50416

Определение моментов инерции твёрдых тел и проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера

Лабораторная работа

Физика

Поскольку стержень представляет собой цилиндр и ось, относительно которой поворачивается при колебаниях стержень проходит через его центр масс перпендикулярно оси симметрии цилиндра, теоретическое выражение для момента инерции стержня имеет вид...

Русский

2014-01-23

176.5 KB

9 чел.

Цель работы: Определение моментов инерции твёрдых тел и проверка теоремы

                           Гюйгенса-Штейнера.

Приборы и принадлежности: 1) Крутильный маятник. 2) Набор тел.

mэт

mстержня

mгруза(каждого)

Задание 1.   Определение момента инерции длинного стержня.

1. Найти период Т0 колебаний рамки без закрепленных в ней тел.

 

1 опыт

12.810

2 опыт

12.833

3 опыт

12.834

 ср. зн.

12.826

                             

2. Закрепите в рамке эталонный куб в центрах противоположных граней и найдите период

Тэт1 колебаний системы. Повторите измерения для остальных двух пар противоположных граней, найдя Тэт2, Тэт3. Усредняя найденные значения, найдите период Тэт колебаний рамки с закрепленным в ней эталонным кубом.

1 опыт

16.056

2 опыт

16.055

3 опыт

16.060

 ср. зн.

16.057

                                   

1 опыт

16.074

2 опыт

16.073

3 опыт

16.072

 ср. зн.

16.073

                             

1 опыт

16.081

2 опыт

16.087

3 опыт

16.086

 ср. зн.

16.085

           

                            

3. Найдите момент инерции эталонного куба по формуле:     где mэт -  из таблицы,        а - сторона куба.

a=0.05 м

4. Закрепите в рамке длинный стержень так, чтобы ось колебаний проходила через его центр. Найдите период Т колебаний рамки со стержнем.

Убедитесь, что период Т практически не зависит от угла между плоскостью рамки и стержнем. Если эта зависимость присутствует, следует более аккуратно крепить стержень в рамке, соблюдая перпендикулярность стержня к оси колебаний и повторить измерение Т.

1 опыт

22.580

2 опыт

22.584

3 опыт

22.586

 ср. зн.

22.583

5. По формуле (I) найдите момент инерции Iст и рассчитайте погрешность его определения стандартным образом.

              (1)           

6. Поскольку стержень представляет собой цилиндр и ось, относительно которой поворачивается при колебаниях стержень проходит через его центр масс  перпендикулярно оси симметрии цилиндра, теоретическое выражение для момента инерции стержня имеет вид:     (2)

D=0.014м

L=0.24м                                             

Сравните результаты вычислений по формуле (2) с результатом п.5, найдя Iст Iст  теорет.

Iст  - Iст теорет. = 0.001473 – 0.001499= - 0.000026

7. Если стержень считать пренебрежимо тонким, то теоретическое выражение для его момента инерции имеет для той же оси вид:  

         (3)

Какое из двух значений (2) или (3) лучше согласуется с экспериментальным значением п. 5?

Значение, полученное по формуле (2), находится  ближе к значению, полученному экспериментальным путём, чем полученное значение по формуле (3).

Задание 2. Проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера.

В работе теорема проверяется для одного из тел стандартной формы из набора, прилагаемого, к установке , (цилиндра, параллелепипеда, шара, конуса).

Выбор тела и его ориентацию относительно оси колебаний определяет преподаватель.

 Ориентация тела относительно оси колебаний определяет в последующем выбор той или иной теоретической формулы для расчета момента инерции.

I. Прикрепите к стержню, закрепленному в рамке после задания I, симметрично два одинаковых тела   с помощью штырьков, имеющихся на этих телах, и ввинчивающихся в отверстия на  стержне. Вначале используйте ближайшие к центру стержня отверстия - они находятся на расстоянии   d1= 4,5 см от центра.  Определите размеры тела, сделайте чертёж тела, на котором укажите ось, вокруг которой совершаются крутильные колебания.

2. Найдите период колебаний конструкции из стержня и двух тел, а затем по формуле (I) ее момент инерции   Iсист1. Момент инерции одного тела относительно оси колебаний равен, очевидно

1 опыт

25.742

2 опыт

25.741

3 опыт

25.745

 ср. зн.

25.743

              

=

3. Повторите измерения и вычисления п.2, прикрепив тела на расстоянии d2=б см от центра, стержня (расстояние между отверстиями в стержне равно 1.5 см)  к найдите I2 , и т.д. В стержне 5 пар симметрично расположенных  отверстии, на цилиндрической его поверхности и одна пара отверстии на торцах. При больших угловые амплитудах колебаний нам не удаётся использовать все пары отверстий, т.к грузы при колебаниях будут задевать колонку. Используйте тогда меньшие амплитуды с тем, чтобы, по крайней мере, _провести_ измерения для 5 пар отверстий. Таким   образом, будут найдены по

меньшей мере  5 значений Iк при   различных расстояниях dк от центpа масс до оси,  относительно которой при колебаниях поворачивалось тело.

1 опыт

27.915

2 опыт

27.917

3 опыт

27.916

 ср. зн.

27.916

                

d=7.5см 

1 опыт

30.348

2 опыт

30.347

3 опыт

30.346

 ср. зн.

30.347

              

d=9.0см

1 опыт

33.076

2 опыт

33.075

3 опыт

33.074

 ср. зн.

33.075

            

d=10.5

1 опыт

35.977

2 опыт

35.975

3 опыт

35.976

 ср. зн.

