2518

Определение ускорения силы тяжести при помощи оборотного маятника

Лабораторная работа

Физика

Большинство косвенных методов измерения ускорения силы тяжести g основано на использовании известной формулы для: периода Т колебаний физического маятника. Измерение ускорения силы тяжести при помощи оборотного маятника.

Русский

2013-01-06

307 KB

54 чел.

Дата       Фамилия       Группа

 

Лабораторная работа №41

I.Название работы:

Определение ускорения силы тяжести при помощи оборотного маятника

Цель работы

Измерение ускорения силы тяжести при помощи оборотного маятника

II.Краткое теоретическое обоснование:

Механические колебания

Большинство косвенных методов измерения ускорения силы тяжести g основано на использовании известной формулы для: периода Т колебаний физического маятника.

Здесь Jмомент инерции маятника относительно оси качаний (точки подвеса); m − его масса; l − расстояние от оси качаний до центра 

тяжести. Измерение периода можно выполнить с большой точностью, чего обычно не удается сделать для величин J и l. Достоинством, рассматриваемого метода является возможность исключить, эти величины из расчетной формулы для g.

Оборотный маятник (рис. 1) состоит из стальной пластины, на которой укреплены две спорные призмы П1 и П2. Период колебаний маятника можно менять при помощи подвижных грузов и Г1 и Г2.

Допустим, что нам удалось найти такое положение грузов, при котором периоды колебаний маятника T1 и Т2 около призм П1 и П2 совпадают

Условием этого, очевидно, является равенство приведенных длин, т.е. равенство величин J1 / ml1 и J2 / ml2. По теореме Гюйгенса − Штейнера

J1 = J0 + ml12   ,   J2 = J0 + ml22                                                                                 (3)

где J0 − момент инерции маятника относительно оси, проходящей через его центр тяжести (и параллельно оси качаний). Исключая из (2) и (3) J0 и m, получим формулу для определения g.

Здесь l1 + l1 − расстояние между призмами П1 и П2, которое легко может быть, измерено с большой точностью.

Заметим, что формула (4) следует из формул (2) и (3) лишь при условии, что

l1l2                               (5)

так как при l1 = l2 равенства (2) и (3) удовлетворяются тождественно

Перед тем как начинать систематические измерения, полезно подумать о том, как следует выбрать условия опыта, чтобы точность измерения оказалась наибольшей. Чтобы ответить на этот вопрос, изучим прежде всего зависимость периода колебаний Т от расстояния l до оси качаний. Из формул (1) и (3) имеем.

Эта зависимость имеет: вид кривой, изображенной на рис.2. При t → 0 период Г стремится к бесконечности, как t1/2. При t → ∞ период T снова стремится к бесконечности, на этот раз как t0,5

При Т > Тmin одно и то же значение Т достигается при двух разных значениях l. Эти разные значения и должны быть найдены на опыте и использованы для вычисления g. Как становится очевидно из рассмотрения графика, при различных выборах Т значения l1 и l2 сближаются, или наоборот, удаляются друг от друга

Рассмотрим вопрос о том, как точность определения g зависит от разности l1l2.

При выводе формулы (4) мы полагали, что Т1 = Т2. В действительности точного равенства периодов добиться, конечно, невозможно. Пусть значения Т1 и Т2, которые кажутся нам равными, фактически отличаются на малую величину 2ΔТ, так что

Величина 2ΔТ определяет, таким образом, точность совпадения периодов. Используя формулу (6) вместо формулы (4), найдем

Здесь мы пренебрегли: квадратом величины ΔT. Разлагая последнее выражение в ряд, по степеням ΔТ и ограничиваясь линейными членами, получим

Для тех, кто незнаком с представлением функций при помощи степенных рядов, приводим элементарный вывод формулы (8).

Заметим, что (7) можно записать так:

Введем обозначение Выражение в скобках является суммой убывающей геометрической прогрессии

Так как при достаточно малых ΔT \ Т величина x будет мала и члены прогрессии быстро убывают с ростом степени x, то можно воспользоваться соотношением

что немедленно приводит к (7).

Выражение, вынесенное в уравнении (7) за скобку, совпадает с (4), а член, прибавляющийся к единице, определяет относительную ошибку измерения g.

Формула (8) определяет ошибку вычисления g, связанную с ошибкой измерения времени. Из формулы видно, что относительная ошибка Δg = g неограниченно возрастает, если разность l1l2 стремится к нулю, т.е. если Т → Тmin (см.рис 2). Условия опыта, таким образом, должны выбираться так, чтобы l1 и l2 

значительно отличались друг от друга. Измерения обычно обеспечивают хорошую точность, в определении g, если l1 / l2 > 1,5. Нетрудно, однако, показать, что разница l1 и l2 тоже не должна быть слишком большой. Допустим для определенности, что l1 > l2 (см. рис.2); l1 всегда меньше расстояния между призмами, так что при  больших l1 / l2 величина l2 всегда оказывается малой. Если при этом окажется, что Jo >>ml22, то период Т2 будет

и время, необходимое для измерения периода, может стать неприемлемо большим. Кроме того, при малых l2 возрастает роль затухания колебаний. Чтобы это показать, заметим, что период колебаний маятника не зависит от угловой амплитуды φ только в том едучае,когда φ << π /2. При выполнении последнего неравенства запас колебательной энергии W маятника можно представить в виде

Здесь учтено, что при φ << π /2 справедливо соотношение

Потери энергии при колебаниях определяются в основном силами трения между опорной призмой и подушкой, когорые практически не зависят от периода Поэтому потери ΔW энергии за период (при постоянном φ) можно считать постоянными и величина

