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

55 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

29622. Способы выравнивания групп в социологическом исследовании 33.5 KB
  Мужчина 40 лет 10 классов образования; Женат; Слесарь 3го разряда.А; Женщина; 8 классов образования; 32 года; замужем; контролёр 2го разряда.П; Мужчина; 10 классов образования; 40 лет; Женат; Слесарь 3го разряда.А; Женщина; 8 классов образования; 32 года; замужем; контролёр 2го разряда.
29623. Социометрический опрос в социологическом исследовании. Назначение, опыт использования 23 KB
  Производственные критерии это критерии позволяющие выяснить межличностные взаимоотношения на уровне структуры производственной учебной деятельности Например: Кого бы Вы выбрали напарником Непроизводственные критерии это критерии являющиеся показателями межличностных отношений в коллективе С кем Вы хотели бы пойти в поход. Прогностические критерии это критерии позволяющие выяснить структуру ожидания отношений членов коллектива согласно представлениям респондентов. Респонденту предлагается ответить на вопрос кто из членов...
29624. Процедура проведения социометрического опроса 27 KB
  Теперь исходя из практики исследований оптимальным принято считать численный состав малой группы в 1020 человек. При социометрическом опросе каждому опрашиваемому вручается социометрическая анкета социометрическая карточка и список членов социометрируемой группы. Для удобства работы и простоты последующей обработки фамилии членов группы шифруются или кодируются номером в списке группы. Проранжируйте пожалуйста членов Вашей группы по степени симпатии к ним сначала назовите самого близкого для Вас товарища потом менее близкого и т.
29625. Обработка данных социометрического опроса: социометрическая матрица 31.5 KB
  Персональные социометрические индексы это отражение индивидуальных социальнопсихологических свойств личности проявляющихся в отношении к членам группы. Социометрический статус персональный социометрический индекс отражающий отношение членов группы к каждому её представителю выбор отвержение опускание. Персональный социометрический статус вычисляется по формуле: Ci = где Ci социометрический статус R и R положительные и отрицательные выборы полученные i членом группы. N число членов группы Индекс эмоциональной...
29626. Обработка данных социометрического опроса: социограммы 26.5 KB
  Графическое изображение связей внутри коллектива устанавливаемых на основании выбора называется социограммой. Его выделение важно при изучении функциональных связей рабочего коллектива или эмоциональнопсихологических связей симпатий внутри коллектива. Связь между двумя элементами Диада структура очень часто наблюдаемая в небольших коллективах например в форме совместной деятельности а также как дружеские и доверительные связи между двумя людьми. В круговых социограммах все члены коллектива располагаются по окружности внутри...
29627. Метод тестов в социологическом исследовании. Назначение, опыт использования 23.5 KB
  Родоночальник Кендал Тесты :1 гомогенные отдельные св ва личности система заданий в которых чел должен выбрать конкретный вариант поведения 2 гетерогенные оценивают совокупность личностных свв в соответствии с теорией. Изменения в тесты не рекомендуется делать. Проективная методика и тесты это совть методик основ. На результатов интерпретации Могут делиться на ряд групп: А Ассоциативные тесты анализ ситуации Методика незаконченных предложений Методика симантический дифференциал Б интерпретационные тесты тест ТАД истолкование...
29628. Обработка данных социологического исследования: метод группировки 24.5 KB
  Простая группировка это классификация или упорядочение данных по одному признаку. Перекрестная группировка это связывание данных предвари тельно упорядоченных по двум признакам свойствам показате лям с целью: а обнаружить какието взаимозависимости; б осуществить взаимоконтроль показателей сформировать новый составной показатель определить направление связей влияния одного явления на другое. Анализ эмпирических данных согласно теоретической типологии предпо лагает вопервых определение частот распределения по каждому типу;...
29629. Подготовка отчета по результатам исследования. Требования к отчету 33.5 KB
  Административнофинансовое: по отчету определяются объем сроки содержание уровень качество выполненных работ затраты эффективность используемых средств Типы отчетов: По типу исследования По отношению к объему выполненных работ По автору По функциональному назначению Отчет о результатах фундаментального исследования Отчет о результатах прикладного исследования Итоговый Этапный промежуточный Отчет по направлению разделу Отчет по выполненному виду работ Монографический коллективный Итоговый полный Краткий резюме По целевому...
29630. Выборочный метод в социологическом исследовании. Основные понятия выборочного метода 27 KB
  Одной из задач которые стоят перед социологом при проведении исследования является сбор необходимых эмпирических данных об объекте исследования. Множество элементов составляющих объект исследования называют генеральной совокупностью ГС. Основная идея выборочного метода заключается в том чтобы закономерности полученные при изучении относительно небольшой группы людей ВС распространить на весь объект исследования ГС. Выборочный метод позволяет не только сократить временные и материальные затраты на...