3967

Определение момента инерции маятника Максвелла

Лабораторная работа

Физика

определить момент инерции маятника экспериментально и сравнить его с теоретическим значением. Установка маятника Максвелла может отличаться от ниже описанной, но принцип работы тот же

Русский

2014-09-14

379.34 KB

261 чел.

Механика. Лабораторная работа №4.

________________________________________________________________________

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ

МАЯТНИКА МАКСВЕЛЛА.

Цель работы: определить момент инерции маятника экспериментально и сравнить

его с теоретическим значением.

Приборы и принадлежности: установка - маятник Максвелла, комплект колец.

(Установка маятника Максвелла может отличаться от ниже описанной, но принцип

работы тот же.), электронный секундомер, штангенциркуль.

Теоретические сведения и описание установки

Краткое описание установки - маятник Максвелла

Установка лабораторная "Маятник Максвелла ФМ 12" (далее - установка)

предназначена для проведения лабораторных

работ по курсу "Физика", раздел "Механика",

в высших учебных заведениях. Установка

также может быть использована в колледжах,

лицеях, техникумах, ПТУ.

Установка

отвечает

наиболее

прогрессивному направлению в реализации

современных

методов

проведения

лабораторных работ.

Установка обеспечивает возможность

изучения закона сохранения энергии.

Установка помогает обучаемым глубже

понять основные физические закономерности и приобрести элементарные навыки

проведения экспериментов.

Установка эксплуатируется в помещении при температуре от + 10 °С до + 35

°С, относительной влажности воздуха до 80 % при 25 °С.

-1-


Механика. Лабораторная работа №4.

________________________________________________________________________

Устройство и принцип работы установки

Установка представлена на рисунке 1 и включает в свой состав: основание 1,

вертикальную

кронштейн

стойку

3,

2,

верхний

кронштейн

4

для

установки фотодатчика, фотодатчик 5,

диск 6 с осью, подвешенной на двух

нитях 7, комплект из трех сменных

колец

с

различными

моментами

инерции.

Основание

1

снабжено

тремя

регулируемыми опорами 8 и зажимом 9

для фиксации вертикальной стойки 2.

Вертикальная стойка 2 выполнена из

металлической

трубы,

на

которую

нанесена миллиметровая шкала, и имеет визир 12.

На верхнем кронштейне 3 размещаются электромагниты 10 и узел 11 регулировки

исходного положения маятника.

Кронштейн 4 имеет зажим для крепления на вертикальной стойке 2 и элементы;

фиксации фотодатчика.

Установка работает от блока электронного ФМ 1/1.

Маятник удерживается в верхнем положении электромагнитом. Нажатием кнопки

"ПУСК"

отключается

электромагнит

и

включается

электросекундомер.

Электросекундомер отключается, как только опускающийся маятник перекроет

световой поток, падающий на нижний фоторезистор.

Основные технические данные.

1. Максимальный ход маятника, мм, не менее

250

2. Количество сменных колец, шт.

3

3. Масса сменных колец, кг

0,18 ± 0,018

-2-


Механика. Лабораторная работа №4.

________________________________________________________________________

0,27 ±0,027

0,36 ± 0,036

4. Масса оси, кг

0,019± 0,0019

5. Масса диска, кг

0,1±0,01

6. Диапазон измерения миллиметровой шкалы

вертикальной стойки, мм

от 50 до 400

7. Цена деления шкалы, мм

1 ± 0,1

8. Электропитание электромагнитов установки осуществляется от блока

электронного ФМ 1/1 напряжением, В

8±2

9. Электропитание фотодатчика установки осуществляется от блока электронного

ФМ 1/1 напряжением, В

5±1

10. Измерение интервалов времени осуществляется

от 1 ∙ 10−3 до 9999 ∙ 10−3

в диапазоне, с

11. Габаритные размеры, мм, не более:

длина

250

ширина

210

высота

540

12. Масса, кг, не более

6

13. Электропитание блока электронного ФМ 1/1 осуществляется от сети

переменного тока напряжением, В

220 ± 22

частотой, Гц

50 ± 0,4

14. Средняя наработка до отказа, циклов, не менее

5000

15. Средний срок службы до списания, лет, не менее

5

Указания мер безопасности

К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством,

принципом действия и мерами безопасности в соответствии с требованиями,

приведенными в настоящем разделе.

