2606

Изучение маятника максвелла

Лабораторная работа

Физика

Изучение маятника максвелла Цель работы: определение основных характеристик маятника Максвелла. Приборы и принадлежности: установка FPM-03, набор колец, штангенциркуль. Краткие теоретические сведения Движение твёрдого тела можно рассматривать как дв...

Русский

2012-11-12

52.11 KB

29 чел.

Изучение маятника максвелла

Цель работы: определение основных характеристик маятника Максвелла.

Приборы и принадлежности: установка FPM-03, набор колец, штангенциркуль.

Краткие теоретические сведения

Движение твёрдого тела можно рассматривать как движение системы большого числа материальных точек, сохраняющих неизменное положение друг относительно друга. Одним из примеров такой системы является маятник Максвелла. Он представляет собой диск радиуса R, насаженный на ось диаметра 2r, с обоих концов которой намотана упругая нить. Система находится в поле силы тяжести. Схематически маятник Максвелла изображён на рис. 1.

Для описания движения маятника Максвелла запишем уравнение второго закона Ньютона и основное уравнение динамики вращательного движения (см. рис 2).

                     Рис.1                                   Рис.2

  (1)

Здесь:

m- масса маятника;

I- момент инерции маятника относительно оси вращения, совпадающей с осью диска;

- сила натяжения одной нити подвеса;

- ускорение маятника;

- угловое ускорение маятника; 

В проекциях на оси координат XYZ система уравнений (1) имеет вид

           (2)

Решив систему уравнений (2) относительно Т и I исходим

     (3)

    (4)

Для дальнейшего преобразования выражений (3) и (4) используем соотношение

           (5)

связывающее линейное и угловое ускорения точек, лежащих на оси маятника, и тот факт, что движение маятника равноускоренно и, следовательно,

           (6)

где h- длина маятника, t- время его падения.

С учётом (5) и (6), для силы натяжения нити и момента инерции маятника окончательно имеем

          (7)

        (8)

где d- внешний диаметр оси маятника.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Общий вид маятника Максвелла показан на рис. 3. Основание 1 оснащено регулируемыми ножками 2. В основании закреплена колонна 3, к которой прикреплён неподвижный верхний кронштейн 4 и подвижный нижний кронштейн 5. На верхнем кронштейне находится электромагнит 6, фотоэлектрический датчик 7 и вороток 8 для регулирования длины бифилярной подвески маятника.

Маятник 10- ролик, закреплённый на оси и подвешенный на бифиляре, на который накладываются заменные кольца 11, изменяя момент инерции системы. Длина маятника определяется по миллиметровой шкале на колонне прибора.

Функциональное назначение клавишей на панели установки:

СЕТЬ/- выключатель сети. Нажатие этой клавиши включает напряжение питания;

/Сброс/- установка нуля измерения;

/Пуск/- управление электромагнитом.

Выполнение работы

Упражнение I.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ МАЯТНИКА МАКСВЕЛЛА И СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ В НИТЯХ ПОДВЕСА.

1.Подготовить прибор к работе. Для этого:

а) Нижний кронштейн прибора передвинуть и зафиксировать в крайнем нижнем положении;

б) на ролик маятника наложить кольцо, указанное преподавателем, прижимая его до упора;

в) на ось маятника намотать нить подвеса и зафиксировать её. Проверить, отвечает ли нижняя грань кольца нулю шкалы на колонке. Если нет, отвинтить верхний кронштейн и отрегулировать высоту;

г) нажать клавишу ‘ПУСК’;

д) деблокировать гайку воротка для регулирования длины бифилярной подвески. Определить длину нити таким образом, чтобы край стального кольца после опускания маятника находился около 2мм ниже оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика. Одновременно произвести корректировку установки маятника, обращая внимание на то, чтобы его ось была параллельной основанию прибора. Блокировать вороток;

е) отжать клавишу ‘ПУСК’;

ж) намотать на ось маятника нить подвеса, обращая внимание на то, чтобы она наматывалась равномерно, виток к витку;

з) фиксировать маятник с помощью электромагнита;

2.Повернуть маятник в направлении движения на угол .

3.Нажать последовательно:/СБРОС/, /ПУСК/. Снять показания прибора, определив также длину маятника по колонке и время его падения. Повторить опыт 7-10 раз.

4.Используя формулу (6), вычислить значение а. Определить погрешность.

5.Определить массу маятника, по формуле (7) рассчитать силу натяжения нитей.

6.Сделать выводы.

Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ МАЯТНИКА МАКСВЕЛЛА.

