37963

Определение моментов инерции тел произвольной формы

Лабораторная работа

Физика

Определение моментов инерции математического и физического маятников8 3. Определение момента инерции физического маятника в зависимости от распределения массы10 4.11 Лабораторная работа № 5 Определение моментов инерции тел произвольной формы 1. Цель работы Определение момента инерции математического и физического маятника а также изучение зависимости момента инерции физического маятника от распределения массы.

Русский

2013-09-25

180 KB

23 чел.

Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………4

2. Теоретическая часть………………………………………………..….4

3. Экспериментальная часть……………………………………………..7

3.1. Описание установки…………………………………………………7

3.2. Порядок выполнения работы……………………………………….8

3.2.1. Определение моментов инерции математического и

физического маятников……………………………………………8

3.2.2. Определение момента инерции физического маятника

в зависимости от распределения массы…………………………10

4. Контрольные вопросы……………………………………………….11

Список литературы………………………………………………….11


Лабораторная работа № 5

Определение моментов инерции тел произвольной формы

1. Цель работы

Определение момента инерции математического и физического маятника, а также изучение зависимости момента инерции физического маятника от распределения массы.

2. Теоретическая часть

Основное уравнение динамики вращательного движения тела вокруг неподвижной оси имеет вид:

,                                                   (1)

где  – векторная сумма моментов всех сил относительно оси вращения,  – угловое ускорение тела, т.е. вторая производная по времени от угла поворота φ тела. Соотношение (1) аналогично       2 – му закону Ньютона в динамике поступательного движения и в таком виде записывается в тех случаях, когда момент инерции тела при вращении не изменяется.

Моментом инерции материальной точки относительно некоторой оси называется величина, равная произведению массы точки на квадрат ее расстояния от оси вращения

.                                                        (2)

Для протяженных тел момент инерции определяется как сумма моментов инерции элементарных масс  (материальных точек), на которые можно разбить тело:

.                                                (3)

Имеются различные методы экспериментального определения моментов инерции. В настоящей работе определение моментов инерции тел произвольной формы производится методом колебаний. Для этих целей измеряется период колебаний Т математического и физического маятников.

Математическим маятником называется материальная точка массой m0, подвешенная на невесомой, нерастяжимой нити и совершающая колебания под действием силы тяжести.

Момент инерции  математического маятника

,                                                  (4)

где l – длина маятника.

Период колебаний математического маятника определяется по формуле

.                                               (5)

Физическим маятником называется твердое тело, совершающее колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси, не совпадающей с его центром инерции, под действием силы тяжести.

Если отклонить маятник от положения равновесия на угол φ (рис. 1), то момент силы, стремящийся вернуть маятник в положение равновесия равен

.                                         (6)

В (6) l – расстояние между точкой подвеса и центром инерции маятника С, m – масса маятника,  – плечо силы тяжести. Основное уравнение динамики вращательного движения (1) с учетом (6) можно записать в виде

.

При малых углах отклонения ~ φ, тогда

.                                            (7)

Уравнение (7) можно переписать в виде

                                          (8)

или

.                                             (9)

Решение этого уравнения имеет вид

,                                        (10)

где а и α – произвольные постоянные. Через ω02 обозначена величина

ω02.                                                (11)

Из уравнений (9) и (10) следует, что при малых отклонениях от положения равновесия физический маятник совершает гармонические колебания, частота которых зависит от массы маятника, момента инерции маятника относительно оси вращения и расстояния между осью вращения и центром инерции маятника. Зная ω0, можно рассчитать период колебания Т физического маятника:

ω0,           .                             (12)

Из сопоставления формул (5) и (12) следует, что математический маятник длиной

                                                 (13)

будет иметь такой же период колебаний, что и данный физический маятник. Величину  называют приведенной длиной физического маятника.

Точка на прямой, соединяющей точку подвеса с центром инерции, лежащая на расстоянии приведенной длины от оси вращения О, называется центром качания физического маятника О /.

По теореме Штейнера момент инерции тела относительно любой оси

,                                             (14)

где – момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр тяжести, l – расстояние между осями.

