4004

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА. Цель работы: определение опытным путем момента инерции системы, состоящей из массивного металлического диска и шкива, насаженных на об...

Русский

2012-11-10

180.84 KB

120 чел.

Лабораторная работа 1.36.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Г.А. Куторжевская, Т.Ю. Любезнова, А.В. Чайкин

Цель работы: определение опытным путем момента инерции системы, состоящей из массивного металлического диска и

шкива, насаженных на общий вал.

Задание: по измеренным значениям высоты, времени падения груза и числа оборотов маховика после падения груза вычислить момент инерции системы и рассчитать абсолютную погрешность измерений.

Подготовка к выполнению лабораторной работы: изучить

законы вращательного движения твердого тела; ознакомиться с понятиями момента инерции, кинетической энергии вращающегося

тела; ознакомиться с описанием установки и метода измерений.

Библиографический список

1. Савельев И.В. Курс общей физики.- М.: Наука, 1987. Т. 1, §§

38, 39, 41, 42.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики.- М.: Наука,1974. Т. 1, §§

32, 33, 36.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Контрольные вопросы

Что является мерой инертности тела при поступательном

движении?

Что является мерой инертности тела при вращательном движении?

Что называется моментом инерции твердого тела?

Какой закон положен в основу вывода расчетной формулы (6)

для момента инерции I ?

Выведите формулу для относительной погрешности измерений момента инерции (формула (7)).

Что нужно измерить в данной работе для вычисления I ?

Чему равна энергия системы после падения груза на пол ?

Как и какие измеряемые величины изменятся в работе, если

груз массой m поднять на большую высоту (h’> h)?


2

9. Чему равна кинетическая энергия вращательного движения

твердого тела?

10. Как и какие измеряемые величины изменятся в работе, если

использовать шкив большего радиуса (R’ > R)?

Описание аппаратуры и метода измерений

Моментом инерции тела относительно некоторой оси называется величина, равная сумме произведений элементарных масс,

на которые можно разбить данное тело, на квадраты их расстояний от данной оси.

Момент инерции является мерой инертности при вращательном движении твердого тела. Для некоторых тел правильной

геометрической формы момент инерции рассчитывается средствами интегрального исчисления. Для тел произвольной формы

момент инерции определяется опытным путем.

Целью настоящей работы является определение опытным

путем момента инерции системы, состоящей из массивного металлического диска (маховика) А и шкива S, насаженных на общий вал. Вся система может при этом вращаться около горизонтальной оси О1О2 (рис. 1).

Рис. 1

На шкив S наматывается нить, к другому концу которой

прикреплен груз m. Наматывая нить на шкив, поднимают груз на


3

высоту h, что соответствует числу оборотов N1. В этом положении вся система обладает потенциальной энергией.

Если отпустить груз, то система придет в движение и к моменту достижения грузом пола будет обладать кинетической

энергией поступательного движения груза массой m и кинетической энергией вращения маховика с моментом инерции I; при

этом часть энергии, равной работе А, затрачивается на преодоление сил трения:

2

2

mgh = mV + I ω + A

(1)

2

2

Величина работы внешних сил при вращении твердого тела дается выражением dA = Mdϕ , где M - момент внешних сил

относительно оси вращения, а dϕ - угол поворота тела. Так как

коэффициент сухого трения слабо зависит от скорости, то момент

сил трения является практически постоянным. Таким образом,

можно считать, что работа сил трения пропорциональна числу

оборотов маховика. Обозначив работу против сил трения при одном обороте через А1, имеем:

(2)

A = N1 A1

После того как груз ударится о пол, нить соскользнет со

шкива, а маховик будет продолжать вращение, имея кинетическую энергию Iω 2 2 . Если до остановки маховик сделает N2 оборотов , то его кинетическая энергия затратится на работу по преодолению сил трения, т.е.

Iω 2

= N 2 A1.

(3)

2

Из уравнений (2) и (3) найдем:

I ω 2 N1

.

(4)

A=

2N2

Подставляя это значение в уравнение (1), получим:

mV 2 I ω 2 I ω 2 N1

.

(5)

+

+

mgh =

2

2

2N2

Так как груз m движется равноускоренно, то его скорость


4

непосредственно перед ударом о пол равна V = 2h t , где h - высота, с которой опускается груз, t - время опускания. Угловая скоV 2V 4h

рость системы в этот момент равна ω = =

, где R - ра=

R D Dt

диус, а D - диаметр шкива. Внося значения V и ω в (5), получим

2

2 gt

− 1) N 2

mD (

2h

.

I=

4( N1 + N 2 )

gt 2

Расчет показывает, что обычно

>>1, и поэтому при вычисле2h

нии I можно пользоваться следующей упрощенной формулой:

mgD 2t 2 N 2

I=

.

8h( N1 + N 2 )

(6)

Определяя величины, входящие в правую часть этого выражения, вычисляют момент инерции маховика и шкива.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Порядок выполнения работы.

Знакомятся с установкой. Измеряют диаметр шкива S штангенциркулем.

Надевают на штифтик шкива петлю нити, к которой привязан

груз m. Положение, при котором груз находится на полу, а

нить натянута, отмечают на диске А мелом.

Поднимают груз, повернув маховик на N1 оборотов.

Удерживая маховик в этом положении, измеряют высоту h

поднятия груза от пола.

Отпускают маховик и замеряют секундомером время падения

t груза m с высоты h. В момент падения груза на пол нить

должна соскользнуть со шкива.

Считают число оборотов N2 , начиная с момента удара груза о

пол до полной остановки маховика.

Опыты, описанные в пунктах 2 - 6, повторяют 10 раз. Все результаты записывают в таблицу.