-3-


Механика. Лабораторная работа №4.

________________________________________________________________________

Для обеспечения нормальной работы установки и предотвращения выхода

из строя фотодатчика подключение установки к блоку электронному

производить строго в соответствии с описанием.

Для предотвращения опрокидывания установки необходимо располагать ее

только на горизонтальной поверхности.

Подготовка установки к работе и порядок ее проведения.

Установить нижний кронштейн с фотодатчиком в крайнее нижнее положение

шкалы так, чтобы плоскость кронштейна, окрашенная в синий цвет, совпала с

одной из рисок шкалы.

Произвести регулировку положения основания при помощи регулировочных

опор так, чтобы диск на бифилярном подвесе находился в центре окна

фотодатчика.

Установить с помощью узла регулировки 11 необходимую длину бифилярного

подвеса таким образом, чтобы нижний край среза сменного кольца маятника

находился на 4 - 5 мм ниже оптической оси фотодатчика; при этом ось маятника

должна занимать горизонтальное положение.

Подключить фотодатчик и электромагниты установки к блоку электронному

при помощи кабеля. Вилку с маркировкой "Ф" вставить в розетку фотодатчика, а

вилку с маркировкой "Э" в розетку электромагнитов.

Нажать кнопку "СЕТЬ". При этом должно включиться табло индикации и

должны включиться электромагниты.

Вращая маятник по часовой стрелке (см. рис.), зафиксировать его в верхнем

положении при помощи левого (ближнего к стойке) электромагнита, при этом

необходимо следить за тем, чтобы нить наматывалась на ось виток к витку. При

вращении маятника против часовой стрелки фиксировать маятник необходимо при

помощи правого (дальнего от стойки) электромагнита.

Нажать кнопку "СБРОС" для того, чтобы убедиться, что на табло

устанавливаются нули.

-4-


Механика. Лабораторная работа №4.

________________________________________________________________________

При нажатии кнопки "ПУСК" на блоке электромагниты должны обесточиться,

маятник должен начать раскручиваться, таймер должен произвести отсчет времени,

а в момент пересечения маятником оптической оси фотодатчика отсчет времени

должен прекратиться.

При помощи визира по шкале вертикальной стойки определить высоту хода

маятника ℎ.

Нажать кнопку "СБРОС". Привести маятник в исходное положение

(зафиксировать в верхнем положении при помощи электромагнита).

Теоретические сведения.

В данной работе определяют момент инерции маятника Максвелла. Для

вывода расчетной формулы применим закон сохранения энергии, считая движущийся маятник консервативной системой. Наматывая на ось маятника нить

подвеса, поднимем его на высоту ℎ. При этом маятник приобретет потенциальную

энергию 𝑈 = 𝑚𝑔ℎ, где 𝑚 - масса маятника.

При раскручивании нити опускающийся маятник движется поступательно и

одновременно вращается вокруг своей оси. При, этом потенциальная энергия

маятника превращается в кинетическую. По закону сохранения энергии для

момента времени, когда маятник опустится с высоты ℎ, имеем:

𝑚𝑔ℎ =

𝑚 𝑣2

2

+

𝐼𝜔 2

2

(1)

Где 𝑣- скорость поступательного движения маятника; 𝐼 - момент инерции маятника

относительно своей оси; 𝜔 - угловая скорость вращения маятника.

Так как равноускоренное движение маятника начинается из состояния покоя, то

𝑣 = 𝑎𝑡 и ℎ =

𝑎𝑡 2

2

где 𝑡 - время опускания маятника с высоты ℎ. Тогда:

𝑣=

2ℎ

(2)

𝑡

Угловая скорость вращающегося маятника связана с линейной скоростью точек

боковой поверхности оси соотношением

-5-


Механика. Лабораторная работа №4.

