2607

Изучение движения маятника максвелла

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: ознакомление со сложным движением твердого тела на примере маятника Максвелла: экспериментальное определение момента инерции тел вращения. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Маятник Максвелла представляет собой однородный металлический диск, в серед...

Русский

2012-11-12

119.5 KB

42 чел.

Цель работы: ознакомление со сложным движением твердого тела на примере маятника Максвелла: экспериментальное определение момента инерции тел вращения.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Маятник Максвелла представляет собой однородный металлический диск, в середине которого укреплен металлический стержень. К концам этого стержня прикреплены две крепкие нити. Они тщательно, виток к витку наматываются на стержень (от концов его к диску). При освобождении маятника он начинает движение: поступательное вниз и вращательное вокруг своей оси симметрии.

Вращение, продолжаясь по инерции в низшей точке движения  (когда нити уже размотаны), приводит вновь к наматыванию нити на стержень, и, следовательно, к подъему маятника. Движение маятника после этого замедляется, маятник останавливается и снова начинает свое движение вниз и т.д. Расстояние, проходимое маятником, измеряется по вертикальной шкале.  

Уравнения движения маятника без учета сил трения имеют вид:

                                         

Где m – масса маятника, I – момент инерции маятника, g – ускорение свободного падения, r – радиус стержня, T – натяжение нити (одной), a – ускорение поступательного движения центра масс, - угловое ускорение маятника.

Ускорение а может быть получено по измеренному времени движения t и проходимому расстоянию s из уравнения

,

которое является следствием уравнений (1) – (3) .

Уравнения (1) – (3) дают

,

.

Пользуясь этими уравнениями, определяют момент инерции маятника Максвелла. Натяжение нитей при движении маятника можно вычислить из уравнения (1), зная а, а также измерить непосредственно.

Т.к. момент инерции, ускорение и сила натяжения нитей являются косвенно измеряемыми величинами, то погрешности в этом случае будут рассчитываться по следующим формулам

,    (7)

,     (8)

.     (9)

Используемая в настоящей работе установка

представлена на рисунке и включает в свой состав: основание 1, вертикальную стойку 2, верхний кронштейн 3, кронштейн 4 для установки фотодатчика, фотодатчик 5, диск 6 с осью, подвешенной на двух нитях 7, комплект из трех сменных колец с различными моментами инерции.
Основание 1 снабжено тремя регулируемыми опорами 8 и зажимом 9 для фиксации вертикальной стойки 2. Вертикальная стойка 2 выполнена из металлической трубы, на которую нанесена миллиметровая шкала, и имеет визир 12. На верхнем кронштейне З размещаются электромагниты 10 и узел 11 регулировки исходного положения маятника. Кронштейн 4 имеет зажим для крепления на вертикальной стойке 2 и элементы фиксации фотодатчика.

Определение значения момента инерции кольца маятника с помощью инструментальных измерений.

Расчет момента инерции однородного кольца производим в соответствии с формулой:

,     (10)

где R  и r – внешний и внутренний радиусы кольца, mк - масса кольца, кг. (Массы сменных колец - mк1, mк2, mк3 указаны непосредственно на кольцах или определяются взвешиванием).

Итак, зная массу кольца, а также его внутренний и внешний диаметр, можно определить его момент инерции относительно оси симметрии.

Формула для расчета погрешности измерения методом, использующим формулу (10) имеет вид

.   (11)

Определение экспериментального значения ускорения движения центра тяжести и момента инерции маятника.

1) Установить нижний кронштейн с фотодатчиком в крайнее нижнее положение шкалы так, чтобы плоскость кронштейна, окрашенная в синий цвет, совпала с одной из рисок шкалы.

2) Произвести регулировку положения основания при помощи  регулировочных опор так, чтобы диск на бифилярном подвесе находился в центре окна фотодатчика.

3) Установить с помощью узла регулировки 11 необходимую длину бифилярного подвеса таким образом, чтобы нижний край среза сменного кольца маятника находился на 4 - 5 мм ниже оптической оси фото- датчика; при этом ось маятника должна занимать горизонтальное положение.

4) Нажать кнопку “СЕТЬ”. При этом должно включиться табло индикации и должны включиться электромагниты.

5) Вращая маятник по часовой стрелке (см. рис.), зафиксировать его в верхнем положении при помощи левого (ближнего к стойке) Электромагнита, при этом необходимо следить за тем, чтобы нить наматывалась на ось виток к витку. При вращении маятника против часовой стрелки фиксировать маятник необходимо при помощи правого (дальнего от стойки) электромагнита.

6) Нажать кнопку “СБРОС” для того, чтобы убедиться, что на табло
устанавливаются нули.

7) При нажатии кнопки “ПУСК” на блоке электромагниты должны обесточиться, маятник должен начать раскручиваться, таймер должен произвести отсчет времени, а в момент пересечения маятником оптической оси фотодатчика отсчет времени должен прекратиться.

8) При помощи визира по шкале вертикальной стойки определить ход
маятника
h.

9) Нажать кнопку “СБРОС”. Привести маятник в исходное положение
(зафиксировать в верхнем положении при помощи электромагнита).

10) Нажать кнопку “ПУСК” па блоке.

11) Записать показание таймера, т.е. время хода маятника.

