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

70225. ЗАЩИТА ЧЕЛОВЕКА ОТ ВРЕДНЫХ И ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ 887.5 KB
  Цель занятия: овладеть следующими компетенциями в пределах дисциплины БЖД и Медицина катастроф ПК12 способность и готовность использовать методы оценки природных и медико-социальных факторов среды в развитии болезней у взрослого населения и подростков проводить их коррекцию осуществлять...
70226. Безопасность жизнедеятельности в медицинских организациях 364 KB
  Система здравоохранения сегодня - это более трех миллионов работающих, тысячи медицинских организаций (лечебно-профилактических, аптечных, санитарно-эпидемиологических учреждений) десятки научно-исследовательских институтов, центров, высших и средних учебных заведений...
70227. Национальная безопасность 307 KB
  Национальная безопасность - основы государственного устройства и управления, осуществляющие процесс переоценки национальных ценностей и согласования интересов личности, общества и государства, дальнейшее развития социально-экономических, политических, правовых, этнических связей и отношений.
70228. Расстройства восприятия, иллюзии, галлюцинации. Дереализация и деперсонализация 95 KB
  Показанием к срочной даже без согласия больного госпитализации являются: C 12. Психосенсорные расстройства обычно являются проявлением: D 14. В каком случае иллюзии являются безусловным признаком психоза C Галлюцинации относятся к расстройствам невротического уровня.
70230. Визвольні ідеї Г.Сковороди, Т.Шевченка, І.Франка 132 KB
  Національна природа інтелігента визначається не кількістю його декларацій про любов до Батьківщини а відповідністю власної духовної діяльності специфіці менталітету рідного народу і потребам його розвитку спричинених своєрідністю конкретної історичної ситуації.
70231. Соціально-політичні погляди М.Грушевського 49.5 KB
  Політична думка в Україні у XIX—XX ст. формувалася в умовах, коли зникав традиційний сільськогосподарський уклад життя і його змінювало індустріальне суспільство, коли відбувалися процеси національно-культурного й національно-політичного відродження України.
70232. Політична культура як засіб завоювання та здійснення влади 75.5 KB
  Політична психологія має певну структуру. Вона містить політичні потреби, інтереси, почуття, настрої, традиції тощо. Політичні потреби - це ті потреби, задоволення яких пов’язано зі здійсненням влади. Вони можуть лише тим чи іншим чином стосуватися влади, а можуть виявлятися безпосередньо...
70233. Критичний утопічний соціалізм 26.5 KB
  Вихідними пунктами його плану з одного боку стала переконаність у провідній ролі індустріалів у суспільному житті а з іншого його ставлення до організації промисловості як одного з найважливіших чинників досягнення суспільного блага. Мислитель розглядав державну владу як основний засіб...