7188

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ КОЛЕСА МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ

Лабораторная работа

Физика

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ КОЛЕСА МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ Цель работы: Определение характеристик колебательного движения колеса, момента инерции колеса и сравнение его с теоретическим расчётом. Оборудование: экспериментальная установка,...

Русский

2013-01-18

151 KB

81 чел.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ КОЛЕСА МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ

Цель работы:  Определение характеристик колебательного движения колеса, момента инерции колеса и сравнение его с теоретическим расчётом.

  Оборудование: экспериментальная установка, линейка, секундомер.         

                          

  1.  Теоретическая часть.

При изучении вращательного, либо колебательного движений твердого тела используют понятие момента инерции. Моментом инерции твердого тела (либо системы тел) относительно некоторой оси называется физическая величина, равная сумме произведения масс материальных точек, составляющих систему на квадрат их расстояний до оси вращения:

,

где n – число материальных точек, составляющих тело, либо систему тел.

В случае непрерывного распределения масс момент инерции может быть определен интегралом: , где r – функция положения точки массой dm.

Момент инерции зависит от массы тела и формы распределения массы относительно оси вращения.

Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электромагнитные, электромеханические и т.д.

Физическим маятником называется твердое тело, колеблющееся относительно неподвижной горизонтальной оси (оси подвеса), не проходящей через центр тяжести.

Затухающие колебания возникают при наличии сил сопротивления (трения) и обусловлены рассеянием (диссипацией) энергии. Если убыль энергии не восполняется за счёт работы внешних сил, колебания будут затухать.

  1.  Описание экспериментальной установки. Вывод формул   для определения характеристик затухающих колебаний и момента инерции колеса

 

                

                 Рис.1.

Измерительная установка состоит из физического маятника, состоящего из велосипедного колеса 1, к ободу которого прикреплен груз 2 массой . Угол отклонения колеса от положения равновесия определяется по угломерной шкале 3.

Если колесо вывести из состояния равновесия и предоставить самому себе, то он будет совершать колебания под действием момента

силы тяжести . При малых углах отклонения (100-150)  и момент силы тяжести равен

где  - масса шарика, - ускорение свободного тела,-расстояние между центром шарика и осью колеса,-угол отклонения колеса от положения равновесия. Знак  «-» показывает, что вектор момента силы тяжести и углового перемещения противоположно направлены.

В реальных условиях маятник под действием моментов сил трения в подшипниках и сопротивления воздуха совершает затухающие колебания.  Суммарный момент сил трения зависит от угловой скорости

где - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размеров маятника и вязкости среды.

Основное уравнение динамики движения, описывающее колебания маятника, имеет вид

                         (1)

Разделив (1) на момент инерции и вводя коэффициент затухания  и собственную частоту свободных колебаний , запишем дифференциальное уравнение затухающих колебаний  в таком виде     

                            (2)

Решением дифференцирования (2) является функция вида

,                                   (3)

где  и– угловое перемещение в начальный и конечный момент  времени.

Циклическая  частота затухающих колебаний

,                                         (4)

где  , , -логарифмический декремент затухания.

Период колебаний

,                                                   (5)

где -время за которое колесо совершает  колебаний.

Из (3) следует, что угловое перемещение по прошествии  колебаний можно выразить , отсюда коэффициент затухания

                                                 (6)

Зная   и  из (4) имеем

.

Определим момент инерции

.                                                   (7)

  1.  Порядок выполнения лабораторной работы:

Техника безопасности

К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством и принципом действия.

Для предотвращения опрокидывания установки необходимо располагать её только на горизонтальной поверхности.

ЗАДАНИЕ1.  Определение момента инерции и характеристик колебательного движения велосипедного колеса.

Занести в таблицу 1 все известные величины и их абсолютные погрешности, указанные на установке: - масса груза,   - расстояние между центром груза и осью колеса.

  1.  Включить в сеть секундомер. Нажать на кнопку «Сеть», расположенную на лицевой панели секундомера.
  2.  Нажать кнопку «Сброс» на лицевой панели секундомера и убедиться, что на табло установлены нули.
  3.  Вращая велосипедное колесо, зафиксировать колесо в верхнем положении на угол , указанный преподавателем. Занести в таблицу 1.
  4.  Колесо отпустить и одновременно нажать кнопку «Пуск» на секундомере, секундомер начинает отсчёт времени.
  5.  Отсчитать  полных колебаний, по угломерной шкале определить угол  на который отклонился груз и нажать кнопку «Стоп» на лицевой панели секундомера и зафиксировать время.
  6.  Повторить измерения 5 раз. Все значения ,  и  занести в таблицу 1.
  7.  Вычислить по формуле (5) период колебаний  .
  8.  Вычислить по формуле (6) коэффициент затухания.
  9.  Вычислить логарифмический декремент по формуле .
  10.  Вычислить по формуле (7) момент инерции  .
  11.   Результаты вычислений занести в таблицу 1.
  12.  Произвести статистическую обработку результатов измерения времени   и заполнить таблицу 2.
  13.  Вычислить относительные и абсолютные погрешности  по  следующим формулам, с учетом того, что абсолютная погрешность и занести в таблицу 1:

ЗАДАНИЕ 2. Теоретический расчёт момента инерции велосипедного колеса.

  1.  Момент инерции велосипедного колеса    равен:

,

где - масса обода; -радиус обода; - масса спицы; -количество спиц; - расстояние между центром груза и осью колеса.

  1.  Рассчитать относительную погрешность по формуле

.

  1.  Результат занести в таблицу 1.

     4.   Сравнить теоретическое и экспериментальное значения момента       инерции и объяснить результат. Сделать вывод.

Таблица 1

град

град

-

1

2

3

4

5

Таблица 2

с

с

с2

с

-

с

с

с

1

2

3

4

5

Ср.

