72383

Передача энергии и количества движения при соударении шаров

Лабораторная работа

Физика

Закон сохранения импульса: = const импульс замкнутой системы не меняется с течением времени. Закон сохранения энергии: в системе тел между которыми действуют только консервативные силы полная механическая энергия с течением времени остается постоянной.

Русский

2014-11-21

249 KB

5 чел.

Лабораторная работа № 4

Передача энергии и количества движения

при соударении шаров

Цель :  Изучение законов сохранения количества движения   и  энергии

Задачи: проверка законов сохранения импульса и энергии при абсолютно упругом и неупругом соударении шаров.

Оборудование: прибор для исследования столкновений шаров ФПМ-08.

Краткая теория:

Прямолинейное движение:

- векторная величина, численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость и имеющая направление скорости, называется импульсом (количеством движения) материальной точки.

Закон сохранения импульса: = const    -   импульс   замкнутой   системы   не меняется с течением времени.

Закон сохранения энергии: в системе тел между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия с течением времени остается постоянной.  Е = Т + Р = const,

где Е - полная механическая энергия, Т - кинетическая энергия, Р - потенциальная энергия.

Кинетическая энергия механической системы - это энергия механического движения системы. Кинетическая энергия для

поступательного движения  :,   вращательного движения

где J - момент инерции, ω - циклическая частота).

Потенциальная энергия системы тел - это энергия взаимодействия между телами системы ( она зависит от взаимного расположения   тел    и   вида   взаимодействия    между   телами) Потенциальная энергия упругодеформированного тела: ;      при деформации кручения

где k – коэффициент жесткости (модуль кручения),  х- деформация,  α- угол кручения).

Абсолютно упругий удар - столкновение двух или нескольких тел, в результате которого во взаимодействующих телах не остается никаких деформаций и вся кинетическая энергия, которой обладали тела до удара, после удара вновь превращается в кинетическую энергию.

Абсолютно неупругий удар - столкновение двух или нескольких тел, в результате которого тела объединяются, двигаясь дальше как единое целое, часть кинетической энергии преобразуется во внутреннюю энергию.

Вывод рабочей формулы:

 

В данной установке два шара с массами m1 и m2 подвешены на тонких нитях одинаковой длины L. Шар с массой m1 отклоняют на угол α1  и отпускают.  На установке угол α1 задаете сами, отмеряя его по шкале и фиксируя шар электромагнитом, углы отклонения α1’  и α2 шаров после столкновения также измеряют по шкале.

1. Запишем законы сохранения импульса и энергии для абсолютно упругого соударения 

до столкновения скорость первого шара V1,  скорость второго шара V2=0;

импульс первого шара  p1 = m1V1,  импульс второго  р2 = 0,

после  соударения -скорости первого и второго шаров  V1    и    V2

импульсы   шаров   p1 = m1V1     и     p2 = m2V2

m1V1= m1V1’+ m2V2’  закон сохранения импульса; 

закон сохранения энергии системы до и после соударения шаров

закон сохранения энергии системы до момента удара, при поднятии первого шара на высоту h, он приобретает потенциальную энергию

Р = m1 gh, - эта энергия переходит полностью в кинетическую энергию этого же шара , отсюда скорость первого шара до соударения   

Выразим h через длину нити L и угол удара α, из рис. 2 видно, что

                 h+ L cos α1 = L

h = L(1-cos α1) = 2 L sin2(α1 /2),

тогда   

Если углы   α1! и   α2! углы отклонения шаров после столкновения, то, рассуждая аналогично можно записать скорости после соударения для первого и второго шара:

          

Подставим   три   последние   формулы   в   закон   сохранения импульса

      (рабочая  формула 1)


В это уравнение входят величины, которые можно получить путем прямых измерений. Если при подстановке измеренных величин равенство выполняется, значит и выполняется закон сохранения импульса в рассматриваемой системе, а также закон сохранения энергии, т.к. эти законы были использованы при выводе формулы.

2. Запишем законы сохранения импульса и энергии для абсолютно неупругого соударения 

m1V1= (m1+ m2) V2  закон сохранения импульса; где V1 - скорость первого шара до столкновения; V2 -  общая скорость первого и второго шаров после столкновения.

закон сохранения энергии системы до и после соударения шаров, где W - часть энергии, которая переходит во внутреннюю энергию (тепло).

закон сохранения энергии системы до момента удара, при поднятии первого шара на высоту h, соответствующую углу α1. (см. рис.3)

       - закон сохранения энергии системы после момента удара, соответствующая углу .

Выразим скорости  V  и  V из законов сохранения энергии:

,              

или

,      

Подставим  эти  формулы  в  закон   сохранения   импульса  и  получим: 

                                                               

рабочая формула 2

С помощью этой формулы можно проверить закон сохранения импульса и закон сохранения энергии для абсолютно неупругого удара.

