4082

Изучение центрального абсолютно упругого и неупругого соударения шаров

Лабораторная работа

Физика

Цель работы - изучение центрального абсолютно упругого и неупругого соударения шаров. Исследование упругого соударения шаров Физические закономерности, возникающие при ударе двух тел, широко используются в науке и технике, например, при ковке металл...

Русский

2012-11-12

749 KB

92 чел.

Цель работы - изучение центрального абсолютно упругого и неупругого соударения шаров.

Исследование упругого соударения шаров

Физические закономерности, возникающие при ударе двух тел, широко используются в науке и технике, например, при ковке металлических изделий, забивании свай под фундаменты сооружений, расчете механизмов копра, испытании различных материалов и конструкций на прочность, изучении расхода и потерь энергии в этих и других процессах. Поэтому для понимания и в дальнейшем целенаправленного использования на практике явления удара необходимо изучить его закономерности.

Под ударом понимается явление изменения скоростей изучаемых тел за очень короткий промежуток времени их столкновения.

При соударении тел друг с другом они претерпевают деформации. При этом кинетическая энергия, которой обладают тела перед ударом, частично или полностью переходит в потенциальную энергию упругой деформации или внутреннюю энергию тел.

Существует два предельных вила удара: абсолютно неупругий и абсолютно упругий.

Абсолютно неупругий удар характеризуется тем, что механическая энергия тел (сумма кинетической и потенциальной) полностью или частично превращается во внутреннюю энергию и энергию неупругой деформации тел.

При абсолютно упругом ударе механическая энергия тел не переходит в другие, немеханические виды энергии. Абсолютно упругий удар в природе не происходит. Следовательно, часть механической энергии всегда превращается во внутреннюю энергию - теплоту, и удар называется просто упругим.

В настоящей работе изучаются центральный упругий и неупругий удары металлических шаров. В этом случае скорости шаров перед ударом направлены вдоль прямой, соединяющей их геометрические центры.

Процесс соударения протекает следующим образом. За первую половину времени удара (при сближении центров шаров) происходит переход кинетической энергии ударяющего шара в общую потенциальную энергию упругой деформации, а за вторую половину времени удара (при удалении центров шаров) потенциальная энергия упругой деформации целиком переходит опять в кинетическую. Время, в течение которого происходит превращение кинетической энергии шара в потенциальную энергию упругой деформации, и наоборот, потенциальной энергии в кинетическую, называется временем соударения шаров.

Время соударения шаров мало. Тогда систему соударяющихся шаров можно считать изолированной, в которой выполняются законы сохранения импульса и энергии.

До столкновения ударяющий шар имел скорость V0. а ударяемый покоился, и его скорость V=0. После упругого соударения шаров скорость первого шара будет Vх, а второго V2

Запишем закон сохранения импульса

где - импульс первого шара до удара,

- импульсы шаров после удара.

Отсюда:

   (1)

где  - массы шаров.

Закон сохранения энергии в процессе удара выразится формулой

     (2)

где: Kо - кинетическая энергия ударяющего шара перед столкновением;

и - энергия шаров после столкновения;

- теплота, выделяемая в процессе удара.

Решив уравнение (2), можно вычислить теплоту, выделяемую при ударе:

или

    (3)

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Внешний вид лабораторной установки представлен на рис. 1.

Рис. 1

Лабораторная установка состоит из корпуса 1, на котором закреплен штатив 2. К штативу на тонких нерастяжимых нитях 3 длиной / подвешены металлические шары 4 (т^, я?з или я?4) и 5 массами (пь)- На лицевой панели корпуса имеются кнопки «ВКЛ» и «ПУСК» для управления электромагнитом. Характеристики установки приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

, кг

, кг

, кг

, кг

0.105

0.105

0,172

0.192

На корпусе установлен электромагнит 6 так, что его ось проходит через центр тяжести шара 5. На штативе 2 закреплен транспортир 7, в котором имеются правая и левая шкалы. Нити 3 выполняют роль указателей при определении их углов отклонения от вертикали. В исходном положении нити обоих шаров строго вертикальны и пересекают шкалы в нулевом делении. При этом шары 4 и 5 касаются друг друга.

Подготовка у с та но в к и к работе

Включить вилку в сеть и нажать кнопку «ВКЛ», загорится индикатор в правой части прибора. Взять шар 5 рукой и поднести его к сердечнику электромагнита 6. Электромагнит захватывает и удерживает шар 5. Нить отклоняется от вертикали на угол а, который отсчитываете» по правой шкале транспортира 7. Если шар 4 при этом качается, следует остановить его рукой.