По указанию преподавателя все опыты проделывают в том же

порядке с другим грузом.


5

1.

2.

3.

4.

Обработка результатов измерения.

Находят среднее значение времени падения груза и числа

оборотов маховика N2ср. Вычисляют среднее значение момента инерции по формуле (6).

Находят относительную погрешность Е измерения момента

инерции маховика по следующей формуле:

ΔI Δm

Δ D Δh Δ g

Δt ΔN 2 ΔN1 + ΔN 2

E=

=

+2

+

+

+2 +

+

I

m

D

h

g

tcp

N2

N1 + N 2

Погрешностями Δg и ΔN 1 можно пренебречь. Тогда формула

для расчета погрешности принимают вид:

ΔN 2

ΔI Δ m

Δ D Δh

Δ t ΔN 2

(7)

E=

=

+2

+

+2 +

+

I

m

D

h

tcp

N2

N1 + N 2

Рассчитывают абсолютную погрешность измерения момента

инерции ΔI = EI .

Записывают окончательный результат в виде:

I = I ср ± ΔI



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36435. Экологический туризм: предпосылки и особенности развития 29.5 KB
  Предпосылки зарождения экологического туризма Ведущая среди основных причин зарождения экологического туризма это усиливающаяся изза массовости туризма нагрузка на природные и культурноисторические ресурсы. По мере роста глобализации мирового хозяйства росли и негативные изменения в геосфере Земли: климатические изменения; деградация почвы; разрушение экосистем и уменьшение биологического разнообразия; увеличение загрязнения воды почвы и воздуха; природные бедствия вызванные деятельностью человека; неконтролируемый прирост...
36436. Рекреациооные ресурсы 32.5 KB
  К рекреационным ресурсам относятся: природные комплексы и их компоненты рельеф климат водоемы растительность животный мир; культурноисторические достопримечательности; экономический потенциал территории включающий инфраструктуру трудовые ресурсы. Рекреационные ресурсы это совокупность элементов природных природнотехнических и социальноэкономических геосистем которые при соответствующем развитии производительных сил могут быть использованы для организации рекреационного хозяйства. Рекреационные ресурсы кроме природных...
36437. Эстетическая привлекательность ландшафтов 31 KB
  Современные подходы к оценке эстетической привлекательности ландшафтов. Объективистский подход предполагает выявление объективных критериев эстетической привлекательности кроющихся в физиономических характеристиках самого ландшафта субъективный же указывая на субъективную природу красоты исследует особенности ландшафтноэстетических предпочтений у разных групп людей.Объективистский подход к оценке эстетической привлекательности ландшафтов является в настоящее время наиболее признанным и распространенным. Также к его недостаткам...
36438. Виды воздействия рекреационной деятельности на ОС 25.5 KB
  Ранее исследованиям по анализу туристской деятельности уделялось мало внимания да и то рассматривали воздействие туризма только в определённых точках земного шара или воздействие отдельных его видов. Воздействие туризма на окружающую среду может быть прямым косвенным и побудительным а также положительным и отрицательным. Туризм не может развиваться без взаимодействия с окружающей средой однако с помощью управления развитием туризма и чёткого планирования возможно уменьшить негативное воздействие и увеличить положительное. Положительное...
36439. Национальные парки 30 KB
  Основные задачи национальных парков На национальные парки возлагаются следующие основные задачи: а сохранение природных комплексов уникальных и эталонных природных участков и объектов; б сохранение историкокультурных объектов; в экологическое просвещение населения; г создание условий для регулируемого туризма и отдыха; д разработка и внедрение научных методов охраны природы и экологического просвещения; е осуществление экологического мониторинга; ж восстановление нарушенных природных и историкокультурных комплексов и объектов. Исходя...
36440. Государственные природные заказники России: статус, режим, функции, задачи, перспективы развития ФЗначения 29 KB
  Государственные природные заповедники являются природоохранными научноисследовательскими и экологопросветительскими учреждениями имеющими целью сохранение и изучение естественного хода природных процессов и явлений генетического фонда растительного и животного мира отдельных видов и сообществ растений и животных типичных и уникальных экологических систем. Задачи государственных природных заповедников а осуществление охраны природных территорий в целях сохранения биологического разнообразия и поддержания в естественном состоянии...
36441. Категории и виды ООПТ Арх. Области 26.5 KB
  Области сеть ОПТ: заповедники национальные парки заказники памятники природы. На западе области организовано два среднетаежных НП: Водлозерский природный 3411 км2 и Кенозерский 1397 км2. Первый находится на границе Карелии и Архангельской области и включает девственную тайгу на югозападе Онежского района. В области организовано 36 видовых и комплексных заказников 55 681 км2 или 135 площади области.
36442. Восточно-европейская зона 37 KB
  Ее туристские ресурсы определяются помимо живописности природы море реки леса средневысотные горы возможностью заниматься летними и зимними видами спорта а также большим числом историкокультурных памятников разных эпох музыкальными традициями страны и пр. Природной аттрактивностыо отличаются в первую очередь север страны с его Балтийским побережьем и юг где расположена часть Карпатской горной системы. Что касается привлекательности историкокультурной историкоархитектурной то ею обладают главный туристский центр страны и ее...
36443. Западно-европейская 33.5 KB
  Она привлекает туристов и очень разнообразной природой и множеством историкокультурных историкоархитектурных объектов.; преобладанием воздушных перевозок своих и иностранных туристов над автомобильными. При этом в районе велико число туристов не только летом но и зимой в период когда в доступных для туристов горах есть необходимый снежный покров. Наиболее интересны для туристов города Женева Цюрих Берн столица страны.