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

40937. Технология и безопасность взрывных работ 2.83 MB
  Рассмотрены основные теоретические и практические вопросы по курсу «Технология и безопасность взрывных работ». Учебное пособие предназначено для студентов четвертого курса заочной формы обучения специальностей направления «Горное дело»
40938. Когнітивний інструментарій комп’ютерної лінгвістики 133 KB
  Компютерна лінгвістика. Когнітивний інструментарій компютерної лінгвістики. Напрямки компютерної лінгвістики. Компютерна лінгвістика computtionl linguistics є маргінальною галуззю мовознавства спрямованою на розробку автоматизованих методів зберігання обробки переробки й використання лінгвістичних знань й інформації репрезентованої знаками природної мови.
40939. Оптимізація когнітивної функції мови 72 KB
  Квантитативна лінгвістика міждисциплінарний напрямок у прикладних дослідженнях в якому як основний інструмент вивчення мови та мовлення використовуються кількісні або статистичні методи аналізу. Компютерне моделювання мови та мовлення використання знання про частоту у компютерній лінгвістиці. Ідентифікація людини за усним мовленням потребує залучення відповідних технічних засобів що відображають певні фонетичні ознаки та здійснюється на підставі характеристик голосу: гучності тривалості висоти тону висотного діапазону висотного...
40940. Типи словників. Структура словників 100 KB
  За кількістю представлених мов словники поділяються на одномовні двомовні й багатомовні перші представляють лексикон однієї мови інші є перекладними й подають еквіваленти мовних одиниць. За функцією словники поділяються на дескриптивні й нормативні: перші спрямовані на повний опис проблемної галузі в розмаїтті всіх випадків слововживань наприклад діалектні словники словники жаргонів сленгу; другі орієнтовані на норму мови з них вилучено все що не відповідає літературній нормі. Одномовні словники за типом характеристики слова...
40941. Оптимізація функціонування мови як засобу передачі інформації 109.5 KB
  Перекладознавство є філологічною галуззю яка вивчає закономірності процесу перекладу з однієї мови на іншу в його різноманітних виявах а також досліджує міжмовні відповідники різних рівнів і механізми та способи досягнення різних типів еквівалентності текстів оригіналу й перекладу. Об'єктом перекладознавства можна вважати первинний оригінальний текст і вторинний текст як результат перекладу. Предметом перекладознавства є процес перекладу як подвійний інтерпретаційнопороджувальний дискурс головним суб'єктом якого є особистість перекладача....
40942. Розвиток буржуазної держави та права у Великобританії 38 KB
  Розвиток буржуазної держави та права у Великобританії Буржуазна революція в Англії. Розвиток буржуазного права. вже новий король Вільгельм підписав Біль про права яким затверджувалось верховенство парламенту в законотворчості. визначався неписаними правилами колегіальна відповідальність кабінету міністрів формування уряду з партії що перемогла на виборах відмова короля від права вето та ін.
40943. Розвиток буржуазної держави та права у Франції 53.5 KB
  Розвиток буржуазної держави та права у Франції Буржуазна революція у Франції. Розвиток державності Франції у XIX ст. Буржуазна революція у Франції.
40944. Розвиток буржуазної держави та права в Німеччині 42 KB
  Створення імперії організація державної влади та управління. Створення імперії організація державної влади та управління. набула чинності Конституція німецької імперії що діяла аж до 1919 р. Реальна влада в імперії аж до 1890 р.
40945. Розвиток буржуазної держави та права в США 43.5 KB
  Розвиток буржуазної держави та права в США Формування буржуазної держави США. Конституція США 1787. Державний устрій і політична система США в XIX ст. Формування буржуазної держави США.