2488

Изучение свободных и вынужденных колебаний пружинного маятника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: ознакомление с основными законами колебательного движения, определение коэффициента жесткости пружины, проверка формулы периода колебаний пружинного маятника, определение логарифмического декремента затухания и коэффициента затухания, изучение явления резонанса при вынужденных колебаниях.

Русский

2013-01-06

77.26 KB

224 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Ф.Скорины»

Отчет по лабораторной работе

Изучение свободных и вынужденных колебаний пружинного маятника

Выполнили:

студенты группы Ф–14

Кукобникова В.В.,

Лобан А.А.


Цель работы: ознакомление с основными законами колебательного движения, определение коэффициента жесткости пружины, проверка формулы периода колебаний пружинного маятника, определение логарифмического декремента затухания и коэффициента затухания, изучение явления резонанса при вынужденных колебаниях.

Приборы и принадлежности: установка, секундомер.

Теоретические сведения

Совокупность тел, способных совершать колебательное движение, называется колебательной системой. Будем изучать простую колебательную систему - пружинный маятник. Он представляет собой тело массы , подвешенное на упругой пружине.

Пусть -длинна недеформированной пружины, -величина деформации, которую испытывает пружина при подвешивании тела (статическое удлинение пружины). Тогда:

(1)

где -коэффициент упругости (жестокости) пружины.

Из (1) находим:

(2)

При смещении тела на величину X вдоль вертикали на него будет действовать сила:

(3)

Направленная к положению равновесия (в сторону обратную смещению)

Уравнение движения тела будет иметь вид:

(4)

Откуда:

(5)

где -круговая частота колебаний.

Период их:

(6)

Написанные уравнения характеризуют незатухающее гармоническое колебательное движение.

В случае наличия сил сопротивления, действующих на тело, колебания будут затухать. При малых скоростях движения тела, силу сопротивления можно считать пропорциональной скорости движения:

(7)

где -коэффициент сопротивления среды.

Уравнение движения тела в данном случае имеет вид:

(8)

а закон движения:

(9)

где -начальная амплитуда; -коэффициент затухания;

(10)

Амплитуда колебаний убывает по экспоненциальному закону.

Отношение амплитуд колебаний, соответствующих двум моментам времени, отличающихся друг от друга на период называют декрементом затухания:

Амплитуда двух последующих колебаний обычно мало отличаются друг от друга, поэтому для более точного определения логарифмического декремента затухания измеряют амплитуды, отстоящие друг от друга на периодов. Логарифмический декремент затухания в этом случае находится из формулы:

(11)

где и -амплитуды начального и конечного колебаний.

Колебания, которые совершаются за счет работы периодически меняющиеся внешней силы, называют вынужденными.

Пусть на тело действует внешняя сила, изменяющуюся по гармоническому закону с частотой , сила сопротивления пропорциональная скорости тела и упругой силе. Напишем уравнение движения тела:

(12)

где -амплитудное значение вынуждающей силы, при этом:

(13)

где -сдвиг фаз между колебаниями системы и колебаниями внешней силы.

То есть, тело будет совершать гармоническое колебательное движение с частотой внешней силы.

Амплитуда колебания:

(14)

где -частота собственных колебаний системы; -показатель затухания.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте собственных колебаний называется резонансом. Частота вынуждающей силы, при которой возникает резонанс, называется резонансной частотой , а величина максимальной амплитуды называется резонансной амплитудой .

Из формулы (14) можно получить:

(15)

(16)

Для маятников с массами и будем иметь:

Откуда:

 (17)

Для более точного определения периода колебаний будем измерять время , за которое совершается полных колебаний. Тогда:

 (18)


Ход работы

Упражнение № 1

Определение коэффициента жесткости пружины статическим методом.

1) Кладем на платформу груз и измеряем по шкале удлинения пружины.

2) Кладем другой груз и снова проделываем измерение деформации. Общее число грузов 5.

3) По формуле (2) определяем коэффициент жесткости пружины. Оцениваем ошибку измерения . Данные измерений и вычислений заносим в таблицу 1

Таблица № 1

Коэффициент жесткости пружины.

m,кг

1

0,05

0,005

98,00

49,41

49,41±35

2

0,10

0,02

49,00

3

0,15

0,04

36,75

4

0,20

0,06

32,67

5

0,25

0,08

30,63

Упражнение № 2

Проверка формулы периода колебаний пружинного маятника.

1) Кладем на платформу тело массой . Тогда масса маятника будет равна , где - масса платформы, г.

2) Выводим маятник из положения равновесия примерно на 70 мм и измеряем время , в течение которого совершается 5 полных колебаний.

3) По формуле (18) находим период. Опыт проделываем 5 раз и находим среднее значение периода.

4) Кладем на платформу другое тело и снова проделываем операции пункта 2. Результаты заносим в таблицу 2.

5) Определяем и . Оцениваем ошибки определения этих величин и .

6) Проверяем неравенства:

выполнение которых дает право утверждать, что величины и равны в пределах точности измерений.

Таблица №2

Период колебаний пружинного маятника для различных грузов.

N

N

1

0,225

5

3,02

2,87

0,57

0,325

5

3,40

3,36

0,67

2

2,62

3,41

3

2,64

3,54

4

2,84

3,25

5

3,24

3,21

Получим:

, т.е. 

