50671

Изучение законов динамики вращательного движения твёрдого тела вокруг неподвижной оси на маятнике Овербека

Лабораторная работа

Физика

В этой модели считается что трение в оси неподвижного блока отсутствует этот блок невесом а момент сил трения в оси блока с крестовиной не зависит от угловой скорости вращения В этих условиях ускорение груза массой m постоянно на всём отрезке движения H. Тогда рассмотрим систему состоящую из блока 1 с моментом инерции который может вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси и блока 2 с моментом инерции вращающегося вокруг оси . Запишем основное уравнение динамики вращательного движения для каждого блока учитывая что...

Русский

2014-01-28

292.5 KB

0 чел.

Министерство Образования Республики Беларусь

Брестский Государственный Технический Университет

Кафедра Физики

Лабораторная работа M-5

Тема: «Изучение законов динамики вращательного движения

твёрдого тела вокруг неподвижной оси на маятнике Овербека».

Выполнили:

студенты группы Э-37

Новохацкая Елена Сергеевна

Денисюк Денис Владимирович

Проверил(а):

Янусик  И.С.


Цель работы:

Экспериментальная проверка зависимостей между физическими величинами, характеризующими вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси.

Приборы и принадлежности:

маятник Овербека, комплект перегрузов, миллисекундомер.

Ход работы:

Первая теоретическая модель.

(В этой модели считается, что трение в оси неподвижного блока отсутствует, этот блок невесом, а момент сил трения  в оси блока с крестовиной не зависит от угловой скорости вращения)

В этих условиях ускорение груза массой m постоянно на всём отрезке движения (H). Тогда рассмотрим систему, состоящую из блока 1 с моментом инерции, который может вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси  и блока 2 с моментом инерции , вращающегося вокруг оси . Радиусы блоков обозначим  и  соответственно.

Невесомая нерастяжимая нить (идеальная связь) приводит блоки во вращение посредством привязанного к ней груза массой m. В осях блоков действуют моменты сил трения  и ,  и силы реакций осей блоков. Вследствие невесомости нити , . Запишем основное уравнение динамики вращательного движения для каждого блока, учитывая, что моменты сил  и ,  и  равны нулю. Тогда:

.

, где угловые ускорения блоков.

Второй закон Ньютона, записанный для груза массой m в проекции на вертикально вниз направленную ось, имеет вид:

.

Если проскальзывание нерастяжимой нити по блоку отсутствует то . Тогда для описания движения системы мы имеем следующую систему уравнений:

(1)   (2)        (3)

Выражая  из последнего уравнения, подставляя во второе, и выражая из него , которое затем подставим в первое уравнение, получим следующее выражение для ускорения груза:

Поскольку формула (*) является следствием законов динамики вращательного и поступательного движений, то её экспериментальная проверка является одновременно и проверкой правильности применения этих законов для данной экспериментальной ситуации.

Как в первой, так и во второй теоретических моделях масса второго блока считается пренебрежимо малой по сравнению с массой первого блока. При сравнимых по величине радиусах первого и второго блока можно пренебречь слагаемым  по сравнению с. Тогда .

Также в первой модели можно использовать следующее упрощение: предположить, что трение в оси блока 2 вообще отсутствует. Тогда:

.

С другой стороны, на основании кинематических соображений, если  – постоянная величина, то , где H – задаваемое перемещение груза, t – измеренное время его движения. Тогда:

Задание 1.1: “Проверка независимости момента сил трения  от угловой скорости вращения блока”.

Освободили стержни крестовины от грузов  и убедились, что блок с крестовиной находится в безразличном равновесии в любом из возможных положений, когда нить с грузом  не прикреплена к блоку. Закрепили грузы  на некотором расстоянии  от  оси и опять проверили, находится ли система в состоянии безразличного равновесия. Установили кронштейн на максимальном значении H из рабочего интервала. Закрепили конец нити на диске большего радиуса, перекинули нить с подвешенным на другом её конце грузом через неподвижный блок и добились, чтобы нижний край груза совпал с чертой на корпусе верхнего фотодатчика.

