2608

Измерение ускорения свободного падения с помощью маятников

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: измерить ускорение свободного падения с помощью физического (оборотного) и математического маятников. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Все тела или совокупности тел, которые могут совершать периодические движения, или колебания, называются колебат...

Русский

2012-11-12

133 KB

121 чел.

Цель работы: измерить ускорение свободного падения с помощью физического (оборотного) и математического маятников.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Все тела или совокупности тел, которые могут совершать периодические движения, или колебания, называются колебательными системами. В природе, и особенно в технике, чрезвычайно большую роль играют тела и устройства, которые способны совершать колебания без воздействия внешних периодических сил. Такие колебания называют свободными колебаниями. Маятником является всякое тело, подвешенное так, что его центр тяжести находится ниже точки подвеса. Протяженные тела, различной формы и размеров, совершающие колебания около точки подвеса или опоры, называют физическими маятниками. При отклонении от положения равновесия сила тяжести и упругие силы определяют в каждый момент времени угловое ускорение маятника, т.е. определяют характер его движения (колебания). При этом уравнение колебаний имеет вид:

,

где - угол отклонения оси маятника от положения равновесия m – его масса, L0 – длина и I - момент инерции маятника относительно оси вращения 0, g – ускорении свободного падения.

Решение этого уравнения дает период свободных колебаний маятника

                            (2)

Из выражения (2) следует, что для нахождения ускорения свободного падения g с помощью физического маятника необходимо измерить период колебаний T, массу маятника m, расстояние L0 и момент инерции I. Период T и масса m измеряются с большой точностью; точность определения величин I и L0 обычно невелика.

Точное значение ускорения силы тяжести можно найти посредством оборотного маятника - разновидности физического маятника. Достоинство рассматриваемого метода - возможность исключить величины I и  L0 из расчетной формулы для g .

Оборотный маятник (рис. 1) состоит из стального стержня Е, на котором укреплены опорные призмы А и С. Период колебаний маятника можно менять перемещением грузов В и D.

Во всяком физическом и, следовательно, оборотном маятнике можно найти такие две точки, что при последовательном закреплении маятника в той или другой точке период колебаний маятника остается неизменным. При равенстве периодов колебаний оборотного маятника при закреплении его призмами А и С (рис.1)

                (3)

где I1 и  I2  - моменты инерции маятника относительно осей, проходящих через точки  A и С : a1  a2 - расстояния от  центра тяжести до соответствующих осей качания. На основании теоремы Штейнера:

I1=I0+ma12,   I2=I0+ma22,   (4)

где I0 - момент инерции маятника относительно оси, проходящей через его  центр тяжести и параллельной оси качания.

Подставив (4) в  (3)  и исключив I0 и m, получим формулу для ускорения силы тяжести

 

Величина L=a1+a2 равна расстоянию между призмами и называется приведенной длиной физического маятника. Таким образом, для определения ускорения силы тяжести с помощью оборотного маятника необходимо определить две величины; период колебаний  Т  и приведенную длину  L  физического маятника, измерить которую можно перераспределением масс маятника.

Математический маятник представляет собой грузик (шарик) малого размера, подвешенный на длинной тонкой нити. В данном случае можно пренебречь массой нити и деформацией грузика, т.е. можно считать, что масса маятника сосредоточена в грузике, а упругие силы сосредоточены в нити, которую в первом приближении считаем нерастяжимой.

Формула для периода колебаний математического маятника имеет вид:

,  (6)

где l – длина нити. Ускорение свободного падения в этом случае может быть определено с помощью измерения периода колебаний маятника и длины нити по следующей формуле:

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2 и включает в свой состав: основание 1, вертикальную стойку 2, математический и физический (оборотный) маятники, имеющие узлы подвеса на верхнем кронштейне 3, кронштейн 4 для установки фотодатчика, фотодатчик 5. Основание 1 снабжено тремя регулируемыми опорами б и зажимом 7 для фиксации вертикальной стойки 2. Вертикальная стойка 2 выполнена из металлической трубы, на которую нанесена миллиметровая шкала. Математический маятник имеет бифилярный подвес, выполненный из капроновой нити 8, на которой подвешен груз в виде металлического шарика 9, и устройство 10 для изменения длины подвеса маятника. Физический (оборотный) маятник имеет жесткий металлический стержень 11 с рисками через каждые 10 мм для отсчета длины, две призматические опоры 12, два груза 13 с возможностью перемещения и фиксации по всей длине стержня.
Узлы подвески математического и физического (оборотного) маятников расположены на диаметрально противоположных сторонах кронштейна 3 относительно вертикальной стойки 2. Кронштейн 4 имеет зажим для крепления на вертикальной стойке 2 и элементы фиксации фотодатчика.
Установка работает от блока электронного ФМ 1/1.