Подставим в уравнение (13)  момент инерции, определяемый выражением (14):

.                                  (15)

Из уравнения (15) видно, что приведенная длина всегда больше l, так что точка подвеса О и центр качания О / лежат по разные стороны от центра инерции С. Зная период колебания Т, массу маятника m и приведенную длину, можно рассчитать момент инерции J физического маятника:

          или            .                (16)

3. Экспериментальная часть

3.1. Описание установки

Комплексная установка для определения моментов инерции математического и физического маятников (рис. 3.1) состоит из вертикальной стойки 5, основания 6 и элементов подвеса физического и математического маятников. На конце приспособления 4 закреплен зажим 7 для подвеса и изменения длины математического маятника во время его колебаний.

Математический маятник представляет собой стальной шарик 2, подвешенный на нити 3. Длина нити математического маятника может меняться.

Физический маятник сделан из стали в виде длинного стержня 1, на котором в разных местах может закрепляться груз  8. Для подвеса физического маятника в верхней части стойки горизонтально закреплена стальная каленая призма 4. Положение центра инерции физического маятника определяют с помощью специально предназначенной призмы 9. Для измерения времени колебаний используют секундомер 10.

Рис. 3.1

3.2. Порядок выполнения работы

3.2.1. Определение моментов инерции математического и физического маятников

1. Подвешивают физический маятник на призму, закрепив груз 8 в нижнем положении. Отклоняют маятник от вертикали на малый угол (5 – 7°) и отпускают. Измеряют время t 30–ти полных колебаний и определяют период колебаний Т =  (n – число колебаний). Измерения производят не менее трех раз.

2. Подбирают длину математического маятника так, чтобы значения его периода колебаний совпали с периодом колебаний физического маятника: ТМ = ТФ. В этом случае длина математического маятника равна приведенной длине физического маятника lпр.

3. Рассчитывают момент инерции математического маятника по формуле

,

где m0 – масса математического маятника, указанная на установке,      l – длина нити, измеряемая линейкой.

4. Определяют ускорение силы тяжести по формуле

.

5. Результаты измерений для математического маятника вносят в таблицу 3.1.

6. Зная массу физического маятника mФ, а также расстояние l (от точки подвеса до центра инерции), рассчитывают момент инерции маятника по формуле (16).

7. Все результаты заносят в таблицу 3.2.

8. Рассчитывают абсолютные и относительные погрешности определения момента инерции JФ.

9. Истинное значение записывают в виде

 кг·м2.

Таблица 3.1

m0

(кг)

l

(м)

n

t

(с)

ТМ

(с)

g

(м/с2)

JМ

(кг·м2)

1

2

3

Таблица 3.2

mФ

(кг)

n

t

(с)

ТФ

(с)

l

(м)

JФ

(кг·м2)

1

2

3

3.2.2. Определение момента инерции физического маятника в зависимости от распределения массы

1. Подвешивают физический маятник на призму 4. Укрепляют груз 8 в крайнее нижнее положение. Определяют не менее 3-х раз период колебания Т, измеряя время t 30–ти полных колебаний:

.

2. Перемещают груз во 2-е положение, а затем в 3-е, 4-е и, наконец, в самое крайнее верхнее положение и определяют период колебаний Т2, Т3, Т4 и Т5.

3. Измеряют каждый раз расстояние l от точки подвеса до центра инерции с помощью призмы 9 (рис. 3.1).

4. Рассчитывают момент инерции физического маятника

,

а также , , , .

Считают, что

,

где  – масса маятника без груза,  – масса прикрепляемого груза.

5. Значение ускорения силы тяжести берут из измерений с математическим маятником.

6. Результаты опыта заносят в таблицу 3.3.

7. Рассчитывают абсолютные и относительные погрешности .

8. Строят график зависимости момента инерции  от расстояния l от точки подвеса до центра инерции.

9. Истинное значение момента инерции физического маятника записывают в виде

 кг·м2.

10. Делают вывод о зависимости момента инерции физического маятника от распределения массы в нем.

