2493

Проверка основного закона динамики вращения твердого тела с помощью маятника Обербека

Лабораторная работа

Физика

Математическая форма записи основных закономерностей для поступательного и вращательного движений остается неизменной.

Русский

2013-01-06

132.45 KB

37 чел.

РАБОТА № 4.

Проверка основного закона динамики вращения твердого тела с помощью маятника Обербека.

Оборудование: маятник Обербека, набор грузов, секундомер.

Краткая теория

Вращение твердого тела постоянной массы вокруг неподвижной оси описывается уравнением.

(1)

Здесь М - момент сил, действующих на тело, I- момент инерции тела, ω - угловая скорость. Это - основное уравнение динамики вращательного движения вокруг неподвижной оси.

Оно напоминает уравнение Ньютона для материальной точки.

(2)

Роль массы играет момент инерции I, роль скорости V - угловая скорость ω, роль силы - момент силы М, роль импульса - момент импульса .

Если момент внешних сил относительно оси вращения равен нулю, то момент импульса остается неизменным:

При М=0 , поэтому =const.

Для замкнутой системы имеет место закон сохранения момента импульса

(3)

Всякое твердое тело можно представить как совокупность большого числа частиц элементарного объема ΔVi с массой Δmi.

Моментом инерции тела относительно оси называется величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг этой оси и равная сумме произведений масс всех частиц тела на квадраты их расстояний от той же оси (рис. 1).

(4)

r1

r2

r1

r3

Δm1

Δm2

Δm3

Рис. 1

В общем случае моменты инерции находятся интегрированием по всему объему тела

(5)

Момент инерции одного и того же тела различен для разных осей вращения. Он зависит и от направления оси, и от места ее прохождения.

Пример:

  1.  момент инерции диска относительно оси, перпендикулярной к его плоскости, определяется формулой

r

m

O

O

(6)

  1.  момент инерции того же диска относительно оси, совпадающей c диаметром, вычисляется по формуле

r

m

O

(7)

O

Если момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела, равен I0, то момент инерции относительно любой другой оси, параллельной первой, может быть вычислен на основании теоремы ГЮЙГЕНСА – ШТЕЙШЕРА.

, (8)

где aрасстояние между осями.

Пример:

Тело представляет собой тонкий длинный стержень с сечением любой формы. Максимальный поперечный размер стержня b«l. Момент инерция относительно оси, перпендикулярной к стержню и проходящей через его середину, равен

(9)

Найти момент инерции стержня относительно оси O'O'.

O

b

l

O

O

 

O

O

O

На основании теоремы Гюйгенса – Штейнера

Математическая форма записи основных закономерностей для поступательного и вращательного движений остается неизменной. Это удобно проиллюстрировать следующей таблицей.

Поступательное движение

Вращательное движение

Масса

m

Момент инерции

I

Скорость

V

Угловая скорость

ω

Количество движения

mV

Момент количества движения

I ω

Сила

F

Момент силы

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия

Второй закон динамики

Второй закон динамики

Закон сохранения количества движения

Закон сохранения момента количества движения

Экспериментальная установка. Маятник Обербека состоит из четырех спиц, укрепленных на втулке под прямым углом друг к другу. На ту же втулку насажены два шкива различных диаметров: d1=18,6 мм, d2=35 мм. Момент инерции системы можно менять, передвигая грузы m1 вдоль спиц.

m1

m1

m1

m1

d1

d2

H

m

Момент силы создается грузом m, привязанным к нити H, которая навита на один из шкивов.

Задача: Экспериментально установить характер зависимости углового ускорения от момента силы и момента инерции.

Гипотеза: Ожидаемые результаты можно представить в виде двух зависимостей.

  1.  При I=const, β=f(M), β= 2. При М=const, β=f(I), β=

β

M

β

M

Обоснование методики эксперимента.

  1.  Момент инерции маятника может быть вычислен по формуле

(10)

где R - расстояние от центра масс грузов m1 до оси вращения, ρ - радиус цилиндра, l - образующая цилиндра.

  1.  Момент инерции маятника может быть найден из графика зависимости β=f(M), I=const.
  2.  График зависимости β=f(I) можно построить, предварительно получив серию графиков зависимости β=f(M) для разных моментов инерции.

β

M

Для построения зависимости β=f(M) нужно иметь не менее четырех экспериментальных точек, β=f(I) - не менее пяти точек.

  1.  Для решения задачи потребуются следующие динамические и кинематические закономерности:

  1.  Момент силы натяжения Т можно менять двояко: изменением радиуса шкива и изменением массы груза, висящего на нити.
  2.  Момент инерции маятника можно изменять, перемещая грузы на спицах.
  3.  Чтобы движение маятника и чашки с грузами было равноускоренным, необходимо предварительно установить маятник в положение безразличного равновесия.
  4.  Моменты сил трения могут быть оценены из графика и экспериментально по минимальному значению массы, при котором маятник начинает вращаться.

