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

43 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

44334. Впровадження заходів щодо зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря 1.2 MB
  Забруднення атмосферного повітря є однією із самих серйозних екологічних проблем багатьох промислових міст. Вплив забруднення повітря на здоров'я людини виявляється через скорочення середньої тривалості життя, збільшення кількості передчасних смертей, ріст захворюваності і негативний вплив на розвиток дітей
44335. НАПРЯМИ ПОКРАЩЕННЯ ТОВАРНОЇ ПОЛІТИКИ ДП ВОЮТИЦЬКИЙ СПИРТОВИЙ ЗАВОД 570 KB
  На основі опрацювання даних про діяльність ДП Воютицький спиртовий завод проведений аналіз виробничогосподарської організаційної та фінансової характеристики ДП Воютицький спиртовий завод В роботі рекомендації щодо вдосконалення товарного асортименту розроблення торгової марки та обґрунтування стратегічного розвитку підприємства. Удосконалення управління маркетинговою діяльністю підприємства.В сучасних умовах жодне успішне підприємство не може існувати без раціонального проведення маркетингової товарної політики комплексу...
44336. Аналіз впливу діяльності мартенівського цеху ЗАТ “Донецьксталь - МЗ” на стан навколишнього природного середовища 1.44 MB
  Приналежність Донецького регіону до західної частини континентальної степової області робить його клімат помірковано континентальним. Зима в регіоні порівняно холодна і малосніжна, літо звичайне жарке і посушливе.
44337. Розробка технологічного процесу виготовлення літнього польового камуфльованого костюму в умовах ВП “Весна” УТОГ 2.02 MB
  Мода визначається соціальними й економічними умовами життя. Прагнення людини до нового і оригінального спонукає її купувати нові модні вироби, що помітно відрізняється від старих, тобто психологічні причини роблять періодичні зміни моди у формі одягу, тому що настає психологічне стомлення споживачів від одноманітності панівної моди і виникає бажання обновити устояні форми
44338. Исследование основного комплекса вопросов, касающихся теоретико-правового осмысления основных характеристик политического режима Российской Федерации 490 KB
  Под политическим режимом понимается совокупность элементов идеологического институционального и социологического порядка способствующих формированию политической власти данной страны на определенный период. Политический режим характеристика не только государства но и всей политической системы: отношения между людьми по поводу государственной власти и отношения людей с государственной властью образующие содержание политического режима разворачиваются именно в сфере политической системы....
44339. Проектирование участка по техническому обслуживанию и текущему ремонту газобаллонной топливной аппаратуры 562.5 KB
  У сжиженного газа низкая температура кипения он полностью превращается в газообразное состояние внутри цилиндра и не сжижает масло мало образуется нагара; И так как в газ не добавляют различные присадки он не загрязняет масло нагаром и осадками очень мало содержит серы в десять раз меньше чем в бензине и почти не разрушает металл выхлопными газами. Выхлопной газ почти не имеет запаха очень мало содержит вредного газа СО в 20 раз меньше чем в бензине не дымит и мало загрязняет атмосферу. В газовом...
44340. Анализ ассортимента и оценка потребительских свойств бытовых стиральных машин 1.89 MB
  Целью данной дипломной работы является анализ ассортимента и оценка потребительских свойств бытовых стиральных машин, реализуемых в розничном торговом предприятии, и формулировка рекомендаций потенциальным покупателям по выбору бытовых стиральных машин, и по формированию ассортимента бытовых стиральных машин розничному торговому предприятию для увеличения его чистой прибыли
44341. Изучение особенностей формирования и описания личных фондов 197 KB
  Описание же и все другие виды информации о составе и содержании документальных материалов могут опираться лишь на столь же качественную экспертизу фондирование и систематизацию документов фонда. Государственное краевое учреждение Государственный архив Пермского края является крупнейшим хранилищем документов Пермского края в котором наряду с архивными фондами учреждений организаций и предприятий хранится большое количество фондов личного происхождения. Это фонды и коллекции документов деятелей науки здравоохранения образования...
44342. Монтаж противопожарных систем «Гранит-4» 908 KB
  Познание прибора. Устройство и работа прибора. Перезапуск прибора можно осуществить либо сняв все питание либо трехкратным нажатием кнопки Управление в режиме снятия с охраны.к это может привести к выходу прибора из строя.