Чтобы освободить шар 5, нужно нажать кнопку «ПУСК», электромагнит отключится. Освободившись, шар 5 двигается вниз и ударяет по шару 4. В результате центрального удара шары расходятся, при этом нити отклоняются на углы и от вертикали. В какой-то момент времени шары останавливаются, в этот момент надо измерить углы и , которые отсчитываются по правой и левой шкалам транспортира 7.

Меняя шары, можно исследовать центральный упругий удар шаров одинаковой и различной массы, а добавляя к шарам пластилиновую проставку, - и неупругий удар шаров. Для повышения точности рекомендуется продублировать каждый опыт не менее 5 раз.


МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Методика эксперимента заключается в организации центрального упругого и неупругого соударения шаров, экспериментальном определении скоростей шаров до и после удара, расчете и сравнении суммарного импульса шаров до и после соударения.

В идеальном эксперименте закон сохранения импульса в проекции на горизонтальную ось имеет следующий вид:

   (5)

где - импульс первого шара до удара;

- импульс шара 5 после удара;

- импульс шара 4 после удара.

В реальном эксперименте за счет погрешностей измерений и потерь энергии равенство не выполняется. Абсолютную погрешность эксперимента найдем по формуле

   (6)

Относительная погрешность вычисляется по формуле

   (7)

Для определения импульса шаров требуется знать их скорости до и после соударения. Экспериментальное определение скоростей связано с некоторыми трудностями метрологического плана. Более просто можно определить скорости шаров расчетным путем на основе закона сохранения энергии. Будем рассматривать систему, состоящую из шара 4 или 5 и Земли, как изолированную, в которой действуют только консервативные силы.   

Механическая энергия шара складывается из кинетической К и потенциальной П и в любой точке траектории остается постоянной. В состоянии готовности шар 5, захваченный электромагнитом, поднят на некоторую высоту Л по отношению к исходному положению (рис. 2). Шар массой обладает потенциальной энергией, рассчитываемой по формуле

 (8)

Высота h связана с длиной l нити и углом а ее отклонения от вертикали соотношением

h = (9)

Под действием силы тяжести шар 5 будет опускаться вниз, двигаясь по дуге окружности радиусом /. При этом его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая - растет. Кинетическая энергия шара   

В нижней точке траектории потенциальная энергия переходит в кинетическую:

  (11)

Шар 5 ударяет по неподвижному шару 4, имея скорость , которую найдем по формуле

   (12)

В результате соударения шары отскакивают друг от друга, имея начальные скорости , и (рис. 3), и спустя некоторое время останавливаются. При этом нити отклоняются на углы и от вертикали. Начальные скорости шаров и углы отклонения нитей также связаны законом сохранения энергии. Скорость шара 4 после соударения определим по формуле

   (13)

Скорость шара 5 после соударения найдем по формуле

   (14)

Подсчитаем импульс шара 5 до удара по формуле:

     (15)

Импульс шара 5 после удара определим по формуле

     (16)

Подсчитаем импульс шара 4 после удара по формуле

     (17)

Таким образом, измеряя длину нитей и углы отклонения нитей до и после соударения шаров по формулам (12)-(14) и (15)-(17), можно подсчитать скорости и импульсы шаров, а также абсолютную и относительную погрешности эксперимента. Если относительная погрешность не превышает 5%, можно считать, что закон сохранения импульса выполняется.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1 . Упругий удар шаров одинаковой массы

1. Подвесить на установке шары 4 и 5 одинаковой массой и

2. Измерить длину нити l от точки подвеса до центра шаров, занести полученные данные в табл. 2.

3. Зафиксировать шар 5 электромагнитом, измерить угол а, образованный нитью с вертикалью. Записать значение угла в табл. 2.

4. Нажать кнопку «ПУСК» и привести шар 5 в движение. После соударения шаров измерить углы и , на которые отклоняются нити шаров 5 И 4. Значение углов записать в табл. 2. Повторить опыт 5 раз.

5. Подсчитать средние значения углов . Записать в табл. 2.

6. По этим значениям подсчитать скорости шаров

7. Подсчитать но формулам (15)-( 17).значения импульсов шаров: - до удара, и - после удара. Записать в табл. 2.

8. Подсчитать абсолютную и относительную ошибку эксперимента по формулам (6) и (7). Оценить полученные значения. Все данные записать в табл. 2.

Задание 2. Упругий удар шаров различной массы

1. Подвесить на установке шары 4 массой и 5 массой

2. Измерить длину нити l занести полученные данные в табл. 3.