________________________________________________________________________

𝑣

𝜔=

𝑟0

=

2𝑣

(3)

𝐷0

где 𝐷0 - диаметр оси маятника.

Подставляя (2) в (3), получим:

4ℎ

𝜔=

(4)

𝐷0 𝑡

Заменив в соотношении (1) 𝑣 и 𝜔 выражениями (2) и (4), получим формулу для

момента инерции маятники

𝐼=

Для нашей установки

𝑔𝑡 2

2ℎ

1

2

𝑚𝐷0

4

𝑔𝑡 2

2ℎ

−1

(5)

≫ 1, с учетом этого неравенства выражение (5) примет

вид:

𝐼=

2

𝑚𝑔 𝐷0 𝑡 2

(6)

8ℎ

Таким образом, для определения момента инерции маятника Максвелла нужно

измерить величины 𝑚, 𝐷0 , ℎ, 𝑡.

Практические задания

Задание № 1. Определение момента инерции маятника максвелла.

Подготовить установку для измерений. Составить план выполнения измерений и

подготовить таблицы для записей измерений. Провести

соответствующие

измерения и определить момент инерции маятника Максвелла без дополнительных

колец.

Задание № 2.. Определение момента инерции дополнительных колец.

Вывести формулу для определения момента инерции дополнительных колец для

маятника Максвелла. Составить план выполнения измерений и подготовить

таблицы для записей измерений. Провести соответствующие измерения и

определить момент инерции всех дополнительных колец.

Примечание. Во всех практических заданиях проведите оценку погрешностей.

-6-


Механика. Лабораторная работа №4.

________________________________________________________________________

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется моментом инерции материальной точки? От чего зависит

момент инерции тела? Какую роль он играет во вращательном движении?

2. Что называется моментом силы относительно точки, неподвижной оси? Как

определить направление момента силы?

3. Дать определение угловой скорости и углового ускорения. Как определить их

направления?

4. Какова связь между линейными и угловыми скоростями и ускорениями?

5. Запишите уравнения движения (законы Ньютона), описывающие а)

поступательное движение оси ; б) вращательное движение маятника..

6. Вывести формулу кинетической энергии вращающегося тела.

7. Вывести расчетную формулу (5).

8. Выведите формулы для оценки момента инерции дополнительных колец.

9. Выведите формулы для определения относительной погрешности косвенно

измеряемой величины 𝐼.

Литература.

1. Лабораторный практикум по общей физике, под ред. Е.М. Гершензона и Н.Н.

Малова, М.: Просвещение, 1985.

2. Физический практикум, под ред. Проф. В. И. Ивероновой, М. Физматгиз, 1962.

3. Н. В. Александров, Практикум по общему курсу физики, Механика и акустика.

М., Учпедгиз, 1960.

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

5. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989.

6. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1990.

