50402

Определение скорости пули при помощи крутильного баллистического маятника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение принципа работы баллистического маятника и закона сохранения момента импульса; экспериментальная проверка зависимостей между физическими величинами характеризующими крутильные колебания; экспериментальное определение постоянной упругих сил кручения и момента инерции баллистического маятника; определение коэффициента затухания крутильных колебаний. экспериментальное определение с помощью баллистического маятника скорости пули Приборы и принадлежности: баллистический маятник ГРМ02 со счётчиком периодов...

Русский

2014-01-21

279 KB

42 чел.

Министерство Образования Республики Беларусь

Брестский Государственный Технический Университет

Кафедра Физики

Лабораторная работа M-4

по Физике

Тема: «Определение скорости пули при помощи

             крутильного баллистического маятника».

Выполнил:

студент группы АС-20

Колчеданцев Максим Николаевич

_____________________

Проверил(а):

_____________________

Брест 2004г.


Цель работы
:

  •  изучение принципа работы баллистического маятника и закона сохранения момента импульса;
  •  экспериментальная проверка зависимостей между физическими величинами, характеризующими крутильные колебания;
  •  экспериментальное определение постоянной упругих сил кручения и момента инерции баллистического маятника;
  •  определение коэффициента затухания крутильных колебаний.
  •  экспериментальное определение с помощью баллистического маятника скорости пули

Приборы и принадлежности:

баллистический маятник ГРМ-02 со счётчиком периодов, миллисекундомером и стреляющим устройством.

Ход работы:

Первая теоретическая модель.

(Считается, что удар пули о баллистический маятник является абсолютно упругим. Смещением центра масс относительно оси в процессе соударения и, как следствие этого, упругими колебаниями маятника, то есть перераспределением энергии между крутильными и упругими колебаниями, пренебрегаем. Крутильные колебания считаем не затухающими.)

Задание 1. Определение собственного момента инерции баллистического маятника и постоянной упругих сил кручения.

В первой теоретической модели экспериментальной ситуации пренебрежём силами вязкого трения. В этом случае основное уравнение динамики вращательного движения описывающее вращательное движение баллистического маятника, примет вид:

где I-момент инерции баллистического маятника, угловое ускорение, угловая скорость, а момент сил без учёта вязкого трения будет равен моменту упругих сил деформации кручения:

, где постоянная упругих сил кручения, угол отклонения маятника от положения равновесия. Учитывая, что угловое ускорение является второй производной по времени от угла, основное уравнение вращательного движения можно переписать в виде:

.

Таким образом, движение баллистического маятника можно описать дифференциальным уравнением второго порядка:

.

Решением уравнений типа: , является функция, имеющая вид: , которая описывает гармонические колебания, где амплитуда – A и начальная фаза -  определяются начальными условиями, а  - циклическая частота колебаний, которая определяется конструкцией маятника, и связана с периодом следующим образом: .

В нашем случае циклическая частота определяется выражением . Для нахождения постоянной сил кручения и момента инерции отклоним баллистический маятник от положения равновесия на угол  и пронаблюдаем его свободные колебания. В такой ситуации , а решение дифференциального уравнения примет вид:

,

где период колебаний крутильного маятника будет равен:

.

Согласно теореме Штейнера-Гюйгенса момент инерции тела относительно оси вращения будет равен:

,

где момент инерции станины и ложечки маятника; собственный момент инерции груза; масса груза; расстояние от центра груза до оси вращения. Момент инерции баллистического маятника можно представить в виде:

,

где . Таким образом  (1.1).

В этом уравнении две неизвестные величины: постоянная упругих сил  и . Поэтому для их определения достаточно провести два измерения периодов колебаний  для различных значений положения подвижных грузов . В этом случае, решая систему уравнений

,

получим выражения для определения  и :

 (1.2), (1.3).

Следовательно, измерим с помощью баллистического маятника ГРМ-02 периоды колебаний  как среднее за 10 колебаний при различных положениях  и запишем всё в таблицу:

N

Ri(см)

T1(с)

T2(с)

T3(с)

<Ti>(c)

<Ti>2(c)

Ri2(см)

1

4

1,2485

1,2487

1,2489

1,2487

1,5593

16

2

5

1,3509

1,3511

1,3504

1,3508

1,8247

25

3

6

1,4657

1,4649

1,4648

1,4651

2,1466

36

4

7

1,6056

1,6056

1,6062

1,6058

2,5785

49

5

8

1,7190

1,7209

1,7197

1,7199

2,9580

64

6

9

1,8623

1,8632

1,8632

1,8629

3,4704

81

Рассчитаем численное значение  и  по формулам (1.2) и (1.3), исходя из значений с порядковыми номерами (1) (3) и зная массу кг:

Задание 2. Определение собственного момента инерции баллистического маятника и коэффициента упругих сил кручения методом наименьших квадратов.