3. Зафиксировать шар 5 электромагнитом, измерить угол , образованный нитью с вертикалью. Записать значение угла в табл. 3.

4. Нажать кнопку «ПУСК» и привести шар 5 в движение. После соударения шаров измерить утлы и , на которые отклоняются нити шаров 5 и 4. Значение углов записать в табл. 3. Повторить опыт 5 раз.

5. Подсчитать средние значения углов , и . Записать в табл. 3.

6. Подсчитать скорости шаров по формулам (12)-(14). Подсчитать по формулам (13)-(17) значения импульсов шаров:- до удара, и - после удара.. Записать в табл. 3.

7. Подсчитать абсолютную Ар и относительную б ошибку эксперимента по формулам (6) и (7). Все данные записать в табл. 3.

Задание 3. Неупругий удар шаров одинаковой массы

1. Подвесить на установке шары 4 и 5 одинаковой массой и . На шаре 4 в точке касания его с шаром 5 прилепить маленький пластилиновый шарик.

2. Измерить длину нити l. занести полученные данные в табл. 4.

3. Зафиксировать шар 5 электромагнитом, измерить угол , образованный нитью с вертикалью. Записать значение угла в табл. 4.

4. Нажать кнопку «ПУСК» и привести шар 5 в движение. После соударения шаров измерить утлы и , на которые отклоняются нити шаров 5 и 4. Значение углов записать в табл. 4. Повторить опыт 5 раз.

5. Подсчитать средние значения углов , и . Записать в табл. 4.

6. Подсчитать скорости и значения импульсов шаров: - до удара, и - после удара. Записать в табл.

7. Подсчитать абсолютную и относительную ошибку эксперимента по формулам (6) и (7). Все данные записать в табл. 4.

8. Выключить установку.

Задание 4 Выполнение лабораторной работы на компьютере.

1. Нажмите клавишу «Enter», после чего в режиме меню с помощью «мыши», нажав на ее левую кнопку, выберите задание №1.

2. В поля ввода введите из заданных интервалов начальные данные: массу обоих шаров, длину нити от точки подвеса до центра шаров, угол отклонения нити

3. Приведите систему в движение, нажав дважды па кнопку «Пуск», при этом величины углов, полученные после соударения шаров, занесите в табл. 2. Опыт проделать три раза.

4. Чтобы выйти в меню, нажмите кнопку «Выход». Выберите задание .№ 2.

5. Введите начальные данные: массу большего и меньшего шаров, длину и угол отклонения нити.

6. Нажмите кнопку «Пуск». При этом система придет в движение. Полученные углы отклонения занесите в табл. 3.

7. Повторите п.4 и выберите задание №3.

8. Для изучения неупругого удара введите массу обоих шаров, длину нити и угол отклонения нити.

9. Приведите установку в начальное положение и запустите систему двойным нажатием кнопки «Пуск». Опыт проделайте три раза, результаты вычисленных углов внесите в табл. 4.

10. По полученным результатам рассчитайте скорость г, импульс шара р, энергию П, К, определите потери энергии при упругом и неупругом ударах и внесите результаты вычислений в соответствующие табл. 2, 3 и 4.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Результаты экспериментов представлены в табл. 2-4.

Таблица 2

L ,м

, %

, кгм/с

, м/с

, кгм/с

, м/с

, кгм/с

1

2

3

4

5

Таблица 3

L ,м

, %

, кгм/с

, м/с

, кгм/с

, м/с

, кгм/с

1

2

3

4

5

Таблица 4

L ,м

, %

, кгм/с

, м/с

, кгм/с

, м/с

, кгм/с

1

2

3

4

5

Выводы:

1.

2.

3.

Контрольные вопросы

1. Какие виды ударов существуют в природе?

2. Что называется абсолютно упругим ударом?

3. Какое столкновение называется абсолютно неупругим ударом?

4. Что называется импульсом тела? Единицы его измерения.

5. Что называется импульсом силы? Единицы его измерения.

6. Что представляет собой время соударения шаров?

7. Закон сохранения импульса тела и возможности его экспериментальной проверки.

8. Сформулируйте закон сохранения энергии при упругом ударе.

9. Сформулируйте закон сохранения энергии при неупругом ударе.

10. Объясните причины перехода механической энергии в тепловую.

11. Вычислить потерн механической энергии при неупругом ударе.

12. Приведите примеры использования понятия удара в науке и технике.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Детлаф A.A., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989.

