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

30847. Нейросекреция 44.5 KB
  У каждого медиатора существует целая система синтеза в нейроне. Второй путь накопления медиатора в синапсе аптейк обратный захват медиатора областью пресинаптической мембраны это высокоэнергетический процесс. б она электроневозбудима в она имеет большое число однотипных хеморецепторов которые воспринимают действие медиатора и высокую концетрацию соответствующих ионных каналов хемочувствительныерецепторуправляемые каналы 3. Размер 200500 ангстрем 2050 мкм микрон заполнена межклеточной жидкостью существует...
30848. Физиологические свойства и функции поперечно-полосатых (скелетных) мышц 31.5 KB
  Процесс сокращения может выражаться в изменении длины укорочение мышцы изменении напряжения мышцы в изменении того и другого показателя. Все мышечные сокращения могут быть: 1. изотонические сокращения это такие сокращения когда напряжение тонус мышц не изменяется изо равные а меняется только длина сокращения мышечное волокно укорачивается. ауксотонические смешанные сокращения это сокращения в которых присутствует и один и другой компонент.
30849. Сила мышц 26.5 KB
  Сила мышц Сила мышцы определяется по максимальному грузу который мышца способна переместить или удержать. Абсолютная сила мышцы это максимальное напряжение мышечных волокон на единицу поперечного сечения в один квадратный сантиметр. Сила сокращения мышц зависит от 1.Количества ДЕ участвующих в сокращении чем больше ДЕ тем больше сила и наоборот 2.
30850. Функциональная характеристика неисчерченных (гладких) мышц 21.5 KB
  Это позволяет быстро охватить возбуждением все миоциты данной гладкой мышцы. Гладкие мышцы сокращаются медленно так как расщепление АТФ в них идет в 1001000 раз меньше чем в скелетных мышцах по этому гладкие мышцы приспособлены к длительному тоническому сокращению без развития утомления при этом их энергозатраты крайне невелики. Гладкие мышцы подразделяются: 1 Мышцы обладающие спонтанной активностью автоматией 2 Мышцы не обладающие спонтанной активностью Спонтанная активность зависит от интенсивности обмена веществ в миоцитах от...
30851. Современная теория мышечного сокращения 26.5 KB
  Между двумя нитями актина лежит одна толстая нить миозина между двумя Zмембранами и она взаимодействует с двумя нитями актина. На нитях миозина есть выросты ножки на концах выростов имеются головки миозина 150 молекул миозина. Головки ножек миозина обладают АТФазной активностью. Так как именно головки миозина именно эта АТФаза катализирует АТФ и высвобождающаяся при этом энергия обеспечивает мышечные сокращения при взаимодействии актина и миозина.
30852. Физиологическая регуляция функций 44 KB
  Каждая из этих регуляторных систем действует на своём уровне регуляции. Кроме того системы регуляции взаимно подчинены друг другу т. Итак существует взаимосвязь между нервной регуляцией и гуморальной и поэтому когда говорят о регуляции органа то говорят о нейрогуморальной регуляции единой. Уровни нейрогуморальной регуляции I уровень: местная и локальная регуляция происходит на минимальном пространстве касается ограниченного числа клеток единицы десятки.
30853. Системные регуляторные реакции и процессы 24.5 KB
  Адаптация приспособление механизмы которые обеспечивают приспособление организма к действию раздражителей. Адаптация бывает двух видов: а срочная адаптация б долговременная адаптация Срочная адаптация очень энергозатратна. При умеренных раздражителях тоже возникает срочная адаптация но явных признаков стресса нет. Но если раздражитель действует повторно многократно то возникает долговременная адаптация.
30854. Функциональные системы 23 KB
  Функциональные системы Функциональная система это временная динамическая саморегулирующаяся организация все составные компоненты которой взаимодействуя обеспечивают достижение полезных приспособительных результатов. В функциональной системе есть периферические и центральные составляющие: Периферические составляющие: А Исполнительные соматические вегетативные и эндокринные компоненты в том числе и поведенческие включающие механизмы формирование результата. Б Полезный приспособительный результат. В Рецепторы...
30855. Рефлекторная регуляция 34.5 KB
  Передача возбуждения в синапсе . иррадиация возникшего возбужденияраспространение возбуждения на рядом лежащие нейроны. концентрация возбуждениястягивание возбуждения на один или несколько нейронов. Индукция бывает: положительная когда наводится процесс возбуждения отрицательная когда наводится процесс торможения.