50809

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

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: Экспериментальная проверка зависимостей между физическими величинами, характеризующими вращение твёрдого тела вокруг неподвижной оси. Приборы и принадлежности: маятник Овербека, комплект перегрузов, миллисекундомер.

Русский

2014-01-31

284 KB

0 чел.

Министерство Образования Республики Беларусь

Брестский Государственный Технический Университет

Кафедра Физики

Лабораторная работа M-5

по Физике

Тема: «Изучение законов динамики вращательного движения

твёрдого тела вокруг неподвижной оси на маятнике Овербека».

Выполнил:

студент группы ПЭ-1

Заяц Александр Игоревич

_____________________

Проверил(а):

Янусик  И.С.

_____________________

Брест 2004г.


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)

(с)

(с)

(с)

(с)

1

39

2,951

2,924

2,892

2,9223

0,0424

8,5398

2

38

2,804

2,803

2,801

2,8027

0,0308

7,8551

3

37

2,783

2,780

2,773

2,7786

0,0289

7,7206

4

36

2,731

2,756

2,736

2,7410

0,0211

7,5131

5

35

2,693

2,685

2,720

2,6993

0,0191

7,2862

6

34

2,663

2,661

2,668

2,6640

0,0447

7,0969

7

33

2,604

2,632

2,637

2,6243

0,0195

6,8860

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 = 20,87 , 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 = 4,97. 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 максимальное H из рабочего интервала задания 1.1, т.е. H=39см. Выберем массу первоначального груза (m=mpl=53г);

б) измерим несколько раз время движения груза при радиусе намотки r1 и найдём среднее значение t1;

в) измерим несколько раз время движения того же груза при радиусе намотки r2 и найдём среднее значение t2, 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=39см)

ri(см)

m(г)

ti(с)

(ti)ср(с)

∆ti(с)

2,5

53

4,881

4,995

4,894

4,9233

0,0295

94

3,807

3,793

3,834

3,8113

0,0099

135

3,339

3,383

3,396

3,3727

0,0141

3,2

53

2,951

2,924

2,892

2,9223

0,0424

94

2,132

2,112

2,227

2,1570

0,0291

135

1,783

1,739

1,744

1,7553

0,0114

Таблица (значения вычислений по пункту г))

m(г)

t1(с)

t2(с)

I(кг*м2)

Mтр(H*м)

53

2,9223

4,9233

0,0123

0,0482

94

2,1570

3,8113

0,0328

0,0106

135

1,7553

3,3727

0,0259

0,0301

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=6  . .

Поскольку в лабораторном практикуме принята доверительная вероятность P=0,95, то при n=6 tnp=0,73.

Следовательно .

        .

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  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36142. Нервная система. Классификация нервной системы 586 KB
  мозг делится на ствол мозга полушария большого мозга и мозжечок. В коре полушарий головного мозга осуществляется анализ и синтез различных раздражений внешнего мира. К таким эфферентным нейронам можно отнести нейроны различных отделов мозга посылающие аксоны идущие в составе длинных нисходящих трактов к спинному мозгу. На головном конце животного который при движении вперед соприкасается с различными предметами окружающего мира развиваются органы чувств в связи с чем головные узлы развиваются сильнее остальных являясь прообразом...
36143. Опорно-двигательный аппарат 432.5 KB
  Макроскопически кость состоит из расположенного по периферии компактного вещества substanfia compacta и губчатого вещества siibsianlia spongiosa массы костных перекладин в середине кости. Зтк перекладины расположены не беспорядочно а соответствен ко линиям сжатия и растяжения которые действуют на определенные участки кости. Костномозговая полость находящаяся в толще трубчатой кости выстлана соединительнотканной оболочкой эндостомом endostemn Ячейки губчатого вещества и костномозговая полость в трубчатых костях...
36145. Анатомия. Общие вопросы 1.84 MB
  Знание морфофункциональных особенностей организма ребенка особенно важно так как именно как в период его становления при неправильной организации условий жизни и обучения особенно быстро возникают различные патологические нарушения функций нервной системы опорнодвигательного аппарата сердечно сосудистой системы и др. В образовании каждого органа участвуют различные ткани но одна из них является главной ведущей рабочей мозг нервная ткань. Аристотель различал у животных сухожилия и нервы кости и хрящи. Клавдий Гален описал 7 пар из...
36146. Сердечно-сосудистая система. Шпора 279.5 KB
  Артерии располагаются по ходу нервной трубки и нервов. Кроме того артерии первоначально закладываются в связи с главными нервами: например на верхней конечности в связи с n. Соответственно делению организма на органы растительной и животной жизни артерии делятся на париетальные к стенкам полостей тела и висцеральные к содержимому их т. Артерии туловища сохраняют сегментарное строение: aa.
36147. Внутренние органы 373.5 KB
  Нижняя поверхность языка свободна только в передней части; задняя часть занята мышцами. Три части: pars nasalis pars oralis и pars laryngea. В шейной части пищевода мышцы поперечнополосатые в верхнем отделе грудной части они смешанного типа нижней трети гладкие. Топография 3 части: 1шейную; 2грудную; 3брюшную.
36148. Железы внутренней секреции 61.5 KB
  Эндокринными железами endo внутрь crino выделяю или железами внутренней секреции называются такие железы которые не имеют выводного протока беспроточные железы glandulae sine ductibus и свой секрет выделяют непосредственно в кровеносную систему в противоположность железам внешней секреции секрет или экскрет которых изливается на поверхность кожи потовые сальные железы или слизистых оболочек слюнные железы печень и т. Так как выделение секрета совершается в кровеносную систему то эндокринные железы обладают широко развитой...
36149. Государственный Русский музей 28 KB
  Филиалы музея расположены в Михайловском замке в Мраморном и Строгановском дворце. В ведении музея находятся также Михайловский и Летний сад с Летним дворцом Петра I а также Домик Петра I. Директор музея Владимир Александрович Гусев. К моменту открытия музея его коллекция насчитывала около четырехсот полотен.
36150. Государственный Русский музей. История создания музея 642.71 KB
  История создания музея В исторической канве хронологических событий культурной жизни России существуют явления имеющие непреходящее значение. К таким несомненно относится учреждение и открытие Русского музея. Идея организации государственного музея национального искусства высказывалась и обсуждалась в образованной среде русского общества с середины XIX века. Уже в конце 1880х годов перед российским обществом встал вопрос о необходимости создания музея русского национального искусства как того требует современное процветание русского...