2494

Определение ускорения свободного падения посредством математического маятника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: определить ускорение свободного падения в поле тяготения Земли методом математического маятника.

Русский

2012-10-09

97 KB

51 чел.

Лабораторная работа.

Определение ускорения свободного падения посредством математического маятника.

Цель работы: определить ускорение свободного падения в поле тяготения Земли методом математического маятника.

Приборы и принадлежности: 1.Прибор FPM-07

2.Линейка с миллиметровыми делениями.

I. ТЕОРИЯ

1. Описание установки.

Универсальный маятник FPM-07 предназначен для исследования законов, по которым происходит колебательное движение математического маятника и определения значения земного ускорения. Принцип работы прибора основан на физических законах, определяющих колебания математического маятника, применимых при отклонениях маятника от положения равновесия (не более 6 – 7 градусов).

А) Устройство установки.

Общий вид математического маятника представлен на рисунке 1.

Основание (1) оснащено регулируемыми ножками(2), которые позволяют произвести выравнивание прибора. В основании закреплена колонка (3), на кото-рой зафиксирован верхний верхний кронштейн (4) и нижний кронштейн (5) с фотоэлектрическим датчиком (6).

Нижний кронштейн вместе с фотодатчиком фиксируется так, чтобы стержень, прикрепленный к шарику, перекрывал линию луча. Нижний кронштейн вместе с фотоэлектрическим датчиком можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в произвольно избранном положении. Фотоэлектрический датчик соединен разъемом с привинченным к основанию универсальным миллисекундомером FPM-14 (8).

Вид лицевой панели миллисекундомера FPM-14 показан на рис.2.

На лицевой панели универсального миллисекундомера находятся следую-щие манипуляционные элементы:

/СЕТЬ/ - включатель сети. Нажатие этой клавиши включает питающее напряже-ние. Визуально это объявляется свечением цифровых индикаторов (высвечиваю-щих.цифры "нуль") и свечением лампочки фотоэлектрического датчика.

/СБРОС/ - установка нуля измерителя. Нажатие этой клавиши вызывает сброс схем миллисекундомера и генерирование сигнала разрешения на измерение.

/СТОП/- окончание измерения. Нажатие клавиши вызывает генерирование сигнала разрешения на окончание процесса подсчета.

Б) Диапазоны измерения и погрешности измерения : 

-максимальное количество измеряемых колебаний маятника ...... 99

-диапазон измеряемого времени 1-99999мс

-рабочая погрешность измерения времени, не больше ....... 0,02%

Питание прибора от переменного напряжения ....

2. Теория метода

Период колебаний математического маятника находится по формуле:

,   (1)

где L – расстояние от точки подвеса до центра тяжести системы шарик-нить,

g – ускорение свободного падения в данной точке на поверхности Земли.

=3,14.

Из формулы (1) можно определить g.  

 (2).

Таким образом, для определения ускорения свободного падения по формуле (2) достаточно знать L и g.

а) Измерение длины маятника.

Если учесть, что масса нити очень мала в сравнении с массой шарика, то центр тяжести системы шарик-нить находится в геометрическом центре шарика, то есть

  ,  (3)

где Z – длина нити подвеса (расстояние от точки подвеса до верхнего края шарика) ;

r – радиус шарика, r = d/2 , где d – диаметр шарика, определяемый при помощи штангенциркуля.

Т.к. измеряется период времени 50 колебаний, то период колебаний Т находится по формуле: .

Все измерения проделать не менее трех раз и результаты измерений занести в таблицу.

!!! Не забывайте, что результаты косвенных измерений мы рассчитываем по формулам, используя средние значения, полученных прямых измерений, и заносим в таблицу только один раз.

Погрешности косвенных измерений рассчитываются по формулам, которые предлагается вывести самостоятельно.

Z,

м

Z

r

rм

L,

м

t,

с

t,

c

T,

c

T,

c

g,

м/с2

g,

м/с2

(g/g)100%

1

2

3

Cp

3. Методика выполнения работы

1. Проверить вертикальность установки колонки.

2. Нижний кронштейн вместе с фотоэлектрическим датчиком установить в нижней части колонки, обращая внимание на то, чтобы верхняя часть кронштейна показывала на шкале длину не меньше 50 см.

3. Зафиксировать фотоэлектрический датчик в избранном положении.

4. Включить сетевой шнур установки в питающую сеть.

5. Нажать переключатель СЕТЬ, проверяя, все ли индикаторы измерителя показывают цифру "нуль" и горит ли лампочка фотоэлектрического датчика.

6. Привести математический маятник в движение, отклоняя его на 6-7 градусов от положения покоя.

7. Нажать клавишу СБРОС

8. После подсчёта измерителем 49 колебаний нажать клавишу - СТОП, записать показания миллисекундомера и счетчика периодов.

Контрольные вопросы:

1.Какие колебания совершает математический маятник?

  1.  Почему угол отклонения подвеса должен быть не больше 6-7 градусов?

3.В каких точках земной поверхности ускорение свободного падения g максимально, в каких минимально?

4.Чему равно ускорение свободного падения в центре Земли?

  1.  Распишите силы, действующие на математический маятник, и выведите формулу (1).
  2.  При каких условиях справедлива формула (1)?

 Рекомендуемая литература

1. Е.М. Гершензон и др. Курс общей физики. –М.: Просвещение, 1981.

:2. Александров Н.В., Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика. М., Просвещение, 1978, с. 82-93.

3. Архангельский М.М. Курс физики. Механика. 1975. гл.4, § 3-6.