2733

Определение скорости полета тела с помощью баллистического крутильного маятника

Лабораторная работа

Физика

Определение скорости полета тела с помощью баллистического крутильного маятника Цель работы: Научиться экспериментально определять скорости движения тел. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В основе экспериментального определения скорости полета тела с помощ...

Русский

2012-10-18

261.5 KB

52 чел.

Определение скорости полета тела с помощью баллистического крутильного маятника

Цель работы: Научиться экспериментально определять скорости движения тел.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В основе экспериментального определения скорости полета тела с помощью баллистического маятника лежит закон сохранения момента импульса.

Если тело массой m движется со скоростью v в плоскости колебаний маятника (рис. 1), то момент импульса тела относительно оси маятника

L0=mvr, (1)

где r - кратчайшее расстояние от оси маятника до траектории движения тела. Во время выстрела маятник покоится, т.е. момент импульса его равен нулю. После прилипания тела к мисочке маятника, он вместе с телом приобретает начальную угловую скорость вращения 0.

Из закона сохранения момента импульса для системы тело - маятник следует, что

mv2=I10,    (2)

где I1 - суммарный момент инерции маятника и тела относительно оси вращения. Маятник с угловой скоростью 0 и соответственно кинетической энергией  начинает поворачиваться. При этом происходит закручивание подвеса (упругой нити) и возникает тормозящий момент. Поворот маятника прекращается, когда его кинетическая энергия вращения полностью перейдет в потенциальную энергию закрученной нити:

где k коэффициент упругости нити; α0 максимальный угол закручивания маятника.

Решая совместно уравнения (2) и (3), находим

Для определения скорости v из (4) необходимо знать величины k и I1. Для этого следует выполнить два дополнительных измерения, основанных на законах крутильных колебаний маятника.

Из второго закона динамики для вращательного движения следует

I=M= - ,    (5)

где - угловое ускорение маятника; ;   - угловая скорость маятника); М - тормозящий момент;  - угол поворота маятника.

Таким образом, уравнение крутильных колебаний маятника (5) преобразуется к виду;

где - циклическая частота колебаний маятника. Решением уравнения (6) являются гармонические колебания с периодом

Период колебания маятника можно найти экспериментально, причем период будет зависеть от момента инерции маятника и коэффициента упругости подвеса k.

Изменяя момент инерции маятника перемещением грузов массой М из положения R1, для которого момент инерции I1, в положение R2, для которого момент инерции I2, и определяя для этих моментов периоды T1 и T2, составляем систему уравнений (рис. 1):

где I0 – момент инерции системы без подвижных грузов;

I1= I0+2MR12; I2= I0+2MR22.

Решая систему уравнений, находим коэффициент упругости нити

и момент инерции

I1= I0+2MR1;

Подставляя значения k и I1 в выражение (4), определяем скорость полета тела

Используемая в работе  установка, представлена на рисунках 1, 2, 3 и включает в свой состав: основание 1, вертикальную стойку 2, верхний З и нижний 4 кронштейны, средний кронштейн 5, набор “снарядов” различной массы, набор пружин спускового устройства, набор исследуемых образцов. Основание 1 снабжено тремя регулируемыми опорами б и зажимом 7 для фиксации стойки. Вертикальная стойка 2 выполнена из металлической трубы.
Верхний З и нижний 4 кронштейны предназначены для крепления узлов подвески и натяжения торсиона 8 (стальной проволоки), с которым связана металлическая рамка 9 с грузами 10 (см. рис. 2), предназначенная для установки съемной мишени 11 с противовесом 12 (см. рис. 2) и исследуемых образцов 13 (см. рис. 3). На среднем кронштейне 5, на котором нанесена шкала отсчета угла закручивания торсиона, расположены: спусковое устройство 14, предназначенное для производства “выстрела”, электромагнит 15, предназначенный для удерживания рамки в исходном положении и ее освобождения (при этом возникают крутильные колебания рамки вокруг вер- тикальной оси), фотодатчик 16, предназначенный для определения периода колебаний металлической рамки с исследуемыми образцами и без них.
Съемная мишень 11 предназначена для попадания “снарядов” после
выстрела.




Определение скорости полета «снаряда» методом крутильного баллистического маятника.

1) Произвести регулировку положения основания установки при помощи регулировочных опор. Установить мишень в рамку 9. Убедиться, что мишень находится на линии “выстрела”, а флажок рамки пересекает оптическую ось фотодатчика (рамка находится в исходном положении).
Подключить фотодатчик и электромагнит среднего кронштейна установки к блоку электронному при помощи кабеля. Вилку с маркировкой “Ф” вставить в розетку фотодатчика, а вилку с маркировкой “Э” в розетку электромагнита.
Установить “снаряд” на направляющий стержень спускового устройства 14, взвести пружину. Произвести “выстрел”. Визуально определить максимальный угол отклонения рамки по шкале угловых перемещений с помощью флажка, закрепленного на рамке.

