3827

Изучение вращательного движения твердого тела

Лабораторная работа

Физика

Изучение вращательного движения твердого тела Цель работы: изучение кинематики и динамики вращательного движения, построение абстрактной модели реальной физической системы. Приборы и принадлежности: прибор Обербека, оборудованный миллисекундомером, ...

Русский

2012-11-08

83.5 KB

27 чел.

Изучение вращательного движения твердого тела

Цель работы: изучение кинематики и динамики вращательного движения, построение абстрактной модели реальной физической системы.

Приборы и принадлежности: прибор Обербека, оборудованный миллисекундомером, набор сменных грузов, штангенциркуль, измерительная лента.

Теоретическое введение

Прибор Обербека (рис.) представляет собой металлическую крестовину, способную свободно вращаться вокруг горизонтальной оси. На той же оси находится двухступенчатый диск, жестко связанный с крестовиной. На одну из ступеней диска наматывается нить, второй конец которой перекинут через блок. К концу нити, перекинутому через блок, прикрепляются грузы различной массы. На крестовине закреплены четыре груза, положение которых можно изменять. Схема установки изображена на рисунке.

Прежде чем записать уравнения движения для всех тел, входящих в систему, сделаем некоторые предположения. Будем считать нить невесомой и нерастяжимой. Предположим, что массой блока, трением в оси блока, трением в оси крестовины и вязким трением можно пренебречь. Таким образом, следует записать уравнения движения только для двух тел: крестовины и груза, прикрепленного к верхнему концу нити. Силы, действующие на тела, показаны на рисунке. Уравнение движения груза M в проекции на направление движения имеет вид:

M gT1 = M a     (1)

Уравнение движения крестовины в проекции на ось , перпендикулярную чертежу и направленную от наблюдателя выглядит так:

T2 R = I β.      (2)

Рис. Схема экспериментальной установки.

При написании уравнения (2) было принято во внимание, что грузы расположены на крестовине симметрично, вследствие чего центр масс крестовины с грузами совпадает с осью вращения. Это приводит к тому, что момент силы тяжести равен 0.

Если сделанные выше предположения относительно массы блока и силы трения в его оси справедливы, то сила натяжения нити постоянна:

T1 = T2.      (3)

Так как нить нерастяжима, то угловое ускорение крестовины связано с линейным ускорением груза M соотношением:

а = β R.      (4)

Здесь R – радиус ступени диска, на которую намотана нить.

В уравнении (2) I – момент инерции крестовины с грузами относительно оси вращения. Он зависит от положения грузов на крестовине следующим образом:

I = I0 + 4mr02 + 4ml2/12 + 4mr2/4,   (5)

где I0 –  момент инерции крестовины, численное значение которого не зависит от положения грузов, r0 – расстояние от центра масс груза до оси вращения крестовины, r – радиус груза, l – длина груза. Формулу (5) можно получить, используя теорему Штейнера и приближённо считая грузы цилиндрами радиусом r и высотой l. В настоящей установке используются грузы размерами: r = 0,015 м и l = 0,02 м, и массой m = 54 г. Момент инерции крестовины без грузов можно определить по формуле

    I0 = 4m1l12/3,     (5а)

где m1 – масса стержня, m1 = 0,023 кг, l1 – длина одного из четырех стержней крестовины, l1 = 0,15 м.

Решая уравнение (1) относительно силы натяжения нити, получим:

T1 = T2 = M (ga).    (6)

Линейное ускорение груза вычисляется по измеряемым значениям пройденного пути и времени движения груза:

а = 2h / t2.      (7)

Таким образом, момент силы натяжения, действующий на крестовину, может быть вычислен по формуле:

N = T2 R = M R (g–2h / t2),   (8)

а угловое ускорение крестовины находится по формуле:

β = a / R=2h / R t2.    (9)

Зная момент сил, действующих на крестовину, и ее угловое ускорение, можно по формуле (2) вычислить момент инерции крестовины с грузами.

Задания для самостоятельной подготовки к лабораторной работе

  1.  Сформулируйте второй закон Ньютона.
  2.  Сформулируйте уравнение движения твердого тела относительно неподвижной оси.
  3.  Дайте определение вектора момента силы. Как вычислить модуль момента силы?
  4.  Дайте определение момента инерции твердого тела.
  5.  От чего зависит компонента момента инерции I0 в уравнении (5)?
  6.  Почему в уравнение (2) включен только момент силы натяжения нити? Что можно сказать про моменты других сил, действующих на крестовину?