по мере уменьшения l2 будет возрастать, как (l2)-1. Отсюда следуют два вывода:

  1.  С уменьшением l2 будут возрастать затухания колебаний, что приводит к снижению точности измерения периода.
  2.  Формула (1) получена в предположении, что ΔW = 0, поэтому ее можно использовать при условии выполнения неравенства

При выполнении данной работы желательно, чтобы величины W и ΔW отличались друг от друга не менее чем и три порядка, т.е. чтобы

Следует заметить, что ввести в (1) поправки, учитывающие затухание колебаний, не удается, так как законы трения в опорных призмах обычно

Предыдущие рассуждения показывают, что разница между l1 и l2 и не должна быть слишком значительной. Удовлетворительные результаты можно получить, если выбрать

III.Рабочие формулы и единицы измерения.

IV.Схема установки.

V.Измерительные приборы и принадлежности.

  •  Оборотный маятник

VI.Результаты измерения.

VII. Черновые записи и вычисления.

VIII. Основные выводы.

Измерили ускорение силы тяжести при помощи оборотного маятника


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29664. Категория активность 53 KB
  Леонтьев указывает на явления активности составляющие как бы внутреннюю предпосылку самодвижения деятельности и ее самовыражения [Леонтьев А. Поэтому описание явлений активности обычно ведется в терминах автономности спонтанности самопроизвольности инициативности и т. Однако любое проявление активности имеет место в некотором окружении. Невозможность роста активности без отражения а также не возможность отражения без активности самого отражающего объекта делает эти понятия изначально взаимосвязанными.
29665. Категории «взаимодействие» и «отражение» 56 KB
  Противоречия между указанными подходами можно разрешить и соединить различные аспекты в понимании отражения если определять его не как атрибут материи производный от другого атрибута – взаимодействия а как самостоятельный аспект движения материи дополняющий взаимодействие проявляющийся во взаимодействии в свою очередь влияющий на ход взаимодействия и его результаты. Но какова природа этой особой способности к отражению почему она в разной степени присуща разным объектам и по каким законам она развивается Источником этой внутренней...
29666. Характеристика дескриптивной методологии 60.5 KB
  Декартовское представление о дуализме души и тела и понимание механистической детерминации как основы причинного объяснения породили тот тип рациональности который на долгие годы определил использование в психологии критериев научности взятых из парадигмы классической науки. Возникшие позже другие типы рациональности – неклассические и постнеклассические – еще только осваиваются в новых исследовательских парадигмах психологии. В рамках одной и той же исследовательской методологии оформлялись разные теоретические концепции научной психологии....
29667. Понятие методологии науки 71.5 KB
  Метод в широком смысле – путь познания опирающийся на некоторую совокупность ранее полученных общих знаний принципов. Методология – учение о методах и принципах познания. Можно выделить по крайней мере два понимания методологии развиваемых: 1 как представленное при рефлексии теории познания понимание метода в указанном широком смысле и 2 как учение о системе методов в узком смысле посредством которых в рамках той или иной науки в ходе теоретического или теоретикоэмпирического исследования проверяется правдоподобие или истинность...
29668. Соотношение понятий «наука», «философия» и «мировоззрение» 79 KB
  Важнейшие из них парадигмы т. В философию науки понятие парадигмы ввел Бергман для характеристики нормативности методологии. Парадигмы определяют содержание конкретных научных идей область и предмет научных исследований. Примерами общих парадигм для психологической науки могут служить естественнонаучная и культурноисторическая парадигмы.
29669. Психология как мультипарадигмальная наука 95.5 KB
  Имеются в виду не любые теории только те из них которые подтверждаются результатами классических экспериментов и получены заслужившими доверие методами общие теории получившие признание и служащие образцом для исследований по разнообразной конкретной проблематике. Парадигма есть общая модель образец ориентируясь на которую возникают и развиваются конкретные частные научные теории. Но понятие кризиса продолжает использоваться поскольку за ним стоит неудовлетворенность отсутствием единой общепсихологической теории. Если учитывать...
29670. Метафизические и эмпирические теории 51 KB
  Структура методологического знания уровни и подходы Если рассматривать структуру методологии науки по вертикали то можно выделить следующие ее уровни: 1 уровень философской методологии; 2 уровень конкретнонаучной методологии; 3 уровень общенаучных принципов и форм исследования; 4 уровень методики и техники исследования. Философская методология имеет форму философского знания добываемого с помощью методов самой философии примененных к анализу процесса научного познания. Разработка этого уровня методологии осуществляется как...
29671. Априорное и эмпирическое знание 380 KB
  Эмпирические корни психологии восходят к Леонардо да Винчи 1452 1519 великому флорентийскому художнику ученому гуманисту и гению механики эпохи Возрождения. Эти идеи послужили краеугольными камнями в фундаменте будущей эмпирической психологии. В связи с этим некоторые философы рассматривают Беркли как отца философского феноменализма а философский феноменализм как одно из оснований качественных исследований в психологии. Отсюда происходит принцип скептицизма эмпирической психологии.
29672. Категории как описания существенных, всеобщих свойств, отношений и закономерностей действительности 47 KB
  Первые психологические исследования были направлены на выделение и фиксирование эмпирических и феноменологических признаков психических явлений а также на раскрытие их специфических характеристик. Теоретический поиск объяснений и общих закономерностей ведется в терминах и понятиях того же языка на котором производится эмпирическое и феноменологическоеописание психических явлений. Определения психических явлений в контексте различных подходов к объяснению психики. По мере своего развития научные представления о сущности психических...