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

39174. ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕМЬИ И ШКОЛЫ 408 KB
  Это прежде всего падение жизненного уровня большинства семей решение проблем экономического а порой и физического выживания усилило социальную тенденцию самоустранения многих родителей от решения вопросов воспитания и личностного развития ребенка. Процесс взаимодействия семьи и школы направлен на активное включение родителей в учебновоспитательный процесс во внеурочную досуговую деятельность сотрудничество с детьми и педагогами. Это семьи где ребёнок живет в постоянных ссорах родителей где родители употребляют спиртные напитки и...
39175. Мектептерде музыка пәні арқылы халықтың тәрбие берудің мән-мағынасы 463.5 KB
  3 Музыка мен әдебиеттің байланысы 2 Тәжірибелік жұмыстағы әдістер 2.1 Музыкалық тәрбие берудің маңызы мен міндеттері 2.1 Музыкалық білім мен тәрбие берудің қалыптасуы мен дамуы 3.2 Музыка мектебінде білім мен тәрбие беру 3.
39176. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА ОРГАНИЗАЦИИ ДОСТАВКИ КОНТЕЙНЕРНЫХ ГРУЗОВ ООО «СИСТОКСЕВИС» 7.52 MB
  Виды доставок и технологические схемы перевозки Особенности транспортно-логистических систем различных видов транспорта и их взаимодействие Логистическая информация как стратегический ресурс транспортного потока. Транспортные компании ищут пути повышения доходов от своей деятельности что особенно актуально в условиях острой конкуренции на транспортном рынке и не...
39177. Разработка автоматизированной системы планирования закупок 2.59 MB
  Подсистема сбыта позволяет работать с потребителями позволяет учитывать продажи товаров. При этом многообразие его параметров технологических и объемнопланировочных решений конструкций оборудования и характеристик перерабатываемой номенклатуры товаров относит склад к сложным системам. Технологический процесс на складах основу которого составляют материальные потоки должен отвечать оптимальным параметрам по скорости процесса обеспечивать сохранность товаров и экономичность затрат. Нормативная оборачиваемость товаров зависит от задач...
39178. ТЕОРІЯ ПРОГРАМНИХ АЛГЕБР КОМПОЗИЦІЙНОГО ТИПУ ТА ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ 3.84 MB
  Перераховані стилі виділяють певний (звичайно, дуже важливий, але один з багатьох) аспект та уточнюють саме його. Так, у структурному програмуванні це каталогізація методів побудови програм, у функціональному – опис програм системами функціональних рівнянь, у логічному – визначення програм специфікаціями певних формальних мов, як правило, першого порядку, в об‘єктно-орієнтованому (модульному) – трактування розмаїтості даних
39179. ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ ПЕДАГОГА В СИСТЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ 1.06 MB
  Другой проблемой на сегодняшний день является тот факт, что большинство педагогов российских школ сами имеют достаточно низкий уровень информационной компетентности. Особенно эта проблема актуальна для сельских школ и тех мест, где внедрение современных телекоммуникационных и информационных технологий только началось. Нередки ситуации, когда в школе уже появилась современная вычислительная техника, но используются она только в качестве печатной машинки с расширенными возможностями, так как учителя не обладают достаточными навыками и умениями для того, чтобы использовать эту технику в образовательном процессе.
39181. Проблемы и перспективы привлечения банковских ресурсов в условиях посткризисного развития экономики Республики Казахстан 1.21 MB
  1 Экономическое содержание банковских ресурсов1.2 Собственный капитал и его роль в формировании банковских ресурсов1.3 Формы привлечения ресурсов банками их модификация в условиях усиления конкуренции на финансовом рынке2 Анализ формирования ресурсов банков второго уровня Республики Казахстан в условиях современного мирового финансового кризиса 2.