0.7+0.0016>0.7-0.001

07-0.0016<0.7+0.001 , т.е. величины и равны в пределах точности измерений.

Упражнение № 3

Определение логарифмического декремента затухания и коэффициент затухания.

1) Кладем на платформу несколько грузов и определяем период колебаний маятника, как указано в упражнении 2.

2) Выводим тело из положения равновесия на величину и определяем время , за которое амплитуда колебаний уменьшается в 10 раз. Измерения проводим 5 раз.

3) По формуле определяем логарифмический декремент.

4) Коэффициент затухания находим по формуле

5) Определяем и . Результаты заносим в таблицы 3 и 3(а).

Таблица №3

Период колебаний пружинного маятника.

m гр. с платф., кг

, с

, с

, с

, с

, с

Средн.

0,325

0,66

0,67

0,69

0,65

0,68

0,67

Таблица № 3(а)

m гр. с платф., кг

, с

, с

, с

Средн.

0,325

6,08

4,90

6,73

6,10

5,16

5,79

Время , за которое амплитуда колебаний уменьшается в 10 раз.

А=15см=0,15м

А=15мм=0,015м

с.

Вывод: определили коэффициент жесткости пружины; проверили формулы периода колебаний пружинного маятника; определили логарифмический декремент затухания и коэффициент затухания.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48396. МАРКЕТИНГ. КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ 115.93 KB
  СУТНІСТЬ ОСНОВНИХ ПОНЯТЬ МАРКЕТИНГУ ТА РОЗВИТОК ЙОГО КОНЦЕПЦІЇ Система маркетингу. Принципи цілі задачі та функції маркетингу. Характеристика видів маркетингу.
48397. Основи локальних мереж 1.54 MB
  Але наглядно переваги мережі виявляються в тому випадку коли всі користувачі працюють з єдиною базою даних запитуючи в неї та заносячи в неї нову наприклад в банку магазині на складі. Використання локальної для організації сумісної роботи компютерів Без мережі також неможна обійтися в тому випадку коли необхідно забезпечити узгоджену роботу декількох компютерів. Визначення локальної мережі Способи і засоби обміну інформацією за останній час запропоновано численність: від най простішого переносу файлів за допомогою дискети до...
48398. Основи охорони праці. Конспект лекцій 3.61 MB
  Основи охорони праці. Конспект лекцій містить лекції з курсу Основи охорони праці Історія охорони праці.
48399. Основи стандартизації та сертифікації 3.7 MB
  Основними її видами є стандарти і технічні умови документи що містять обовязкові для продуцентів норми якості виробу і засоби їх досягнення набір показників якості рівень кожного з них методи і засоби вимірювання випробувань маркування упаковки транспортування і зберігання продукції. Найбільш жорсткі вимоги щодо якості містяться у міжнародних стандартах які розроблюються Міжнародною організацією стандартизації ІСО і використовуються для сертифікації виробів що експортуються у інші країни і реалізуються на світовому...
48400. Психологія праці 89.5 KB
  Ергатична система — (грец. erg справа робота)— це взаємодія людини з обєктивною реальністю, система субєкт праці — людина (трудовий колектив) -предмет праці — засоби праці — виробниче середовище. Ергатична функція - будь яка трудова функція засобів праці що характеризує ергатичну систему.
48401. Професійне спілкування. Вимоги до професійного спілкування 367.5 KB
  Професійне спілкування сприймається як усний мовний контакт між людьми, що зв’язані інтересами справи і мають повноваження для встановлення ділових контактів, вирішення ділових проблем і здійснення конкретних підходів до їх вирішення. Тобто ділова розмова – це «дракон із чотирма головами»
48402. Основи промислової електроніки і МПТ 7.77 MB
  Курс лекцій написаний для студентів спеціальності “Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд” денної форми навчання. Обсяг кожної лекції розрахований на два академічні години. Кожну лекцію можна вивчати незалежно від попередньої. Лекції містять ретельно підібраний матеріал, мають велику кількість ілюстрацій, електричних і логічних схем. Дано параметри напівпровідникових приладів і мікросхем, їх позначення.
48403. Необхідність, сутність і функції фінансів 48.11 KB
  Юридичні особи діяльність яких повязана з наданням професійних послуг на ринку цінних паперів до них відносяться підприємства що спеціалізуються на здійсненні посередницької діяльності по випуску та розміщенню цінних паперів виконуючи операції на фондовому ринку за дорученням своїх клієнтів. Фінанси підприємства. Субєктами господарювання є: Господарські організації це юридичні особи створені відповідно до цивільного кодексу України державні комунальні та інші підприємства створенні відповідно до господарського кодексу України а також...
48404. Предмет фінансової науки. Фінансові категорії 1.04 MB
  Тут зосереджувалася основна маса доходів у бюджеті централізувалося більше 50 валового внутрішнього продукту і до 75 національного доходу а без асигнувань з бюджету практично неможливим було функціонування значної частини підприємств установ соціальнокультурної сфери будівництво житла існування житловокомунального Господарства тощо. Значення державного бюджету обумовлено не лише обсягом коштів зосереджених у ньому а й найбільш розвиненою системою взаємозвязків з усіма іншими ланками та сферами. до Європейської хартії про місцеве...