-7-



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27412. Формирование коммуникативных универсальных учебных действий у младших школьников на уроках технологии 26.5 KB
  Коммуникативные УУД: ‒ планирование учебного сотрудничества с учителем и сверстниками определение цели функций участников способов взаимодействия; ‒ постановка вопросов инициативное сотрудничество в поиске и сборе информации; ‒ разрешение конфликтов выявление идентификация проблемы поиск и оценка альтернативных способов разрешения конфликта принятие решения и его реализация; ‒ управление поведением партнёра контроль коррекция оценка его действий; ‒ умение с полно и точно выражать мысли в соответствии с...
27413. Сравнительная характеристика современных программ и учебно-методических комплектов по технологии для начальной школы с учетом требований ФГОС НОО 32 KB
  УМК Перспективная начальная школа практикоориентированная направленность содержания обучения; применение знаний полученных при изучении других образовательных областей и тематические пересечения с образовательными предметами для решения технических и техно логических задач применение полученного опыта практической деятельности для выполнения домашних трудовых обязанностей. УМК Гармония; УМК Классическая начальная школа; Учебники из серии Маленький мастер Издательство АСТПРЕСС ШКОЛА; учебники образовательной системы Школа...
27414. Формирование культуры труда у младших школьников на уроках технологии 29 KB
  КУЛЬТУРА ТРУДА комплексная качественная характеристика состояния труда. Включает рациональную организацию труда благоприятные условия труда использование передовых технологий высокий профессионализм работника партнерские отношения между участниками совместного труда. способствует: сохранению здоровья работника; развитию чувства удовлетворенности трудом хорошего настроения интереса и активности при выполнении работы; росту профессиональной квалификации; профессиональной и личной самореализации; освоению рациональных приемов труда новой...
27415. Конструирование и его организация на уроках технологии в начальных классах 33 KB
  Модель и моделирование техническое моделирование и конструирование на уроках технологии получают первоначальные сведения о моделях машинах знакомятся с технической терминологией производством рабочими профессиями. Конструирование по образцу предлагают образцы построек = обеспечивается прямая передача детям готовых знаний способов действий основанная на подражании. Конструирование по условиям определяют условия которым постройка должна соответствовать. начинать моделирование и конструирование следует с простейших изделий...
27416. Проектирование/моделирование, организация и методика проведения интегрированных уроков в процессе обучения искусству 36 KB
  Уроки художественноэстетического цикла должны создавать условия для формирования и развития художественной культуры обучающихся. На протяжении работы в школе в качестве учителя изобразительного искусства хотелось сделать уроки искусства более эмоциональными запоминающимися и плодотворными а главное заинтересовать обучающихся вызвать желание творить. Проникновение современных технологий в образовательную практику в том числе и в уроки искусства открывает новые возможности и перспективы. Интегрированные уроки изобразительного искусства и...
27417. Понятие открытого образовательного пространства как пространства субъектного действия. Модульная система оргформ порождения и становления образовательного пространства в области художественного образования 48.5 KB
  Когда мы говорим о пространстве образования то имеем в виду пространство где формируется образ человека его внутренняя форма. Фомина рассматривает образовательное пространство района как систему управления развитием личности. Автор отмечает что образовательное пространство формируется с помощью целого комплекса направлений деятельности. Под образовательным пространством мы понимаем пространственновременное поле функционирования и развития системы образования как открытой и активной социальной сферы в которой действует своя идеология...
27418. Методика обучения основам синтетических видов искусства (9ый класс). Синтетические искусства и изображение (театр, кино, видео, компьютерные экранные технологии, анимация) 60 KB
  Методика обучения основам синтетических видов искусства 9ый класс. Синтетические искусства и изображение театр кино видео компьютерные экранные технологии анимация. Общая характеристика учебного предмета9 клаcc Этот тематический блок представляет собой расширение курса визуальнопластических искусств и осознание их прочной связи с синтетическими искусствами кино телевидение и др. Именно синтетические искусства непосредственно происходящие от изобразительных являются сегодня господствующими во всей системе видеокультуры.
27419. Народная художественная культура национальные, этнические формы искусства. Методы и формы приобщения учащихся к многообразию культурного наследия, к региональным (местным) национальным культурам и искусству на уроках ИЗО и во внеклассной работе 46.5 KB
  Виды и формы ДПИ. Методика обучения основам ДПИ в школе и формах дополнительного образования. ДПИ невозможно без художественного творчества так же как невозможно и без ремесленных основ владения технологией обработки тех или иных материалов. Методика преподавания ДПИ основанного на традиционной народной культуре сравнительно молодой раздел методики преподавания образовательной области Технология .
27420. Особенности методики преподавания искусства в детских художественных школах и школах искусств. Технологии преподавания рисунка, живописи, композиции, скульптуры, ДПИ, истории искусств 89 KB
  первый этап обучения в общеобразовательной школе должен через искусство заложить основы художественного эстетического восприятия явлений окружающей действительности. За четыре года начального обучения необходимо в сознании и эмоциональном развитии ребенка создать фундамент художественных представлений на которые он сможет опираться во всем дальнейшем обучении. Педагог должен с самого начала обучения создавать вокруг темы урока ситуацию уподобления т. ЦЕЛИ:Единство воспитания и образования обучения и творческой деятельности учащихся...