Таблица 3.3

Положение

груза

n

t

(с)

Т

(с)

l

(м)

JФ

(кг·м2)

1-е

2-е

3-е

4-е

5-е

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

4. Контрольные вопросы

1. Что называется математическим маятником?

2. Что такое физический маятник?

3. Какая длина называется приведенной длиной физического маятника?

4. Что называется моментом инерции тела?

5. Как рассчитываются моменты инерции математического и физического маятников?

6. Как устроена установка для определения моментов инерции маятников?

7. Зависит ли момент инерции от распределения массы относительно оси вращения?

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. – М.: Наука, 1998.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2000.

10


 
О

     С  ●

О /  ●

l

φ

Рис.2.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19206. Траектории заряженных частиц в однородных электрическом и магнитном полях 603 KB
  Лекция № 2. Траектории заряженных частиц в однородных электрическом и магнитном полях. Отклонение и фокусировка заряженных частиц в постоянном электрическом поле. Фокусировка в плоском и цилиндрическом конденсаторах. Электростатические энергоанализаторы. Фокусиро
19207. Движение в неоднородном магнитном поле 333 KB
  Лекция № 3. Движение в неоднородном магнитном поле. Дрейфовое приближение условия применимости дрейфовая скорость. Дрейфы в неоднородном магнитном поле. Адиабатический инвариант. Движение в скрещенных электрическом и магнитном полях. Общий случай скрещенных поля л...
19208. Аналогия световой и электронной оптики. Электронная оптика параксиальных пучков 735 KB
  Лекция № 4. Аналогия световой и электронной оптики. Электронная оптика параксиальных пучков. Движение заряженных частиц в аксиальносимметричном электрическом поле. Основные типы электростатических линз. IV. Электронная оптика. 4.1. Аналогия световой и электрон
19209. Движение заряженных частиц в аксиально-симметричном магнитном поле. Магнитные линзы 412.5 KB
  Лекция № 5. Движение заряженных частиц в аксиальносимметричном магнитном поле. Магнитные линзы. Фокусировка короткой катушкой. Магнитные квадрупольные линзы жесткая фокусировка. Магнитные электронные микроскопы. Аберрация электронных линз. V. Магнитные линзы. ...
19210. Ограничение тока пространственным зарядом в диоде. Формула Ленгмюра и Богуславского для плоских и цилиндрических электродов 325.5 KB
  Лекция № 6. Ограничение тока пространственным зарядом в диоде. Формула Ленгмюра и Богуславского для плоских и цилиндрических электродов. Учет начальных скоростей частиц. Образование виртуального катода. Предельная плотность тока пучка частиц в пролетном промежутке
19211. Расхождение пучков заряженных частиц под действием собственного объемного заряда 421.5 KB
  Лекция № 7. Расхождение пучков заряженных частиц под действием собственного объемного заряда. Прямолинейные пучки электронных лучей электронные пушки Пирса. VII. Формирование электронных и ионных пучков. 7.1. Расплывание пучков заряженных частиц под действи
19212. Электромагнитные ускорители плазмы. МГД приближение для описания динамики 269 KB
  Лекция 8 VIII. Плазменные ускорители. Электромагнитные ускорители плазмы. МГД приближение для описания динамики. Одножидкостная модель. Магнитное давление. Равновесие плазменной границы. Рельсотрон. 8.1. МГД приближение. Для описания ускорения плазмы магни...
19213. Термоэлектронная эмиссия. Статистический и термодинамические вывод формулы плотности тока термоэлектронной эмиссии 557.5 KB
  Лекция № 9. Термоэлектронная эмиссия. Статистический и термодинамические вывод формулы плотности тока термоэлектронной эмиссии. Влияние внешнего электрического поля Эффект Шоттки. Распределение термоэлектронов по энергиям. Средняя энергия термоэлектронов. Эксп
19214. Влияние поверхностной неоднородности материала катода на термоэмиссию 557 KB
  Лекция № 10. Влияние поверхностной неоднородности материала катода на термоэмиссию. Пленочные катоды. Оксидные катоды. Автоэлектронная эмиссия. Изменение температуры эмиттера при термо и автоэлектронной эмиссии. 9.7. Влияние поверхностной неоднородности материала...