12) Определить экспериментальное значение ускорения по формуле:

13) С помощью формул (5) и (6) определить экспериментальное значение момента инерции маятника.

14) Оценить погрешности измерений.

Поскольку момент инерции маятника складывается из моментов инерции кольца и платформы, для определения момента инерции кольца следует из момента инерции маятника вычесть момент инерции платформы. Для определения момента инерции платформы необходимо снять кольцо с платформы и для пустой платформы провести измерения, аналогичные приведенным выше. Поскольку платформа не является магнитной, то при измерениях используется ее ручная фиксация. После определения момента инерции кольца и погрешностей измерения необходимо провести сравнения с моментом инерции кольца, полученным с помощью инструментальных измерений.

 ( Rо = 0,004 м - радиус оси; mо = 0,019 кг - масса оси; Rд = 0,021 м - средний радиус диска; mд = 0,1 кг - масса диска)

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется ускорением силы тяжести? Как оно направлено?

2. От чего зависит ускорение силы тяжести?

3. Что такое свободное падение тел?

4. Дайте определение физического маятника.

5. Выведите формулу для периода колебаний физического маятника.

6. Что такое приведенная длина физического маятника?

7. Дайте определение момента.инерции тела.

8. Чему равен момент инерции обруча, диска, шара и стержня . относительно центра масс?

9. Сформулируйте теорему Штейнера.

10. Выведите и сформулируйте основное уравнение динамики вращательного движения.

11. Выведите математическое выражение закона сохранения момента импульса.

12. Как определить направление момента силы и момента импульса?

PAGE  4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37758. Програмування в Java 172 KB
  Поздоровляю вас зі вступом в ряди програмістів на Java — розроблювачів технології початку XXI століття. Всі уроки ви повинні прочитувати вдома, а на лекції і лабораторних роботах ви повинні звітуватися за виконані завдання. Перше серйозне завдання ви знайдете в кінці Уроку 2. Всі завдання індивідуальні, щоб одержати залік в кінці семестру їх треба обовязково виконати
37759. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ДЛИНЫ ПАКЕТА СЕТИ ЭВМ 2.41 MB
  2 Теоретическая часть Для сообщений передаваемых в сети ЭВМ длина пакета выбирается постоянной. Длина пакета не может быть слишком малой поскольку при фиксированной длине служебной части заголовка пакета снижается доля информации сообщения передаваемая в одном пакете. При большой длине пакета и заданной достоверности передачи данных в канале связи повышается вероятность передачи пакета с ошибкой и следовательно частота повторной передачи пакета что снижает эффективность сети ЭВМ а также возрастает доля потерь памяти изза...
37760. ОТРАВЛЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА РАЗДРАЖАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ. КЛИННИКА, ДИАГНОСТИКА, ЛЕЧЕНИЕ 70.5 KB
  Уже в первой мировой войне почти все воюющие страны применяет различные ОВ, избирательно действующие на окончания чувствительных нервов в верхних дыхательных путях с последующей реакцией организма в виде слезотечения, кашля, рвоты, затрудненного, дыхания и т.д
37761. Исследование разветвленной линейной электрической цепи постоянного тока 109.5 KB
  Цель работы Экспериментальная проверка законов Кирхгофа и основных свойств линейных цепей постоянного тока. Экспериментальная часть Схема установки R1 = 100 Ом R2 = 50 Ом R3 = 25 Ом Е1 = 75 В E2 = 10 В Проверка законов Кирхгофа Измерено Вычислено I1 I2 I3 Ik 009 016 0065 0005 I1 I2 I3 = 0.065 А Вывод: Экспериментально были проверены законы Кирхгофа. Выставив необходимые значения сопротивлений и проведя необходимые измерения и...
37762. Измерение вязкости жидкости по методу падающего шарика 45.5 KB
  Измерение температуры жидкости t= 0C Расчет искомой величины. Расчет плотности материала шариков 2. Расчет вязкости жидкости Расчет границы погрешностей. Расчет границы абсолютной погрешности результата измерения плотности материала шариков Расчет границы относительной погрешности результата измерения вязкости жидкости Расчет границы абсолютной погрешности результата измерений плотности Окончательный результат: вязкость жидкости при температуре t= 0C.
37763. Методы противодействия радиоэлектронным закладным устройствам, предназначенным для снятия конфиденциальной информации 48.88 KB
  Цели и учебные вопросы Цели лабораторной работы: ознакомление с возможностями комплекса Крона НМ и программного обеспечения Филин Ультра; получение практических навыков: по проведению радиомониторинга в контролируемой зоне по обнаружению поиску и блокированию радиозакладных устройств Учебные вопросы: классификация поисковых устройств для проведения радиомониторинга см. Место: лаборатория Технические средства обеспечения безопасности Используемые технические средства: автоматизированный комплекс обнаружения электронных...
37764. Безпека SMTP і спам 760.04 KB
  У результаті цього спам став практично нерозв'язною проблемою так як було неможливо визначити хто насправді є відправником повідомлення фактично можна відправити лист від імені будьякої людини. DT CRLF Вказує на початок повідомлення. Для завершення повідомлення вказується CRLF . Повідомлення доставляються клієнтові за протоколом POP а надсилаються як і раніше за допомогою SMTP.