Если  не зависит от угловой скорости вращения, то при различных значениях H правая часть формулы (1) постоянна и зависимость  от H должна быть линейной: . Поэтому, если нанести экспериментальные точки  на координатную плоскость, то они должны лежать на прямой. Проверим данное утверждение. Для этого:

а) проведём измерения  при различных  (при каждом  не менее трёх раз и в качестве  примем среднее из полученных значений), занесём их значения в таблицу и убедимся визуально в линейной зависимости  от H;

б) рассчитаем коэффициент k искомой прямой с помощью метода наименьших квадратов (МНК), рассчитаем критерий согласия Пирсона .

Таблица (г)

N

H(см)

(c)

(c)

(c)

(с)

(с)

1

35

2.5

2.4

2.6

2.5

0.08

2

36

3.2

3.3

3.3

3.2

0.08

3

37

3.4

3.4

3.4

3.4

0.08

4

38

3.5

3.6

3.5

3.5

0.08

5

39

3.5

3.6

3.6

3.5

0.08

6

40

3.8

3.7

3.7

3.8

0.08

7

41

3.9

3.9

4.0

3.9

0.08

Обозначим в (2) , тогда выражение перепишется как . Значение коэффициента  будет оптимальным, если сумма квадратов разностей экспериментальных значений  и значений , вычисленных по формуле  минимальная:

Из условия экстремума функции следует: . Согласно компьютерным вычислениям k = 31.17 , и, следовательно, уравнение искомой прямой будет следующим: . Проведём на плоскости эту наилучшую в смысле МНК прямую.

Для применения - критерия следует далее вычислить величину

, где погрешность в определении величины  в i-м измерении. . Но при использовании электронных измерителей времени с цифровой индексацией можно принять  и . Поэтому . Тогда для величины погрешность будет равна . Таким образом:

.

Согласно компьютерным вычислениям S = 165.631. Сравним величину S с табличным значением для - критерия и найдём уровень значимости проверяемой гипотезы о независимости  от угловой скорости вращения.

Находим число степеней свободы n=7-(1+1)=5

 n=5

50%    -        =4,4

20%    -        =7,3

Следовательно:

(50-P)%    -        Δ=4,4-4,97

(20-P)%    -        Δ=7,3-4,97

Решая последнюю систему, находим:

 P= 44.10%

Задание 1.3: “Определение момента инерции ступенчатого блока с крестовиной и момента сил трения”.

Допустим, что мы измерили  движения груза массой m на заданном перемещении H  при радиусе намотки , а затем время  движения того же груза на том же перемещении при радиусе намотки . Положение грузов  в обоих случаях не изменялось. Тогда при постоянстве  имеем согласно формуле (1):

Таким образом, для определения момента инерции и момента  сил трения будем делать следующее:

а) выберем любое H; H=32 см. Выберем массу первоначального груза (m=mpl=41г);

б) измерим несколько раз время движения груза при радиусе намотки r1 и найдём среднее значение <t>;

в) измерим несколько раз время движения того же груза при радиусе намотки r2 и найдём среднее значение <t>, занесём в таблицу 2;

г) по формулам (5) и (6) найдём  и , занесём измеренные и полученные результаты в таблицу 3;

д.) повторим измерения п.п. б) - г) при других массах груза m, усредним полученные результаты для I и Mтр и также занесём всё в таблицу 2;

Таблица (значения измерений и расчётов п.п. б)  в) при H=32 см)

m(г)

(с)

(с)

(с)

(с)

(с)

=2,5 см

41

7,2

7,1

7,0

7,15

0,08

81

4,7

4,6

4,7

4,65

0,08

=3,2 см

41

2,6

2,5

2,6

2,55

0,08

81

2,3

2,2

2,2

2,25

0,08

Таблица (значения вычислений по пункту г))

m(г)

t1(с)

t2(с)

I(кг*м2)

Mтр(H*м)

41

7.15

2.55

0.0010

0.0095

81

4.65

2.25

0.0019

0.0175

е) вычислить погрешности  и  исходя из формул (5) и (6) достаточно громоздко, поэтому примем в качестве погрешностей  и  погрешность разброса при различных массах грузов m;

.  

При n=4 ;     . .

Исходя из компьютерных вычислений , а          .

Окончательный результат:

       .

Вывод:

В результате проделанной работы мы научились экспериментально проверять зависимость между физическими величинами, характеризующими вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси, доказали независимость момента сил трения от угловой скорости вращения блока, определили момент инерции ступенчатого блока с крестовиной и момент сил трения.