Экспериментальная часть

  1.  Произведите регулировку положения основания при помощи регулировочных опор и встроенного пузырькового уровня. Измерьте штангенциркулем диаметры ступеней диска 2R1 и 2R2. Результаты измерений диаметров и приборную погрешность измерений запишите в тетрадь. Измерить нельзя – штангель не лезет.
    1.  Измерьте расстояние h от верхнего положения груза до кронштейна с фотодатчиком по шкале на вертикальной стойке прибора. Результаты измерений и приборную погрешность измерений расстояния запишите.
    2.  Сбалансируйте крестовину, передвигая грузы m вдоль направляющих. Сбалансированная крестовина в свободном состоянии должна быть неподвижна относительно оси вращения при любом положении. Массы грузов m запишите в тетрадь. Используя измерительную линейку, измерьте расстояния от оси вращения крестовины до центра масс каждого из четырех грузов r0. За истинное значение будет приниматься среднее из измеренных значений r0. Все результаты, с учетом приборной погрешности, запишите в тетрадь.
    3.  Намотайте нить на одну из ступеней диска. Второй конец нити перекиньте через блок и подвесьте к нему груз M. Массу груза запишите.
    4.  Уравняйте нижний край груза с выбранным положением по вертикальной шкале и включите прибор нажатием клавиши «Сеть».
    5.  Нажмите клавишу «Пуск» и измерьте время прохождения грузом расстояния h . Результаты запишите с учетом приборной погрешности. Повторите измерение времени не менее 3-х раз.
    6.  Увеличьте массу груза M, запишите значение массы M в тетрадь и произведите измерения, указанные в пунктах 5 и 6. Значение массы M следует менять столько раз, сколько позволяет набор сменных грузов. Примечание: не следует брать такую массу груза, при которой нить начинает проскальзывать даже при включённом фрикционе (тормозной диск). Результаты измерений оформите в виде таблицы, приблизительный вид которой указан ниже.
    7.  Повторите все измерения, указанные в пунктах 4–7, с использованием второй ступени диска. Результаты занесите во вторую таблицу, аналогичную приведенной ниже.
    8.  Измените положение грузов на крестовине в соответствии с пунктом 3. Проделайте для нового положения грузов на крестовине все измерения, указанные в пунктах 4–8. Результаты оформите в виде третьей таблицы, аналогичной двум предыдущим.

Таблица.

    

1

1

2

2

1

2

1

2

Обработка и анализ результатов измерений

  1.  Для каждого значения массы груза M вычислите среднее время движения груза от верхнего положения до кронштейна с фотодатчиком и погрешность определения времени.
  2.  Используя среднее значение времени, по формулам (8) и (9) вычислите моменты силы натяжения нити, действующие на крестовину, и угловые ускорения крестовины. Посчитайте погрешности этих величин.
  3.  Для двух различных положений грузов r0 на крестовине постройте графики зависимости моментов сил натяжения нити, действующих на крестовину, от углового ускорения крестовины. Обработайте графики по методу наименьших квадратов. Значения тангенсов углов наклона и отрезков, отсекаемых на ординате, запишите в тетрадь.
  4.  По значениям тангенсов углов наклона построенных графиков вычислите моменты инерции крестовины для двух различных положений грузов r0 на ней. Вычислите погрешности моментов инерции. Результаты запишите.
  5.  Вычислив значения моментов инерции крестовины, проверьте, насколько хорошо выполняются формулы (5) и (5а). Сделайте выводы о том, насколько абстрактная модель установки соответствует действительности.

Контрольные задания

  1.  Как определяется кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси?
  2.  Как можно оценить момент сил трения при раскручивании крестовины в данной лабораторной работе?
  3.  К ободу однородного сплошного диска массой 10 кг, насаженного на ось, проходящую через центр масс, приложена постоянная касательная сила 30 Н. Определите кинетическую энергию диска через 4 с после начала действия силы, если радиус диска R = 40 см.
  4.  Колесо радиусом 30 см и массой 3 кг скатывается без проскальзывания по наклонной плоскости длиной 5 м и углом наклона . Определите момент инерции колеса, если его скорость в конце движения составляла 4,6 м/с.