  1.  Подготовить прибор к работе, согласно рекомендациям упр. I.
  2.  Провести 7-10 измерений времени падения маятника. Результаты занести в таблицу и обработать.
  3.  Определить высоту падения маятника.
  4.  Определить массу маятника по формуле.                    где  - масса оси маятника.          - масса ролика.           - масса кольца.           (значение масс с точностью 0.5% указаны на соответствующих деталях).
  5.  Определить внешний диаметр d оси маятника.
  6.  Определить экспериментальное значение момента инерции данного маятника, пользуясь формулой (8). Оценить погрешность полученного результата.
  7.  Измерив диаметры оси маятника, ролика и съёмного кольца вычислить теоретическое значение момента инерции маятника Максвелла по формуле:            (9)  где - момент инерции оси маятника.       - момент инерции ролика.        - момент инерции кольца.      Определить погрешность.
  8.  Сравнить значения и . Сделать выводы.

Упражнение 3. (дополнительно).

  1.  Оценить добротность маятника Максвелла, пользуясь энергетическим выражением для добротности и помня, что в верхнем положении полная энергия маятника равна , где h- высота подъёма маятника, m- его масса. Самостоятельно проведя необходимые измерения одного параметра, составить таблицу 3 и определить погрешность измерения.
  2.  Определить главный источник потерь энергии данной механической системы. Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции твёрдого тела. Вычисление моментов инерции.
  2.  Маятник Максвелла.
  3.  Понятие о затухающих колебаниях. Логарифмический декремент затухания. Добротность (только для выполнивших упражнение 3).

Литература.

  1.  Сивухин Д.В. Общий курс физики. Механика, М., Наука, 1978.
  2.  Петровский И.И. Механика, Минск, НГУ, 1973.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77731. Технологии флэш-памяти 130.5 KB
  Итак флэш-память. Вообще изобретателем считается Intel представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshib разработала архитектуру NND которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш.
77733. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) и их интерфейсы 3.5 MB
  В этих устройствах могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации магнитный оптический магнитооптический электронный в любых их сочетаниях. Устройства внешней памяти оперируют блоками информации но никак не байтами или словами как например оперативная память. Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства его контроллеру и способу подключения устройства к системе интерфейсу.
77735. Интерфейс НГМД 2.29 MB
  Интерфейс НГМД Интерфейс накопителей на гибких магнитных дисках НГМД является сугубо специфическим по нему передаются не байты команд и данных а сигналы управления приводом и не декодированные сырые битовые потоки данных чтения-записи. Основные функции по управлению НГМД а также по кодированию-декодированию данных выполняет контроллер расположенный на системной плате1. Все функции необходимые для использования НГМД в качестве устройств хранения данных реализованы сервисами BIOS INT 13h и ОС. Контроллер 2 FDC АТ поддерживает два...
77736. Интерфейс ATA 205 KB
  После введения в 2003 году стандарта Seril T Последовательный T традиционный T стали именовать Prllel T имея в виду способ передачи данных по 40 жильному кабелю. Это вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Также введена проверка на четность CRC что повышает надёжность передачи информации. 1й регистр с адресом 0 является 16 разрядный и используется для передачи данных между диском и контроллером.
77737. Подключение жестких дисков ATA к компьютеру 112 KB
  Неправильное подключение разъемов кабеля к жесткому диску или системной плате не ведет с необходимостью к повреждению электроники диска или платы жесткий диск просто не распознается и не инициализируется BIOS. Включить компьютер и войти в SetupBIOS программу настройки BIOS бапзовой системы вводавывода нажав комбинацию клавиш высвечиваемую на экране компьютера во время его загрузки обычно клавиша Del. Сконфигурировать или убкдится в правильной конфигурации установленный жесткий диск задав параметры Type Cylinder Heds Sectors и...
77738. Интерфейс Serial ATA 278.5 KB
  Часто среди обоснований перехода на новый стандарт в статьях называют ограниченную скорость передачи параллельного интерфейса в 133 мбайт с но это ограничение конкретной его версии а не его вида вообще а у Seril T не намного и больше 150 Мбайт с. Основные причины ввода Seril T. Их решением стал новый последовательный интерфейс АТА Seril T1 пришедший на смену параллельному интерфейсу физических накопителей.
77739. Диски и контроллеры SAS 1.93 MB
  SS может использовать и большой набор разновидностей RID. Такие гиганты как dptec или LSI Logic в своих продуктах предлагают расширенный набор функций для расширения миграции создания гнёзд и других возможностей в том числе касающихся распределённых массивов RID по нескольким контроллерам и приводам. Но SS это больше нежели интерфейс следующего поколения для профессиональных жёстких дисков хотя он идеально подходит для построения простых и сложных RIDмассивов на базе одного или нескольких RIDконтроллеров. Вместе с мощными...