2. Лабораторный практикум по физике: Учебное пособие для студентов втузов /Под ред. К.А. Барсукова и Ю.И.Уханова. - М: Высшая школа, 1988.

3. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 2000.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30618. Суть художественного тв-ва В. Кандинского (по книге «Духовное в искусстве») 76 KB
  Действие цвета. Скольжение нашего взора по покрытой красками палитре приводит к двум главным результатам: осуществляется чиста физическое воздействие цвета когда глаз очарован его красотой и другими его свойствами. При низкой душевной восприимчивости цвет может вызвать лишь поверхностное действие которое исчезает вскоре после того как прекратилось раздражение. Глаз становитсябеспокойным не выдерживает долго вида этого цвета и ищет углубления и покоя всинем или зеленом.
30619. Архитип и символ в творческой деятельности по Ницше «О музыке и слове» 30 KB
  Архитип и символ в творческой деятельности по Ницше О музыке и слове ФРИДРИХ НИЦШЕ предлагает поставить язык и соответственно слово в категорию физической символики. В разных языках слово и предмет не совпадают вполне = слово есть символ. Слово символизирует представления. Так происходит потому что слово символ не может соответствовать той внутренней сущности отражением которой являемся мы сами вместе с миром.
30620. Структура худ.творчества 43 KB
  ОТ ФАКТА К ДОКУМЕНТАЛЬНОМУ ОБРАЗУ В ХУДОЖЕСТВЕННОПУБЛИЦИСТИЧЕСКИХ ЖАНРАХ обозрение очерк фельетон памфлет Этой группе публицистики свойственны образность типизация насыщенность литературнохудожественными изобразительными средствами сплав понятия и образа. В основе художественнопублицистических жанров лежат документальные факты но определяющим становится авторское впечатление от факта авторская мысль. Типизация используется в художественнопублицистических жанрах с целью выявления типических черт характеристик и свойств...
30621. Мыслительная и творческая деятельность журналиста 28.5 KB
  Мыслительная и творческая деятельность журналиста Проблемная ситуация воспроизводится человеком как некая задача требующая решения. Всякую умственную деятельность можно назвать творческой. Творческая деятельность – та которая дает новый общественно значимый материал. С этой точки зрения журналистика может быть творческой мыслительной деятельностью.
30622. Народная сказка и мир в детском чтении 64 KB
  Современные исследователи, как правило, говорят о разрыве фольклорной сказки с мифом, аргументируя этот вывод свободой интерпретации в авторских текстах мифологических элементов и традиций. С кризисом мифологического мировоззрения связывали становление...
30623. Психология творчества 14.47 KB
  Современная психология делит людей творческого склада на два типа:Дивергент от латинского дивергере обнаруживать расхождение: способны к широкому спектру творческой деятельности легко устанавливают отдаленные связи между несоединимыми и несопоставимыми понятиями и явлениями; ориентированы на деятельность требующую богатого воображения оригинального подхода к проблеме своеобразного восприятия ситуации и выраженной индивидуальности; могут настойчиво выступать против общепринятых суждений ставших штампом; отличаются...
30624. План анализа поэтического текста 15.82 KB
  Жанр стихотворения: элегия ода стансы лирическое стихотворение фрагмент послание сонет и другие. Построение стихотворения связано с логикой развития поэтической мысли от начала к финалу делением на строфы или отсутствием такового взаимоотношением и связью смысловых частей произведения если они выделяются в тексте. Важно не столько найти троп или фигуру в тексте сколько определить их роль в создании того или иного образа воплощении темы или идеи стихотворения.
30625. Герои и проблематика сатиры М.Е. Салтыкова-Щедрина в романе «История одного города» 14.99 KB
  СалтыковаЩедрина в романе История одного города М. СалтыковаЩедрина по праву считается История одного города которую он начал писать в 1868 году а закончил в 1870 году.Цензура и некоторые критики поняли Историю одного города как сатиру относящуюся исключительно к прошлому России и главным образом к 18му веку.Главный герой Истории одного города народ обобщенный образ которого раскрывается из главы в главу все шире.
30626. Герои и сюжет баллады В.А. Жуковского «Светлана» 20.15 KB
  Жуковского Светлана В. Светлана самое знаменитое произведение Жуковского это переводпереложение баллады немецкого поэта Бюргера Леонора. Однако Светлана произведение радостное несмотря на присутствие в нем загробной жизни. Светлана молится о том чтобы вернулся ее возлюбленный в полночь во время гадания жених неожиданно появляется и зовет Светлану венчаться.