Средняя сила взаимодействия между двумя шарами в момент упругого удара можно определить по изменению импульса одного (первого) шара

Подставляя   в эту формулу значения скоростей  первого шара до и после удара

 и       получим:

 рабочая формула 3

где Δt = t - время соударения шаров, которое можно измерить при помощи микросекундомера.

Описание экспериментальной

установки:

Общий вид прибора для исследования столкновений шаров ФПМ-08 представлен на рис. 4.

На основании установки располагается электрический микросекундомер РМ-16, предназначенный для измерения коротких временных интервалов.

На передней панели микросекундомера имеется табло «время» (счет времени ведется в микросекундах), а также кнопки «СЕТЬ» «СБРОС», «ПУСК».

К основанию также крепится колонка со шкалой, на которой установлены верхний и нижний кронштейны. На верхнем кронштейне установлены два стержня и вороток, служащий для регулировки расстояния между шарами. Через подвесы проведены провода, по которым подводится напряжение к шарам от микросекундомера.

На нижнем кронштейне закреплены шкалы для отсчета углов которые имеют шары относительно вертикали, Эти шкалы можно передвигать    вдоль    кронштейна    Также    на    кронштейне    на специальной подставке находится электромагнит, который служит для фиксирования одного из шаров в определенном положении. Электромагнит можно передвигать вдоль правой шкалы, для чего необходимо отвинтить гайки, крепящие его на шкале. На торце корпуса электромагнита имеется винт для регулирования силы электромагнита.

Указания по выполнению работы

1 задание:    проверка закона сохранения импульса и закона сохранения энергии для абсолютно упругого удара.

Для   выполнения   этого   задания      необходимо   произвести измерения масс шаров и углов отклонения относительно вертикали.

  1.  Измерьте длину нитей металлических шаров;
  2.  Включите микросекундомер в сеть;
  3.  Нажмите кнопку «СЕТЬ» микросекундомера;
  4.  Отрегулируйте винтом на торце корпуса электромагнита силу электромагнита, чтобы он удерживал шар;
  5.  Правый шар зафиксируйте с помощью электромагнита, установив значение α1    под углом 14º по шкале.
  6.  Нажмите кнопку «ПУСК», при этом контакты в электромагните размыкаются, происходит соударение шаров;
  7.  По угловой шкале определите - угол отброса после соударения первого шара ( шара, положение которого фиксировали с помощью электромагнита). Для определения а'2 - угла отброса второго (покоящегося вначале) шара, повторите опыт, т.к. одновременно заметить два угла по шкале невозможно. Измерения проведите 5 раз и найдите средние значения;
  8.  Подставьте результаты измерения в рабочую формулу 1. Результаты всех измерений  и вычислений занесите в таблицу 1

m1

m2

α1

До  удара

После удара

1

2

3

4

5

Ср.

  1.  Сделать выводы типа «Для упругого соударения шаров законы сохранения энергии и импульса выполняются (не выполняются)». Выводы записать в тетрадь!

2  задание:    проверка закона сохранения импульса и закона сохранения энергии для абсолютно неупругого удара 

m1

m2

α1

До  удара

После удара

1

2

3

4

5

Ср.

Повторите   пункты   с   1- 9   для   пластилиновых  шаров   и результаты подставьте в рабочую формулу 2.

        3  задание:  изучить силу взаимодействия шаров при упругом соударении

Нужно построить график функции Fср   = f1).  Для этого задания используется рабочая формула 3, Чтобы построить график функции Fср   = f1),  необходимо произвести измерения - угла отброса первого шара после соударения и t - времени соударения при различных значениях α1.

  1.  Нажмите на микросекундомере кнопку "СБРОС";
  2.  Установите правый шар под углом α1= 14º, произведите соударения шаров, измерьте  по угловой шкале и снимите показания микросекундомера. Вычислите Fcp для каждого измерения по рабочей формуле 3;
  3.  Результат измерения занесите в таблицу;

m1

L

α1

Δ t

Fcp

1

14º

2

14º

3

14º

4

10º

5

10º

6

10º

7

8

  1.  Постройте график функции Fср   = f1),  
  2.  Сделайте выводы о полученной зависимости:
  •  Как зависит сила  Fcp  соударения от начальной скорости (α1)?
  •  Как зависит время Δ t соударения от начальной скорости (α1)?

Контрольные вопросы:

  1.  Что называется столкновением?
  2.  Абсолютно упругое и абсолютно неупругое столкновения.
  3.  Какие силы возникают при контакте двух шаров.
  4.  Что называется коэффициентом восстановления скорости и энергии. И как они изменяются в случае абсолютно упругого и абсолютно неупругого столкновений?
  5.  Какие законы сохранения используются при выполнении этой работы? Сформулируйте их.
  6.  Как зависит величина конечного импульса от соотношения масс сталкивающихся шаров?
  7.  Как зависит величина кинетической энергии, передаваемой от первого шара ко второму от соотношения масс?
  8.  Для чего определяется время удара?
  9.  Что такое центр инерции (или центр масс)?