Литература

  1.  И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.1.– с.36–44.
    1.  С.Э.Хайкин. Физические основы механики.– с.87–89, 92, 94.


          m

         

       

   z

       m        m       

          m

            

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84486. Рецептори, їх класифікація та збудження 45.25 KB
  Рецептори спеціалізовані структури що забезпечують: а сприйняття інформації про дію подразника; б первинний аналіз цієї інформації сила якість час дії новизна подразника. За наявністю спеціалізованої сенсорної клітини: первинні інформація про дію подразника сприймається безпосередньо нервовим закінченням; вторинні інформації про дію подразника сприймається спеціалізованою сенсорною рецепторною клітиною а далі передається на нервове закінчення. За наявністю чи відсутністю допоміжних структур: вільні нервові закінчення ...
84487. Пропріорецептори, їх види. Будова та функції м’язових веретен 43.25 KB
  Пропріорецептори Мязів мязові веретена Суглобових сумок Сухожилків тільця Гольджі Види рецепторів Адекватний подразник Деформація Розтягнення Розтягнення Ступінь та швидкість розтягнення мязів Ступінь згинання розгинання в суглобі Ступінь та швидкість скорочення мяза так як при скороченні сухожилки розтягуються Контролюють Мязові веретена первинні механорецептори що мають складну структуру. Адекватним подразником ІФВ є розтягнення центральної частини ядерної сумки. Таке розтягнення та збудження спіралевидного нервового...
84488. Механізми і закономірності передачізбудження в центральних синапсах 44.76 KB
  Аксосоматичні Аксоаксональні Аксодендритні Дендродендритичні Збудливі Гальмівні Хімічні Електричні Механізм передачі збудження через центральний аксосоматичний хімічний синапс полягає в наступному: ПД поширюється по мембрані аксона далі по мембрані пресинаптичній підвищення проникності пресинаптичної мембрани для іонів С2 вхід їх в нервове закінчення за градієнтом концентрації вихід медіатора в синаптичну щілину дифузія медіатора до постсинаптичної мембрани взаємодія з мембранними циторецепторами збільшення...
84489. Види центрального гальмування. Механізми розвитку пре- та постсинаптичного гальмування 43.78 KB
  Механізми розвитку пре та постсинаптичного гальмування. Гальмування активний фізіологічний процес. Гальмування в ЦНС Постсинаптичне Пресинаптичне За локалізацією За електрофізіологічною природою Гіперполяризаційне Деполяризаційне За будовою нейронних ланцюгів Зворотнє Пряме Постсинаптичне гіперполяризаційне гальмування.
84490. Сумація збудження і гальмування нейронами ЦНС 48.02 KB
  Взаємодія збудження та гальмування на тілі кожного окремого нейрона відбувається шляхом сумації просторової та часової. В залежності від переважання сумації ЗПСП чи ГПСП нейрон може перебувати в трьох станах: збудження характеризується генерацією ПД на мембрані аксонного горбика в результаті переважання сумації ЗПСП деполяризація мембрани дійшла до критичного рівня: чим інтенсивніше протікає сумація ЗПСП тим швидше деполяризація доходить до Екр тим частіше ПД в РРН тобто тим сильніше збудження нейрона. Таким чином за допомогою...
84491. Рухові рефлекси спинного мозку, їх рефлекторні дуги, фізіологічне значення 45.37 KB
  У складі задніх рогів спинного мозку переважають вставні нейрони. Біла речовина спинного мозку представлена волокнами висхідних та низхідних шляхів. Контроль на рівні спинного мозку Рецептори шкіри Вісцерорецептори ангіорецептори.
84492. Провідникова функція спинного мозку. Залежність спінальних рефлексів від діяльності центрів головного мозку. Спінальний шок 43.05 KB
  Біла речовина спинного мозку передні бокові та задні канатики складається з нервових волокон які формують провідні шляхи. Основними висхідними шляхами є: 1. Шлях Голя розташований в медіальній частині заднього канатика. Шлях Бурдаха розташований в латеральній частині заднього канатика.
84493. Рухові рефлекси заднього мозку, децеребраційна ригідність 48.79 KB
  Вони носять назву надсегментарних утворень так як впливають на мязи не прямо а через мотонейрони сегментарних структур рухові ядра спинного мозку і черепномозкових нервів. Задній мозок отримує і переробляє всю аферентну інформацію що надходить від спинного мозку оскільки всі специфічні висхідні шляхи від спинного мозку входячи в стовбур мозку задній та середній мозок віддають коллатералі гілочки до ретикулярної формації тут продовжується обробка аферентної інформації. В задньому мозку розміщені 4 вестибулярні ядра медіальне...
84494. Рухові рефлекси середнього мозку, їх фізіологічне значення 44.55 KB
  Середній мозок СрМ за участі сітчастої речовини опрацьовує аферентну інформацію яка поступає в спинний та задній мозок. Нова інформація поступає в СрМ від зорових та слухових рецепторів. На основі опрацьовання інформації від усіх цих рецепторів СрМ здійснює контроль за станом зовнішнього та внутрішнього середовища організма. Важливими надсегментарними руховими ядрами СрМ є: 1 червоні ядра від них інформація від нейронів спинного мозку передається по шляхах що перехрещуються руброспінальні шляхи елемент ЛНС; 2 ретикулярна формація;...