4126

Вивчення вільних затухаючих коливань пружинного маятника

Лабораторная работа

Физика

Вивчення вільних затухаючих коливань пружинного маятника Мета роботи Вивчити вільні затухаючі коливання пружинного маятника, визначити параметри коливальної системи та характеристики коливань (жорсткість пружини, коефіцієнт опору, період коливань, л...

Украинкский

2012-11-13

103.5 KB

38 чел.

Вивчення вільних затухаючих коливань пружинного маятника

Мета роботи

Вивчити вільні затухаючі коливання пружинного маятника, визначити параметри коливальної системи та характеристики коливань (жорсткість пружини, коефіцієнт опору, період коливань, логарифмічний декремент, коефіцієнт затухання), а також дослідити їх залежність від маси маятника.

2. Теоретичні відомості.

Пружинним маятником називають систему, яка складається з невеликого тіла масою m, підвішеного на вертикальній пружині жорсткістю k, другий кінець якої закріплений. Масою пружини нехтують (рис. 1).

В положенні рівноваги (x =0) сила тяжіння, що діє на кульку врівноважується силою пружності:

,                                                    (1)

де  - видовження пружини в стані рівноваги.

Рис. 1.

При зміщенні тіла від положення рівноваги сила пружності буде більшою або меншою за силу тяжіння і їхня рівнодійна F буде направлена до положення рівноваги, а її модуль дорівнюватиме:

                                                 (2)

За законом Гука:

,                                              (3)

де x – зміщення системи від положення рівноваги,  - величина деформації пружини, знак “-” свідчить про те, що сила пружності за напрямком протилежна до деформації.

Підставимо у формулу (2) вирази (3) та (1) і отримаємо:

                        (4)

Рівнодійна сил пружності і тяжіння пропорційна зміщенню x і направлена до положення рівноваги, тобто є повертаючою силою, під дією якої в системі відбуваються вільні коливання.

Крім повертаючої сили F на систему діє сила опору середовища, в якому вона перебуває.

,                                                     (5)

де r – коефіцієнт опору,  – швидкість системи. Знак “-” свідчить про те, що сила опору направлена проти швидкості.

Запишемо закон динаміки для руху тіла:

                                                  (6)

Підставимо в це рівняння вираз для швидкості та прискорення та отримаємо:

Поділимо рівняння на m і введемо позначення:

                                                       (7)

,                                                        (8)

де r, m, k – параметри пружинного маятника.

Тоді остаточно диференціальне рівняння затухаючих коливань матиме вигляд:

.                                              (9)

Розв’язком цього рівняння є функція:

.                                          (10)

Вільні коливання пружинного маятника є затухаючими з амплітудою ,та частотою ; де - власна частота коливань пружинного маятника.

За формулою зв’язку між періодом та частотою отримаємо вираз для періоду коливань пружинного маятника:

.                                          (11)

Логарифмічний декремент затухання, який характеризує зменшення амплітуди за період коливань, дорівнює:

.          (12)

З рівнянь (7), (11), (12) видно, що коефіцієнт затухання, період, логарифмічний декремент затухання залежать від параметрів системи.

3. Методика вимірювання.

Методика виконання даної роботи полягає в тому, що за виміряним значенням амплітуди коливань А0 в початковий момент часу та амплітуди Аn через час t, за який відбулось n коливань, визначається період коливань T, коефіцієнт затухання β та логарифмічний декремент затухання δ за формулами:

,                                                       (13)

,                                                      (14)

,                                               (15)

Для визначення жорсткості пружини використовується додатковий тягарець масою М, який додається до тіла, підвішеного на пружині, і призводить до її додаткового видовження .

Тоді за умови рівноваги:

розкриємо дужки і отримаємо:

.

Враховуючи вираз (1) остаточно отримаємо формулу для розрахунку жорсткості пружини:

.                                                   (16)

Коефіцієнт опору r згідно виразу (7):

.                                               (17)

4. Порядок виконання роботи.

  1.  Відтягнути підвішене на пружині тіло від положення рівноваги і відпустити.
  2.  Пропустити 1-2 повних коливань та виміряти по шкалі початкову амплітуду коливань А0, увімкнувши одночасно секундомір. Результат записати в таблицю 1.
  3.  Відрахувати 20-30 повних коливань і виміряти амплітуду коливань Аn та час, за який відбулися ці коливання. Результати записати в таблицю 1.
  4.  Всі вимірювання провести три рази і визначити середні значення виміряних величин.
  5.  За середніми значеннями  визначити період коливань, коефіцієнт затухання, логарифмічний декремент затухання, коефіцієнт опору середовища за формулами (13-15, 17). Результати записати в таблицю 2.
  6.  Після припинення коливань додати до тіла масою m тягарець масою M і визначити додаткове видовження пружини . За формулою (16) визначити коефіцієнт жорсткості пружини k. Результати записати в таблицю 2.
  7.  Відтягнути тіло з додатковим вантажем від положення рівноваги і відпустити. Повторити пункти 2-5 і результати записати в таблицю 2.