Задание:

  1.  Составьте план эксперимента и таблицу дли занесения результатов измерений.
  2.  Произведите измерения и постройте графики.
  3.  Оцените моменты сил трения по графикам и по минимальной массе на чашке маятника.
  4.  Находятся ли результаты эксперимента в согласии с формулой (10)? Как меняется относительная роль двух последних членов формулы (10) при изменении величины R? Существенно ли отличается поправка, определяемая этими членами, от ошибок измерений? Ответ на два последних вопроса лучше всего дать в виде графика зависимости величины от R2, где

.

  1.  Проанализируйте результаты измерений и сформулируйте выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ (для самооценки готовности к защите)

  1.  Объясните, как получена формула (10)?
  2.  Как определить момент инерции крестовины, не снимая с нее грузов?
  3.  При выполнении серии экспериментов установлено, что угол наклона графика зависимости β=f(M) I=const уменьшается. Как перемещались грузы на спицах (приближалась к оси или удалялись от нее)?
  4.  Приведите примеры, иллюстрирующие зависимость момента инерции от распределения массы в теле относительно оси вращения.
  5.  Что общего и каковы различия между понятиями масса и момент инерции?

ЛИТЕРАТУРА

Сивухин Д.В. Общий курс физики. - T.1. - М: Наука, 1974

§§ 32, 33, 35, 36.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66975. «Пані Економіка» Інтелектуально-ігрова програма 105.5 KB
  Економічна культура формується здебільшого через освіту і виховання. Економічна освіта полягає у формуванні економічних знань, вмінь та навичок господарювання, засвоєння попереднього досвіду у соціально-економічній діяльності. Економічна освіта спрямована на зміну економічної поведінки людей.
66976. Поняття економіки як сфери життя і діяльності людини 175 KB
  Мета: ознайомити учнів з поняттям нової учбової дисципліни, а також про те, для чого потрібно знати, вивчати «Цікаву економіку», показати залежність життя людей від рівня розвитку економіки; розвивати мислення, пам’ять; виховувати інтерес до суспільного життя в рідній державі.
66977. Реклама – двигун торгівлі 101 KB
  Познайомити учнів з поняттям – реклама показати що реклама це форма звернення до споживачів з метою залучити їхню увагу до товарів чи послуг; розвивати логічне мислення учнів навичку спілкування колективної та самостійної роботи; виховувати відповідальність самостійність здібності майбутніх рекламодавців.
66978. Матеріальні та духовні потреби. Судження. Істині та хибні судження 52 KB
  Мета. Поглибити знання про матеріальні та духовні потреби. Розвивати економічне мислення; сприяти вихованню в учнів бережного ставлення до власних речей, до шкільного майна. Тип уроку: комбінований Обладнання: зошит «Цікава економіка», девіз уроку, казки «Золота рибка», «Рукавичка», «Колобок», «Попелюшка».
66979. Екологія і раціональне використання ресурсів 1.12 MB
  Мета: Продовжити знайомити учнів з поняттями «екологія», «екологічна криза»,вчити раціонально використовувати ресурси, сприяти усвідомленню дітьми власної відповідальності за порушення екологічної рівноваги на Землі зацікавити учнів у вивченні даної теми...
66980. «Від сивої давнини... до сьогодення» 605 KB
  Задачі уроку: формувати громадські уявлення та патріотичні почуття належності до українського народу; познайомити учнів з головними історичними подіями в процесі розвитку рідного міста; поширити знання учнів про символіку Донецька; виховати любов до нашого міста почуття шанування його громадян.
66981. Сценарий праздника «День окружающей среды» 63.5 KB
  Цель: вызвать интерес к экологическим проблемам планеты и желание созидательно взаимодействовать с природой. Задачи: воспитывать у учащихся стремление к распространению экологических знаний и личному участию в практических делах по защите окружающей среды...
66982. «Ти - наше диво калинове, кохана материнська мово!» 56 KB
  Мета: Формувати розуміння того що українська мова наш скарб без якого не може існувати ні народ ні Україна як держава. Шевченка плакати Без мови рідної юначе й народу нашого нема ...
66983. День народження школи 38 KB
  Ніколи біда не ввійде у ваш дім Здоровя і щастя вам зичімо всім Ведуча Дорогі колеги шановні гості сьогодні Ми зібралися у цій залі неспроста. Ведуча Наша школа невелика Але завжди гомінка Метушлива й проворна Завдяки дітлахам що сюди поспішають А сьогодні шановних гостей вітають Номер...