35.976

                  

=

4.Определите моменты инерции I01 и I02 каждого из тел, укрепляя их в рамке поочерёдно без стержня и поступая аналогично заданию I. Усредняя значения I01 I02, получите экспериментальное значение момента инерции одного исследуемого тела в случае,  когда ось проходит через центр масс (т.е. для d=0).

.

        

1 опыт

13.002

2 опыт

13.001

3 опыт

13.005

 ср. зн.

13.003

 

1 опыт

13.005

2 опыт

13.001

3 опыт

13.000

 ср. зн.

13.002

5.  В силу предположений 2 и 3 теоретической модели выполняется теорема Гюйгенса-Штейнера:

 где  I - момент инерции тела относительно оси колебаний,

Iс - момент инерции тела относительно осп, проходящей через центр масс и параллельной оси колебаний.

 m  - масса тела,

d   - расстояние между указанными осями.

Поэтому, если на координатную плоскость, по оси абсцисс которой откладываются

значения переменной , а по оси ординат значения момента инерции I, нанести экспериментальные точки, то они должны лежать на прямой.

                                                                I= Iс + mх                                                      (4)

По ряду причин, однако, экспериментируемые точки лежат на прямой не вполне точно.

Нанесите экспериментальные точки на указанную координатную плоскость, указывая для каждой точки на рисунке соответствующую погрешность ⌂dк, ⌂Iк. Для просты считайте все ⌂Iк одинаковыми и равными   ⌂I1 , найденному в п.3.

Письменно сформулируйте причины, по которым экспериментальные точки могут лежать на прямой не вполне точно.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28163. Профессиональные деформации 32 KB
  Многолетнее выполнение любой профессиональной деятельности приводит к образованию деформаций личности снижающих продуктивность осуществления трудовых функций а иногда и затрудняющих этот процесс. Все многообразие факторов детерминирующих профессиональные деструкции можно разделить на три группы: объективные связанные с социальнопрофессиональной средой: социальноэкономической ситуацией имиджем и характером профессии профессиональнопространственной средой; субъективные обусловленные особенностями личности и характером профессиональных...
28165. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза Луи де-Бройля. Опыты по дифракции микрочастиц и их интерпретация 109 KB
  Гипотеза Луи деБройля. Такие волны получили название фазовых волн волн вещества или волн де Бройля. Так как частица и волна де Бройля являются различными аспектами одного и того же физического объекта то между ними должна существовать однозначная связь; релятивистски инвариантным соотношением между 4векторами характеризующими частицу и соответствующую ей волну де Бройля является формула 2 или ; . 3 Выражения 3...
28166. ПОНЯТИЕ КВАНТОВОГО СОСТОЯНИЯ ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ. СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 100.5 KB
  Так функцией состояния свободной частицы является плоская монохроматическая волна де Бройля . 1 Для частицы подверженной внешнему воздействию например для электрона в поле ядра это волновое поле может иметь весьма сложный вид. Волновая функция зависит от параметров микрочастицы и от тех физических условий в которых частица находится. Согласно статистической интерпретации волн де Бройля вероятность локализации частицы определяется интенсивностью волны де Бройля так что...
28167. УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА. ПРЯМОУГОЛЬНАЯ ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЯМА. ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ 216 KB
  Решением стационарного УШ является функция состояния частицы . Потенциальная яма это область пространства в которой потенциальная энергия частицы меньше чем за ее пределами. Рассмотрим решение стационарного УШ для частицы находящейся в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Найдем функции состояния и значения энергии отвечающие возможным состояниям частицы в этом потенциальном поле.
28168. Магнитные свойства атомов. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спектроскопические проявления спина электрона 145 KB
  Спин электрона. Спектроскопические проявления спина электрона Природа магнетизма явления известного еще с начала XIX века была понята только после создания квантовой механики. Орбитальное движение электрона движение относительно ядра атома характеризуется магнитным моментом . 1 Здесь ‒ гиромагнитное отношение 2 где m масса электрона е модуль заряда электрона момент импульса электрона модуль которого квантуется по правилу .
28169. Принцип тождественности неразличимых микрочастиц. Бозоны и фермионы. Проблема гелия 145.5 KB
  Проблема гелия В основе исследования сложных атомов как и атома водорода также лежит уравнение Шредингера решением которого является функция состояния атома. Однако теперь функция состояния зависит от пространственных координат всех электронов атома и от времени. Для получения правильной функции состояния системы электронов необходимо учитывать принцип тождественности неразличимых частиц. Суть это принципа состоит в следующем: В силу неразличимости частиц состояния системы получающиеся друг из друга перестановкой обеих частиц должны быть...
28170. Многоэлектронные атомы. Электронные оболочки атома и их заполнение. Физическое объяснение периодического закона. Рентгеновские спектры атомов 186.5 KB
  Электронные оболочки атома и их заполнение. Такая одноэлектронная собственная функция атома называется атомной спинорбиталью АО. При рассмотрении многоэлектронного сложного атома можно воспользоваться приближением центрального поля. Однако в сложных атомах энергия электронов зависит как от главного квантового числа так и от орбитального квантового числа то есть происходит снятие вырождения по .
28171. Атом во внешних полях. Простой и сложный эффект Зеемана 165.5 KB
  Простой и сложный эффект Зеемана Расщепление спектральных линий атомных систем помещенных во внешнее магнитное поле называется эффектом Зеемана 1896 г. Расщепление линии на три компонента названо простым нормальным эффектом Зеемана. Расщепление линии более чем на три компонента названо сложным анормальным эффектом Зеемана Количественное объяснение простого эффекта Зеемана с позиций классической теории дано Лоренцем. Последовательное описание обоих вариантов эффекта Зеемана дано в рамках квантовой теории с учетом спинового магнитного...