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41890. Программы – архиваторы ОС MS-DOS (zip, arj,rar) и ОС семейства WINDOWS(winzip, winrar) 724.5 KB
  Функции архивирования и разархивирования встроены в файловую систему компьютера и доступны из программы «Проводник». На Вашем компьютере должна быть установлена одна из выше перечисленных программ-архиваторов. Обычно это WinRAR или WinZIP.
41891. Информатика и вычислительная техника. Информационные технологии и системы 92.45 KB
  Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов высших учебных заведений обучающихся по направлениям 230100 Информатика и вычислительная техника и 230200 Информационные технологии и системы Москва 2013 Оглавление Лабораторная работа № 1 Стандартные типы данных и выражения 3 Задание 1 3 Задание 2 4 Лабораторная работа № 2 Алгоритмизация линейных вычислительных процессов 10 Задание 1. 10 Задание 2. 10 Задание 3. 10 Задание 4.
41892. Структура документа и ввод данных. Лабораторные работы в MS Excel 2007 610.52 KB
  На втором листе книги расположите таблицу приведенную на рис. На третьем листе книги разместите таблицу приведенную на рис. Занесите информацию о расширениях файлов Excel в Office 2007 в табличную область первого листа книги и запомните эти расширения. После открытия окна "Microsoft Excel" активизируйте справочную систему (F1) и выберите в Обзоре справки Excel пункты Управление книгой – Управление файлами - Общие сведения о новых расширениях имен файлов и XML-форматов Office.
41893. Таблицы MS Excel 2007. Лабораторные работы в MS Excel 2007 403.81 KB
  Заполните диапазон А1:F10 данными по образцу приведенному на рис. Рис.а Рис. После преобразования в таблицу диапазон представлен на рис.
41894. Списки. Фильтрация данных. Связывание таблиц. Лабораторные работы в MS Excel 2007 1.43 MB
  Введите таблицу приведенную на рис. Рис. Введите таблицу представленную на рис. Активизируйте лист с исходной таблицей рис.
41895. ПРИНЦИПЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭВМ. КОМАНДЫ MS DOS 683.51 KB
  В зависимости от варианта ответа DOS реагирует на возникшую ошибку поразному: аварийное завершение выполнения программы или команды выдавшей запрос; R повтор операции; F завершение выполнения операции и возврат кода ошибки; программа продолжает выполняться. Временный приостанов выполнения команды или программы например вывода информации на экран дисплея осуществляется нажатием клавиши Puse. Общие положения Тестовые программы используются для идентификации конфигурации компьютера его системных ресурсов а также для его диагностики...
41896. Emissions of combustive-lubricating materials stocks 32.01 KB
  146; Gross emissions: M=PT103 ton yer P emission per hour P is P1 or P2 T ctive time of source which cn be clculted for litting up: T=V p103 hour yer Where p= 300 m3 hour for gs; p=30 m3 hour for petrol; p=30 m3 hour for diesel fuel Min chrcteristics of wsters ccording to prgrph 17 of the lw On wstes producer determines composition nd chrcteristics of production wstes nd degree of their dnger for environment nd mn's helth. The dnger degree is coordinted with executive uthorities. Degree of dnger is chrcterized by the clss of...
41897. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОГРАМНОГО СЕРЕДОВИЩА РОЗРОБКИ ТА НАЛАГОДЖЕННЯ ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ТА ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ, ВИКОНАНИХ НА БАЗІ МІКРОПРОЦЕСОРІВ СІМЕЙСТВА MCS-51 2.48 MB
  Провести асемлеювання програми. Текст програми.1 ; надання імені vr_3 першому біту регістру RM 20H ; ; Програма ; ORG H ; адреса вектора розгалуження після початкового пуску RJMP _BEGIN ; мікропроцесора ; ORG H...
41898. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ 251.24 KB
  Метод Ньютона. В качестве начального приближения здесь выбирается правый или левый конец отрезка в зависимости от того в котором выполняется достаточное условие сходимости метода Ньютона вида: Условие выполняется на обоих концах отрезка следовательно в качестве начального приближения разрешено выбрать любой из них. Рабочая формула метода Ньютона для данного уравнения запишется так: Условия выхода итерационного процесса аналогичны условиям метода простых итераций: и . Модифицированный метод Ньютона.