего нижнюю гайку воротка затянуть. Для правильного определения времени спуска маятника и длины маятника по указателю 13 необходимо проверить, что нижний край посаженного на диск маятника стального кольца (маятник в крайнем нижнем положении) находится на расстоянии  ниже оптической оси фотоэлектрического датчика № 2 (9), отмеченной на нижнем кронштейне 5 чёрной горизонтальной чертой. Если величина  не соответствует указанному значению, необходимо ослабить винт крепления нижнего кронштейна 5 и, передвигая его по колонке 3, добиться получения .

Изменение длины маятника осуществляется с помощью воротка 8 путём навивки на его ось избыточной длины нити или снятия части её витков. На лицевой панели установки находятся следующие органы управления:

«Сеть» - включатель-выключатель сети; при включении светится цифрой индикатор и лампочки обоих фотоэлементов;

«Сброс» - клавиша обнуления цифрового индикатора (секундомера);

«Пуск» - клавиша управления электромагнитом 6; при нажатии клавиши маятник освобождается и начинается отсчёт времени спуска.

3. Выполнение эксперимента.

1. На диск маятника наложить выбранное кольцо, прижимая его до упора диска в буртик кольца.

2. Нажать клавишу «Сеть».

3. Отжать клавишу «Пуск».

4. Вращая маятник, намотать на его ось нить подвески, следя за тем, чтобы она наматывалась равномерно в один слой с обеих сторон оси.

5. Зафиксировать маятник при помощи электромагнита 6 и затем дополнительно повернуть его в направлении вращения на угол . Этим устраняется возможная слабина нити.

6. Нажать клавишу «Сброс».

7. Нажать клавишу «Пуск».

8. Считать показания электронного секундомера.

9. Пункты 38 повторить 5 раз.

10. По шкале на колонке 3 определить длину маятника .

11. Измерить диаметры осевого стержня и нити  и .

12. Определить массу маятника (массы отдельных его элементов нанесены на них).

4. Анализ и обработка результатов измерений.

1. Определить среднее значение времени падения маятника по формуле:

,                                                                                                                     (13)

где  - значение времени, полученное при -ом замере, ;

      - число выполненных замеров, .

2. По формуле (11) определить экспериментальное значение момента инерции маятника Максвелла,  в СИ.

3. Определить относительную погрешность измерений:

,                                                             (14)

где , , , , .

Если одно из слагаемых в формуле (14) более чем вдвое превосходит другое, то меньшим можно пренебречь.

4. Записать окончательный результат:

                                                                                                                  (15)

5. Определить теоретическое значение момента инерции маятника Максвелла по формуле (12). Массы отдельных элементов маятника указаны па них. Размеры ,  и  измерить с помощью штангенциркуля (или использовать результаты, указанные на стр. 5).

6. Определить, попадает ли теоретическое значение в записанный по формуле (15) интервал. Если не попадает, проанализировать возможные систематические погрешности.

5. Контрольные вопросы.

1. Дать определение момента инерции материальной точки, системы материальных точек, абсолютно твёрдого тела (А.Т.Т.); указать единицы измерения в СИ. Каков физический смысл момента инерции тела?

2. Записать основное уравнение динамики вращательного движения относительно неподвижной оси вращения.

3. Сформулировать теорему Штейнера.

4. На каком законе основано экспериментальное определение момента инерции маятника Максвелла?

6. Литература.

1. Савельев И.В. «Курс общей физики», т. 1. М., Наука, 1982, 432 с.

2. Андреев А.Г., Вишняков В.И., Гладков Н.А., Кириллов А.М., Климов Л.Н. «Определение момента инерции тел». Материалы к лабораторной работе М-10. МВТУ, 1987.