2) Отклонить рамку на угол 30 градусов и зафиксировать с помощью
электромагнита 15, нажав кнопку СЕТЬ” блока. Нажать кнопку “ПУСК” блока.
По показаниям таймера блока определить значение времени десяти
 колебаний рамки, нажав кнопку “СТОП”. Определить среднее значение периода колебаний рамки по формуле:

,

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

3) Нажать кнопку “СБРОС” блока. Снять грузы с рамки, повторить вышеперечисленные операции и вычислить период Т десяти колебаний рамки без грузов по формуле п. 2. Вычислить скорость полета “снаряда” по формуле:

где (0 - максимальный угол отклонения рамки, рад.
R1 = 0,0525 м - расстояние от оси вращения рамки до центров
масс грузов, м;
М - масса груза, кг (взвесить на весах);
m - масса “снаряда”, кг (взвесить на весах);
Т
2 и Т1 - периоды колебаний рамки с грузами и без них, с;
R2 - расстояние от оси вращения рамки до центра отпечатка “снаряда”,
залипшего в мишени (измерить при помощи линейки).
Произвести не менее трех “выстрелов” и вычислить среднюю скорость «снаряда».

4) Оценить погрешности косвенных измерений скорости «снаряда» по формуле:

Контрольные вопросы и задания

1. Сформулируйте закон сохранения импульса.

2. Что такое момент силы?

3. Дайте определение момента инерции тела относительно неподвижной оси вращения.

4. Дайте определение момента импульса тела и сформулируйте закон сохранения момента импульса для замкнутой системы.

5. Запишите основное уравнение динамики вращательного движения.

6. Запишите формулу кинетической энергии тела, вращающегося вокруг неподвижной оси.

7. Запишите формулу работы при вращательном движении тела.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27304. Организация туристских автобусных путешествий на внутренних и международных маршрутах 24 KB
  4 вида автобусного туризма: Поездка на рейсовых автобусах Поездка на челночных автобусах Специальные рейсы Внутренний туризм и поездки в течение дня с различными целями Международная перевозкаэто перевозка транспортным средством пассажиров за пределы территории РФ а так же перевозки транзитом Виды международных автобусных перевозок: На регулярных маршрутах Перевозки на сезонных маршрутах Разовые маршруты Обслуживание туристов Требования к водителю: Наличие спец лицензий знание ин языка 2 водителя на маршруте знание маршрута...
27305. Паспортно-визовый контроль 29.5 KB
  Тур формальности – это проверка соблюдения туристами и субъектами тур деят порядка и правил устан гос органами при въезде в страну и выезде из страны Паспортновизовые формальности – это формальности связ с соблюд правил пересеч границ гос и пребыв на их терр. Правила въезда и выезда зависят от соглашений между госми и постоянно измен. Наиболее полную и достоверную инф можно получить в консульских учрежд МИД РФ посольствах госв. Контроль наличия виз или иных разреш на въезд лиц в ин госво явл обяз транспортной компании.
27306. Паспортные и визовые формальности 28 KB
  В 17 веке паспорт выполнял 2 основные функции: Полицейская Фискальная Виды паспортов: Паспорт почетного консула Белисский паспорт Паспорт ватикана Паспорт римского католического ордена рыцарей мальты Камуфляжный паспорт Шенгенское соглашение Это соглашение об отмене паспортного таможенного контроля в ряд государств Европейского союза изначально было подписано 14 июня 1985 года. Визовые формальности Виза специальная разрешительная подпись печать или вклейка которая делается в загран паспорте представителями властей...
27308. Правила предоставл гост услуг 28.5 KB
  Осн понятия: гостиница имущ комплекс для предоставл гост услуг потреб гражд имеющ намерения заказ исп услугу исполн оказ услуги потреб по договору. Исполн обязан довести до сведения фирм наим адрес и режим работы своевр предоставл инф об услугах порядке прожив правил пож безоп и польз быт приборами предоставл льгот категориям граждан заключить с потреб договор не вправе оказ доп услуги без согласия потреб цена номера и форма оплаты также устан исполн плата за прожив в гост устан в соотв с единым расч часом 12 ч при размещ до...
27309. Правовые аспекты взаимод клиента и турпредпр 28 KB
  10 ФЗ №132 реализация тур продукта осущ на основе договора между турфирмой и туристом. Конкретный заказ имеет форму предварит договора заключ такого договора регул ст. Предварит договор должен содержать условия позвол устан предмет а также др существ условия основного договора. условия договора определены заранее одной из сторон а др сторона либо полностью принимает эти условия либо отвергает их.
27310. Предприятия туроператоры и турагенты 27.5 KB
  По виду деятельности аМассового рынка продажа в места массового туризма бСпециализированные специализируются на определенном турпродукте или сегменте рынка: ТО специального интереса ТО специального места назначения ТО определенной клиентуры ТО специального места размещения ТО определенного вида транспорта 2.Подготовка подбор и назначение на маршруты специального персонала 7.
27311. Процесс принятия управленческого решения 24 KB
  Этап реализации и оценки Уяснение проблемы сбор инф анализ инф выяснение актуальности инф опред усл при которых проблема решаема Составление плана решения разработка альтер решений сопоставление с ресурсом оценка альтер вариантов разработка детального плана решения Выполнение решения доведение решения до конкретного исполразработка мер поощрений и наказаний контроль за выполнением решения.