Порядок выполнения работы

Измерение ускорения свободного падения с помощью математического маятника

1) Произвести регулировку положения основания при помощи регулировочных опор, используя для визуального наблюдения в качестве отвеса математический маятник.

2) Снять физический (оборотный) маятник с верхнего кронштейна. Установить нижний кронштейн с фотодатчиком в крайнее нижнее положение шкалы так, чтобы плоскость кронштейна, окрашенная в синий цвет, совпала с одной из рисок шкалы.

3) Установить верхний кронштейн таким образом, чтобы шарик 9 математического маятника оказался в рабочей зоне фотодатчика. При помощи устройства 10 добиться такого положения шарика, при котором его центральная риска будет совпадать по высоте с риской на фотодатчике.

4) По шкале вертикальной стойки определить длину математического

маятника l1 .

5) Нажать кнопку “СЕТЬ” блока. При этом должно включиться табло индикации.

6) Отвести рукой шарик математического маятника на угол примерно 5 - б градусов и отпустить его.

7) Нажать кнопку “ПУСК” на блоке и убедиться, что он регистрирует число (левое табло) и время (правое табло) колебаний маятника. Нажать кнопку “СТОП” на блоке и убедиться, что отсчет времени и количества периодов колебаний прекращается в момент окончания очередного периода колебаний. Нажать кнопку “СБРОС” на блоке.

8) Привести математический маятник в колебательное движение, отклонив металлический шарик на угол примерно 5 — б градусов, после чего нажать кнопку “ПУСК” на блоке.

9) По показанию таймера определить значение времени 60 - 70 колебаний маятника, нажав кнопку “СТОП”. Определить среднее значение периода колебаний маятника по формуле:

где t1 - время колебаний, с;  n - число колебаний.

10) Передвинуть вверх кронштейн с фотодатчиком на 20 мм.
При помощи устройства 10 добиться такого положения шарика, при котором его центральная риска будет совпадать по высоте с риской на фотодатчике.

11) По шкале вертикальной стойки определить длину математического маятника l2 .

12) Повторить эксперимент (см. выше).

13) Определить Т2 по формуле:

14) Вычислить ускорение свободного падения по формуле:

.

15) Оценить погрешности косвенных измерений ускорение свободного падения по формуле:

.

Измерение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника

1) Укрепить призматическую опору 12 на расстоянии около 120 мм от конца стержня 11 физического (оборотного) маятника и два груза 13 в положениях, обозначенных на рисунке. По шкале, нанесенной на стержне, найти  расстояние между призмами  a1+a2.

2) Подвесить оборотный маятник на одной из призматических опор, например, А. Повернуть верхний кронштейн на 180 градусов так, чтобы стержень маятника находился в рабочей зоне фотодатчика.

3) Нажать кнопку СБРОСна блоке. Отклонив маятник на угол примерно 5 - б градусов, нажать кнопку “ПУСК” на блоке и без толчка отпустить маятник. По показанию таймера определить значение времени 20 - 30 колебаний маятника. Определить среднее значение периода колебаний маятника по формуле .

4) Для различных положений h  груза D на стержне оборотного маятника Е рассчитать периоды колебаний маятника Тi в соответствии с п. 3. При этом положение груза B остается постоянным.

5) Повернуть маятник и подвесить его на другой призматической опоре С.

6) Определить периоды колебаний оборотного маятника для различных положений груза  D на стержне Е в тех же пределах и с тем же числом измерений.

7) По данным таблицы построить на миллиметровой бумаге графики зависимостей периодов  T1, и T2 от положения груза D на стержне. Точка пересечения кривых определит местонахождение подвижного груза D , при котором значения периодов будут равны (Т12 =T).

8) Для этого положения груза  D  в соответствии найти период колебаний маятника относительно призм  A и С. Полученные данные занести в таблицу.

9)  Рассчитать ускорение свободного падения по формуле

 

10) Оценить погрешности косвенных измерений ускорения свободного падения по формуле:

.