Таблиця 1

А0, м

Аn, м

n

t, c

1

2

3

Середні значення


Таблиця 2

Маса тіла, кг

Т, с

δ

k,

r,

5. Контрольні запитання.

  1.  Що таке пружинний маятник?
  2.  Під дією яких сил відбуваються вільні затухаючі коливання пружинного маятника?
  3.  Записати диференціальне рівняння затухаючих коливань пружинного маятника та його розв’язок.
  4.  Який фізичний зміст мають і в яких одиницях вимірюються період коливань, коефіцієнт затухання та логарифмічний декремент затухання?
  5.  Назвіть параметри пружинного маятника та одиниці їх вимірювання.
  6.  Проаналізуйте залежність характеристик затухаючих коливань від параметрів пружинного маятника.

6. Прилади та обладнання.

Пружинний маятник із шкалою відліку, лінійка, секундомір, тягарець.

7. Література.

  1.  Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Київ, “Техніка”, 1999.-Т.1, §§10.2, 10.8.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики. М. “Наука”, 1982.-Т1, §§50, 58.

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Δl

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54238. Випадкові, неймовірні і достовірні події 103 KB
  Чи сподівались ви що сьогодняшній урок почнеться саме так Відповіді дітей Подія яка відбулась зараз була для вас неочікуваною Відповіді дітей У житті з нами відбуваються різін події: приємні і неприємні очікувані і неочікувані випадкові. Розглянемо приклад: Чи буде завтра іти сніг Відповіді дітей Тобто подія може відбутися а може і ні Випадкова подія це подія що при одних і тих же умовах може відбутися а може й не відбутися. Ще один...
54239. Раціональні числа 901 KB
  З двох відємних чисел більше те яке ближче до нуля або те яке стоїть правіше 4. Сумою двох відємних чисел є число відємне 5. Добуток двох обернених чисел дорівнює одиниці 6. Добуток двох чисел з різними знаками є число відємне 8.
54240. Повторення. Розвязування завдань на додавання і віднімання раціональних чисел 493.5 KB
  Налаштування дітей на роботу Мотивація навчальної діяльності 1 хвилина Учитель. Учні виставляють оцінки один одному у зошит олівцем зазначаючи вартість кожного завдання Учитель Наскільки ж добре ви підготовані до подорожі Давайте з вами зорієнтуємось у цьому разом. Відповідно до того у який колір буде пофарбовано клас учитель робить певні висновки і переходить до актуалізації опорних знань та навичок. Актуалізація опорних знань та навичок учнів 8 хвилин Учитель Скажіть мені будь ласка які ключові поняття математики...
54241. Координатна пряма. Протилежні числа. Модуль числа. Цілі числа 63.5 KB
  Протилежні числа. Модуль числа. Цілі числа Державна спеціалізована художня школаінтернат ІІІІ ступенів Колегіум мистецтв в Опішні Урок математики в 6 класі Тема уроку: Координатна пряма. Протилежні числа.
54242. Системы линейных уравнений с двумя переменными 286 KB
  Цель урока. Повторить, обобщить и систематизировать материал по теме «Системы линейных уравнений с двумя переменными». Развивать умение применять полученные знания на практике. Воспитать настойчивость, прилежания в работе и культуру устной и письменной математической речи.
54243. Розвязання рівнянь 314.5 KB
  Повторити уміння розвязувати лінійні рівняння використовуючи їх властивості. На уроці ми продовжимо розвязувати рівняння. Одночасно по три учні розвязують рівняння біля дошки. Розвяжіть рівняння 2 3.
54244. Винесення множника з-під знаку кореня. Перетворення виразів, які містять квадратні корні 147.5 KB
  Мета уроку: Повторити навчальний матеріал із теми Квадратні корені; Узагальнити і систематизувати знання учнів по використанню різних підходів до перебудови вираження яке містить квадратні корені; Формувати вміння логічно думати аналізувати й порівнювати одержані результати; Розвивати креатині та алгоритмічні здібності учнів; Виховувати вміння самостійно виконувати перебудову виразів із радикалами.192 №505 Творче креативне завдання: Побудовати...
54245. Что, где, когда, конкурс для школьников 49.5 KB
  У одного старика спросили сколько ему лет. Он ответил что ему 100 лет несколько месяцев и несколько дней но дней рождения у него было только 25. Чего стало больше молока в воде или воды в молоке практическая задача поровну стакана молока в воде и столько же воды в молоке Если бы завтрашний день был вчерашним то до воскресенья осталось бы столько дней сколько дней прошло от воскресенья до вчерашнего дня. Сколько задач сын решил правильно а сколько неправильно 13 правильно 7 неправильно 1312 710=86 составить систему...
54246. Розв’язування показникових рівнянь 714 KB
  Тема: Розвязування показникових рівнянь. Ми розглянули приклади задач із фізикибіологіїекономіки які зводяться до розвязання показникових рівнянь. Через який час після аварії кількість радіоактивних атомів цезія 137 зменшиться у 128 разів Розвязок Задача зводиться до розвязування показникового рівняння. Кобальт 60 поражає та сприяє розвитку рака печінки.