Контрольные вопросы

  1.  Что называется моментом инерции материальной точки?
  2.  Что называется моментом инерции твёрдого тела? От чего он    зависит?
  3.  Как определяется момент инерции тел простейшей формы относительно оси, проходящей через центр инерции. Как определяется физический смысл момента инерции.
  4.   Сформулируйте теорему Штейнера.
  5.  Дайте определение затухающих гармонических колебаний, запишите его уравнение и поясните физический смысл входящих в него величин.
  6.  Что такое момент сил? По какому закону в работе изменяется момент сил.
  7.  Исходя из уравнения гармонических колебаний, определите угловое ускорение. Как определяется направление углового ускорения?
  8.  Дайте определение периода, частоты и циклической частоты колебаний. Покажите, как они связаны между собой.  
  9.  Дайте определение физического маятника.
  10.  Чем обусловлен момент сил трения в данной работе?

Рекомендуемая литература

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики (т.1). М.: Наука, СПб.: Лань, 2006.
  2.  Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Шк., 2004.
  3.  Справочное руководство по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика, электричество, магнетизм: Учеб.-метод. пособие. -Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008.
  4.  Колебания и волны: Учебное пособие.-Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2009.

Составители:  Т.П. Жданова,  В.В. Илясов,  А.П. Кудря,  В.С. Кунаков

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ КОЛЕСА МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ

Методические указания к лабораторной работе №2-А по физике

(Раздел «Механика»)

Редактор А.А.Литвинова

В печать

Объём 0,7 усл.п.л. Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ №       . Тираж          . Цена           

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32449. Распределение Больцмана. Барометрическая формула. Второе начало термодинамики. Энтропия. Теорема Нернста. Основное уравнение термодинамики 322.5 KB
  Для характеристики состояния системы при тепловых процессах Клаузиус ввел понятие энтропии S. Следует отметить что приращение энтропии не зависит от процесса а определяется только начальным конечным состояниями системы т. Свойства энтропии: энтропия функция состояния. В реальных процессах тепло переходит от более к менее нагретым телам поэтому изменение энтропии каждого тела равно: где .
32450. Состояния макросистемы. Квазистатические процессы. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия и работа газа. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Теплоёмкость. Изопроцессы 446.5 KB
  Внутренняя энергия и работа газа. Уравнение состояния идеального газа. Вычислим элементарную работу газа при бесконечно малом квазистатическом расширении в котором его объем увеличивается на dV. Сила давления газа на поршень равна где S площадь поршня.
32451. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. Политропические процессы. Работа газа при политропических процессах. Газ Ван–дер–Ваальса 311 KB
  Работа газа при политропических процессах. адиабатное расширение газа сопровождается его охлаждением. Политропическим называется процесс перехода газа из одного состояния в другое при котором теплоёмкость остаётся постоянной Сn = const. Покажем что при политропическом процессе теплоёмкость газа остаётся постоянной.
32452. Форм-факторы системных плат 80.5 KB
  Современные: АТХ; NLX; WTX используются в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах среднего уровня. Размеры LPX: 9х13 дюймов АТХ В ней сочетаются наилучшие черты стандартов BbyT и LPX и заложены многие дополнительные усовершенствования. По существу АТХ это лежащая на боку плата BbyT с измененным разъемом и местоположением источника питания справа. АТХ физически несовместима ни с BbyT ни с LPX т.
32453. Характеристики монитора 43 KB
  Чем больше размер экрана тем дороже монитор. Самыми распространенными являются мониторы с экранами у которых длина диагонали равна 14 15 17 или 21 дюйм. При сравнении например 15дюймовых мониторов изготовленных разными фирмами необходимо измерить активные области их экранов.
32454. Шины ввода-вывода: ISA, MCA EISA, VESA 33 KB
  Для улучшения каждого из этих параметров нужна шина вводавывода с максимальным быстродействием. Новая более быстродействующая шина должна быть совместимой с прежним стандартом иначе все старые платы придется просто выбросить. Шины вводавывода различаются архитектурой: IS Industry Stndrd rchitecture; MC Micro Chnnel rchitecture; EIS Extended Industry Stndrd rchitecture; VES также называемая VLBus или VLB; локальная шина PCI; GP; FireWire IEEE1394; USB Universl Seril Bus.
32455. Компоненты системной платы 138 KB
  Самые современные системные платы содержат следующие компоненты: гнездо для процессора; набор микросхем системной логики; микросхема Super I O; базовая система вводавывода ROM BIOS; гнезда модулей памяти SIMM DIMM; разъемы шины; преобразователь напряжения для центрального процессора; батарея. Наборы микросхем системной логики Чтобы заставить компьютер работать на первые системные платы IBM PC пришлось установить много микросхем дискретной логики. В 1986 году компания Chips nd Technologies...
32456. Архитектура локальных шин. Шина PCI 106.5 KB
  Шина PCI Локальные шины ЛШ Шины IS MC и EIS имеют один общий недостаток сравнительно низкое быстродействие. Быстродействие шины процессора возрастало а характеристики шин вводавывода улучшались в основном за счет увеличения их разрядности.1 в общем виде показано как шины в обычном компьютере используются для подключения устройств. Однако быстродействие шины вводавывода в большинстве случаев не играет роли.
32457. Интерфейсы запоминающих устройств IDE и SCSI 92.5 KB
  Официальное название интерфейса IDE T Tttchment. Интерфейс IDE представляет собой связь между системной платой и контроллером встроенным в накопитель. Интерфейс IDE взаимодействует с системной шиной непосредственно а в интерфейсе SCSI между контроллером и системной шиной вводится еще один уровень управления головной host SCSI адаптер.