11) Сравнить полученные результаты и погрешности их измерения для двух способов определения ускорения свободного падения.

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?


Рис. 1

(5)

(7)

ис.2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54735. Тригонометриялық функциялардың қасиеттері мен графиктері 556.5 KB
  Сабақтың типі: Бекіту жүйелеу сабағы.Сабақтың түрі: Дәстүрлі Сабақтың көрнекілігі: слайдттар плакаттар интерактивті тақта. Пәнаралық байланыс: физика гармониялық тербеліс Сабақтың барысы 1.
54736. Музыкальность стихов А. Блока 109 KB
  Цели: Показать своеобразие лирики Блока и особенности поэтики. Блока удивительно музыкальны. В стихах Блока есть таинственный смысл как в музыке. Чем достигается музыкальность Блоковской лирики Для Блока приемом музыкальной организации стиха является Ассонанс и много других литературных приёмов.
54737. Суд над Р.Раскольниковым по роману Ф.М.Достоевского «Преступление и наказание» 57 KB
  Достоевского Преступление и наказание Действующие лица деловой игры: Судья Присяжные 3 человека Родион Раскольников Следователь Порфирий Петрович Адвокат Прокурор Разумихин Соня Мармеладова Доктор Зосимов Хозяйка квартиры Раскольникова Ход урока. Спустя 5 месяцев после совершенного Раскольниковым преступления состоялся суд над главным героем. Сегодняшний урок будет проходить в форме деловой игры в форме суда над Раскольниковым. Заседание посвящено расследованию причин убийства Алены Ивановны и ее сестры Лизаветы господином Раскольниковым.
54738. Суд над Р.Раскольниковым по роману Ф.М.Достоевского «Преступление и наказание» 62 KB
  Действующие лица деловой игры: Судья Присяжные 3 человека Родион Раскольников Следователь Порфирий Петрович Адвокат Прокурор Разумихин Соня Мармеладова Доктор Зосимов Хозяйка квартиры Раскольникова Ход урока. Спустя 5 месяцев после совершенного Раскольниковым преступления состоялся суд над главным героем. Сегодняшний урок будет проходить в форме деловой игры – в форме суда над Раскольниковым. Заседание посвящено расследованию причин убийства Алены Ивановны и ее сестры Лизаветы господином Раскольниковым.
54739. Железы внутренней секреции 86.5 KB
  Образовательная цель: активизация учебного процесса в направлении повышения его эффективности придания уроку современных динамичных форм раскрыть основные свойства гормонов. Железы внутренней секреции. Я хочу послушать ваше мнение как вы прокомментируете увиденное Ученик: профессор Преображенский занимался проблемами омоложения и с этой целью желая приостановить старение организма пытался пересаживать половые железы. Но почему он пересадил гипофиз Учитель: вопрос очень хороший поскольку...
54740. Текстовый редактор “Word” 37.5 KB
  Цели урока: Образовательные обеспечить повторение понятия ТР форматирование редактирования правила набора текста работа с выделенным фрагментом текста; продолжить формировать навыки и умения работы в ТР; 3 восполнить следующие пробелы: правила набор текста работа с выделенным объектом. Этапы урока. Организация начала урока.
54741. Открытие явления электромагнитной индукции 36 KB
  Проблема: А может ли магнитное поле породить ток Осуществим ли лозунг который ставили перед собой ученые 19 века Слайд №2: Превратить магнетизм в электричество Выдвижение цели урока осуществляется совместно с учениками: Выяснить экспериментальным путем возможности или невозможности создания тока магнитным полем. ЭТАП 3 Анализ результатов: создание слайда №6 способы получения тока с помощью магнитного поля. Примерные рассуждения учащихся: слайд3 слайд4 слайд5 Гальванометр...
54742. Понятие средних издержек. Предельные издержки 33.75 KB
  Средние издержки – это валовые издержки (валовые издержки – это сумма постоянных и переменных издержек. Они представляют собой денежные расходы фирмы на производство продукции), приходящиеся на единицу продукции.
54743. Совокупный, средний, предельный доход предприятия 23.99 KB
  Доход – денежная оценка результатов деятельности фирмы (или отдельного физического лица) в форме денежной суммы, поступающей в ее непосредственное распоряжение, т.е. это выручка от реализованной продукции (услуги) в течение какого-либо периода