Представим формулу (1.1) в следующем виде:

 (2.1).

Обозначим:     

Тогда уравнение (1.9) примет линейный вид:

Для определения  и упругой постоянной вращения  достаточно определить коэффициенты  и . Для этого обработаем экспериментальные данные методом наименьших квадратов.

где n – число измерений. Выразим отсюда  и :

 (2.2)  (2.3), где

,

Согласно компьютерным расчётам получили:  и .

Следовательно, конечное уравнение примет вид: . Построим данную прямую в системе координат (X,Y), предварительно расположив экспериментальные результаты из таблицы в той же системе отсчёта, и оценим соответствие предлагаемой теоретической модели экспериментальной ситуации (насколько хорошо ложатся экспериментальные точки на прямую) (см. график).

Найдём погрешности определения коэффициентов  и :

Согласно компьютерным вычислениям,

Использую найденные значения  и , вычислим значения момента инерции баллистического маятника и коэффициент упругих сил:

Найдём погрешности определения коэффициентов  и :

Вычислим значение :

, где погрешность измерения  в i-том опыте. Так как , то

, а относительная погрешность измерения в данной установке  

. Тогда . Согласно компьютерным расчётам ;

Находим число степеней свободы n=6-(2+1)=3

 n=3

50%    -        =2,4

20%    -        =4,6

Следовательно:

(50-P)%    -        Δ=2,4-3,57

(20-P)%    -        Δ=4,6-3,57

Решая последнюю систему, находим:

 P= 34.04%

Таким образом, мы замечаем, что значения находимых величин в 1 и во 2 заданиях практически совпали. Следовательно, расчёты в первом задании можно считать корректными.

Задание 3. Определение скорости пули

Зарядим стреляющее устройство и, установив подвижные грузы на одном расстоянии R=4(см), произвели несколько выстрелов (n=3), измерив при этом максимальное отклонение баллистического маятника  и расстояние от оси вращения до центра масс пули  . Все измерения занесли в таблицу:

N

1

12

12

2

12

11,9

3

12

12,1

При попадании пули в мишень с пластилином, баллистический маятник выходит из положения равновесия и совершает колебания вокруг своей оси. При этом считается, что скорость пули в момент соударения перпендикулярна оси и плечу маятника. Если это условие не соблюдается, то кроме вращательных будут также возбуждаться и колебательные степени свободы маятника, то есть ось маятника начнёт совершать колебания.

Так как скорость пули перпендикулярна плоскости мишени, то момент импульса пули равен:

,

где расстояние от оси вращения маятника до точки удара пули, масса пули, её скорость.

Момент импульса системы после соударения определяется выражением:  , где момент инерции системы после удара пули, равный , моменту инерции маятника с пулей, угловая скорость системы.

Удар можно считать абсолютно неупругим, так как при соударении с мишенью пуля застревает в пластилине, то есть скорости мишени и пули после соударения  одинаковы. В этом случае закон сохранения момента импульса примет вид:

.(3.1)

Таким образом, после соударения баллистический маятник будет вращаться с угловой скоростью . При движении маятника на него будет действовать момент силы, вызванный деформацией кручения стальной проволоки подвеса маятника, который равен , где постоянная сил кручения, угол отклонения маятника от положения равновесия. Поэтому в момент соударения угловая скорость будет максимальной.

Работа сил упругости при отклонении маятника от положения равновесия на угол будет равна:

Так работа отрицательна, то потенциальная энергия маятника возросла на величину, равную работе, но противоположную по знаку, т.е.:

.

При отклонении маятника на максимальный угол вся энергия вращательного движения, которая равна , переходит в потенциальную энергию. Таким образом, закон сохранения энергии мы можем записать в виде:

,(3.2)

где максимальный угол поворота маятника.

Используя формулы.(3.1) и (3.2), получаем:

.