3. Савельев И.В. «Курс общей физики в пяти книгах». М., АСТРЕЛЬ, А.С.Т., 2003.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22022. Сила, работа и энергия 219 KB
  Экспериментальная работа с биологическими объектами ставит своей задачей по сути дела моделирование процессов протекающих в живом организме. Сила работа и энергия Из физики мы знаем что сила это причина изменения скорости тела. По определению работа A равна произведению силы F действующей на некоторое тело на перемещение s этого тела в направлении действия силы. И сила и перемещение векторы; работа же скалярная величина равная призведению этих векторов: 1 Будучи скаляром работа рассматривается в термодинамике а...
22023. Реакции окисления-восстановления 126.5 KB
  Атомы цинка могут переходить из металлической решетки в водный раствор в виде ионов цинка Zn2; при этом освободившиеся электроны уходят по электрической цепи т. происходит процесс: Zn Zn2 2e Отрыв электрона от цинка называется процессом его окисления присоединение электронов к ионам цинка называют их восстановлением. Интуитивно мы понимаем что увеличение потенциала будет способствовать восстановлению ионов цинка до металлического цинка тогда как его уменьшение наоборот окислению цинка до ионов см. Для этого рассчитаем количество...
22024. Свечение, сопровождающее биохимические реакции 131.5 KB
  В последнее время все больший интерес привлекает собственное сверхслабое свечение клеток и тканей животных и человека которое обусловлено реакциями свободных радикалов: радикалов липидов и кислорода а также окиси азота соединениями играющими огромную роль в жизни организма а при определенных условиях и развитии ряда патологических состояний. свечение сопровождающее химические реакции называется хемилюминесценцией ХЛ. Процессы жизнедеятельности как теперь стало известно практически всегда сопровождаются очень слабым...
22025. Собственное свечение клеток и тканей животных 78.5 KB
  Строение Фазовые переходы липидов в мембранах Диффузия как результат случайных блужданий частиц Диффузия ионов при наличии электрического поля Кинетика реакций цепного окисления липидов Cвечение сопровождающее биохимические реакции Активированная хемилюминесценция и биолюминесценция как инструмент в медикобиологических исследованиях Метод электронного парамагнитного резонанса Кинетика химических реакций Кальциевый насос животной клетки Реакции окисления восстановления .
22026. Метод ДСК 195 KB
  Температуры плавления некоторых синтетических фосфолипидов Жирные кислоты Название остатка жирной кислоты Сокращённое название фосффолипида Температура плавления Tc oC 14:0 Миристоил ДМЛ 23 16:0 Пальмитоил ДПЛ 41 18:0 Стеароил ДСЛ 58 18:1 Олеил ДОЛ 21цисформа Полное название фосфолипидов: ДМЛ 12димиристоилфосфатидилхолин еще одно возможное сокращение ДМФХ€ и так далее. На первом этапе нас будут интерессовать три из них: Температура фазового перехода плавления Tc. T полуширина фазового перехода Tc температура...
22027. Активированная хемилюминесценция и биолюминесценция 114 KB
  Так например комплекс редкоземельного иона европия Eu3 c антибиотиком хлортетрациклином усиливает ХЛ при окислении липидов почти в 1000 раз. Хемилюминесцентный иммунный анализ По идеологии хемилюминесцентный иммунный анализ не отличается от радиоиммунного с той только разницей что вместо радиоактивномеченных субстратов или антител используются субстраты и антитела меченные соединением которое вступает в реакции сопровождающиеся хемилюминесценцией в присутствии перекиси водорода и катализатора обычно это фермент пероксидаза....
22028. Биологические мембраны Строение, свойства, функции 403 KB
  Клеточная или цитоплазматическая мембрана окружает каждую клетку. Ядро окружено двумя ядерными мембранами: наружной и внутренней. Все внутриклеточные структуры: митохондрии эндоплазматический ретикулум аппарат Гольджи лизосомы пероксисомы фагосомы синаптосомы и т представляют собой замкнутые мембранные везикулы пузырьки.
22029. Мембранные потенциалы 232.5 KB
  Более подробно межфазные и поверхностные потенциалы будут рассмотрены позже а сейчас мы рассмотрим как повлияет на перенос ионов наличие на мембране трансмембранного потенциала. Однако липидная часть мембраны состоит всегото из двух слоёв молекул фосфолипидов причём размеры подвижных звеньев цепей жирных кислот в этих молекулах соизмеримы с размерами ионов которые передвигаются внутри мембраны. Это заставляет при рассмотрении переноса ионов в мембране отказаться от полностью макроскопического подхода к явлениям и рассматривать процессы на...
22030. Перемещения иона в мембране 347 KB
  В случа переноса ионов через биомембраны за ось Х можно принять ось нормальную к мембране и направленную изнутри везикулы например клетки наружу см. Как же перемещается ион в толще липидного слоя мембраны В разделе 1 говорилось о том что такое перемещение возможно благодаря перестройке конфигурации жирнокислотных цепей и образованию нового кинка . Движение иона поперёк мембраны путём перескакивания из одного кинка в другой. На рисунке показаны не разные молекулы фосфолипидов в бислое а разные стадии процесса переноса иона...