Литература:

  1.  Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000 г.
  2.  Матвеев    А.Н.:    Механика    и    теория    относительности. – М., Высшая школа, 1986 г., стр. 219-228.

3.Лабораторный практикум по общей физике. Механика. Под ред. А.Н. Капитонова, Якутск, 1988г.

4. Габышев H.H. Методическое пособие по механике - Якутск.,ЯГУ, 1989


               
   α1

 L     m1

 h

                  m2                

   

α2 

    α1

                      

      Рис.1

                   α1

L cos α1                 L

          h

       Рис.2

                   α1

       L        m1

 h1

                     m2                

   

  

                 h2                       

      Рис.3

  верхний кронштейн

          подвесы

     шары

        электромагнит

                

              нижний

              кронштейн

микросекундомер

Рис. 4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20544. Методологические основы теории принятия решений. Основные этапы принятия решений 27 KB
  Процесс принятия решения является одним из наиболее сложных .этапы: 1 определить цель принимаемого решения 2 определить возможные решения данной проблемы 3 определить возможные исходы каждого решения 4 оценить каждый исход 5 выбрать оптимальные решения на основе поставленной цели.
20545. Количественный анализ при сбыте продукции 35 KB
  Предполагаемые объемы продаж по ценам: Предполагаемый объем продаж при данной цене Возможная цена за единицу 8 долл. 86 долл. 88 долл.000 Переменный расход 4 долл.
20546. Функция полезности. Определение размеров риска 29.5 KB
  Теория полезности позволяет принимающему решение влиять на результат исходов согласно своим оценкам полезности. Количественно рациональность выбора определяется fей полезности. Теория полезности экспериментально подтверждается в зче о вазах.
20547. Задача с вазами 30.5 KB
  В вазах первого типа их количество равно 700 вложено по 6 красных и по 4 черных шара. В вазах второго типа их 300 вложено по 3 красных и по 7 черных шара. Если перед испытуемым находится ваза первого типа и он угадает это то он получит 350 если не угадает то он проиграет 50. Если перед ним ваза второго типа и он угадает это то он получит 500 если не угадает его проигрыш составит 100.
20548. Понятие оптимизации. Постановка задачи оптимизации. Примеры 98 KB
  Методы оптимизации находят широкое применение при решении задач управления сложными техническими системами широко применяются в космонавтике машиностроении и других отраслях промышленности существующие методы управления и построения систем управления в основном решают одномерные задачи и нашли широкое применение при исследовании устойчивости систем описываемых линейными уравнениями с постоянными коэффициентами и т. Основу современной теории управления составляют математическое описание объекта или системы. Вектор Управления u как и фазовый...
20549. Необходимые условия экстремума функций одной и нескольких переменных 58 KB
  Рассмотрим функцию fx она задана на интервале [x1x2] и в точке x0 достигает максимума это означает что в окрестности этой точке значение этой функции будут меньше чем в точке x0 т. приращение функции: для любых стремящихся к 0 В точке x фция fx достигает минимума и во всех ближайших точках значение функции будет больше чем в точке x и приращение функции здесь будет для всех В точках экстремума функции касательная параллельная оси Х и ее угловой коэффициент равен 0 т. Составить первую производную от функции2. исследовать...
20550. Линейное программирование, Постановка задачи 25 KB
  Значительное число плановых производственных задач содержит критерий оптимальности в виде линейной функции независимых переменных. Критерий оптимальности в данном случае записывается в виде некоторой линейной формы. На переменную xj накладываются ограничения различного вида имеющую форму равенств и неравенств Совокупность независимых переменных xj Обеспечивающий минимум или максимум линейной формы F и удовлетворяющий приведенным соотношениям и составляет предмет линейного программирования.
20551. Симплексный метод решения задач линейного программирования 102.5 KB
  Запишем систему уравнений 5 в векторной форме: 6 где Aj B – вектор a элемент матрицы 1. Таким образом нулевые значения переменных удовлетворяют6 Векторы Аjj=n1nmможет служить базисом в mмерном пространстве. Любой небазисный вектор можно разложить по векторам базиса. Разложим некий небазисный вектор Ak по векторам базиса: Умножим 8 на положительную константу и вычтем 8 из 7 произвольная величина ее можно выбрать настолько малой что независимо от значения выражение в скобках будет всегда больше нуля так как 0...
20552. Нелинейное программирование. Постановка задачи. Представление целевой функции и ограничений линиями уровня. Пример 32 KB
  Представление целевой функции и ограничений линиями уровня. Задачи нелинейного программирования формируются следующим образом требуется найти значения вектора х удовлетворяющего равенству 1 или неравенству2 и обеспечивающих максимум или минимум целевой функции fx. Найдем минимум целевой функции f0x1x2=x1x2 стремиться к минимуму. лежит внутри квадрата а значения целевой функции в этой точке минимальны.