То есть, скорость пули до столкновения с баллистическим маятником будет определяться выражением:

Вывод: В результате работы мы изучили принцип работы баллистического маятника и закон сохранения момента импульса, экспериментально проверили зависимости между физическими величинами, характеризующими крутильные колебания.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76618. Основные направления народничества 33 KB
  езавершенность и половинчатость большинства реформ, проводившихся в борьбе с консерваторами, вызвали всплеск движения революционного народничества. Общество «Земля и воля», созданное Чернышевским, Слепцовым, Обручевым, Серно-Соловьевичем в конце 1861- начале 1862 г. в Петербурге не имело достаточно сил, чтобы стать всероссийской организацией
76619. Распространение марксизма в России 34 KB
  Первые организации пролетариата возникли в Петербурге и Одессе и назывались соответственно Северный союз русских рабочих и Южнороссийский союз рабочих. Оба императора и мысли не допускали чтобы разрешить образование профсоюзов или других даже не политических рабочих организаций. В результате по решению правительства трудовые споры должны были улаживать специальные чиновники фабричные инспектора которые разумеется чаще находились под влиянием предпринимателей нежели заботились об интересах рабочих. со своими соратниками он создал в...
76620. Россия и мир на рубеже XIX-XX веках 45 KB
  Приблизительное представление об историческом месте России в мировом сообществе на рубеже веков дает т. В России же промышленный переворот 90е гг. В России действовала хотя и не повсеместно рыночная система превосходящая западную ее средний уровень по своей динамике. объем промышленной продукции в России возрос в 7 раз в Германии в 5 во Франции в 25 в Англии в 2 раза.
76621. Первая Российская революция 1905-1907 годах 37.5 KB
  Царизм объявил об учреждении законосовещательной Государственной Думы Булыгинской по имени министра внутренних дел А. Не останавливая предназначенных выборов в Государственную думу привлечь теперь же к участию в Думе в мере возможности соответствующей кратности остающегося до созыва Думы срока те классы населения которые ныне совсем лишены избирательных прав предоставив за сим дальнейшее развитие начала общего избирательною права вновь установленному законодательному порядку и 3. Установить как незыблемое правило чтобы никакой...
76622. Политическое и экономическое развитие после первой революции 36 KB
  Столыпина ставшего в день роспуска Первой Государственной Думы Председателем Совета Министров. Председателем Думы являлся кадет Ф. Председателями III Государственной Думы являлись Н. Были отклонены законопроекты о расширении бюджетных прав Думы введении земских учреждений в западных губерниях местного самоуправления о старообрядческих общинах об усовершенствовании судопроизводства и др.
76623. Россия в первой мировой войне 27.5 KB
  Между Австрией и Сербией разгорелся международный конфликт в котором Россия стала поддерживать Сербию а Германия приняла сторону Австро-Венгрии. Германия объявила войну России как ответный шаг на начавшуюся мобилизацию российских войск. Германия сконцентрировав основные силы на Восточном фронте провела весенне-летнее наступление в результате которого Россия потеряла все завоевания 1914 г.
76624. Февральская буржуазно-демократическая революция 31 KB
  Поскольку революция 1905-1907 гг. не решила экономических, политических и классовых противоречий в стране, то она явилась предпосылкой февральской революции 1917 года. Участие царской России в первой мировой войне показало неспособность ее экономики на выполнение военных задач.
76625. Октябрь 1917 г. Установление власти большевиков 37.5 KB
  Установление власти большевиков Причины октябрьской революции 1917 года: усталость от войны; промышленность и сельское хозяйство страны оказались на грани полного развала; катастрофический финансовый кризис; нерешенность аграрного вопроса и обнищание крестьян; оттягивание социальноэкономических реформ; противоречия Двоевластия стали предпосылкой для смены власти. Двоевластие окончилось победой буржуазии. Главной целью октябрьской революции было завоевание власти Советами. ВРК объявил о свержении Временного правительства и передаче...
76626. Гражданская война в России. «Военный Коммунизм» 38.5 KB
  Официально началом войны считаются бои в Петрограде ставшие началом Октябрьской революции то есть октябрь 1917 г. Есть также версии относящие начало войны к началу Февральской революции 1917 г. По поводу окончания войны также нет единодушного мнения: одни ученые и их большинство считают концом войны взятие Владивостока то есть октябрь 1922 г. Причины войны.