73150

Дослідження розподілу випадкових величин. Визначення прискорення вільного падіння (за допомогою математичного маятника)

Лабораторная работа

Астрономия и авиация

Мета роботи: ознайомитися з методом визначення прискорення вільного падіння за допомогою математичного маятника та дослідити особливості розподілу випадкових величин. За допомогою математичного маятника експериментально визначити прискорення вільного падіння біля поверхні Землі.

Украинкский

2014-12-04

115.9 KB

18 чел.

    

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Кафедра авіоніки

Лабораторна робота № 2

Тема: Дослідження розподілу випадкових величин. Визначення прискорення вільного падіння. ( за допомогою математичного маятника)

Виконав:Безверхий Валентин

Студент групи: АВ-112

Мета роботи: ознайомитися з методом визначення прискорення вільного падіння за допомогою математичного маятника та дослідити особливості розподілу випадкових величин.

Завдання:

  1.  Побудувати гістограму виміряних значень періоду коливань.
    1.  За допомогою математичного маятника експериментально визначити прискорення вільного падіння біля поверхні Землі.

Прилади: математичний маятник, секундомір, рулетка.

Теоретичні відомості

Чи існують закономірності в появі таких похибок під час повторних вимірювань? Теорія випадкових похибок грунтується на теорії ймовірностей, яка розглядає випадкові події. Імовірність появи деякої події дорівнює відношенню кількості випадків , за яких подія настає, до загальної кількості спостережень п. Вважатимемо, що маємо справу лише з випадковими похибками. Тобто при повторних вимірюваннях деякої величини х ми одержали низку значень цієї величини x, ми одержали низку значень цієї величини та похибок.

Якщо відхилення невеликі за значеннями, то вони здебільшого підлягають закону нормального розподілу. Цей закон діє за таких умов:

  1.  випадкові похибки набирають низку неперервних значень;
    1.  за великої кількості вимірювань однаково часто трапляються додатні і від'ємні похибки однакової величини;
      1.  малі похибки трапляються частіше, ніж великі.

Аналітичний вираз для нормального розподілу вперше був одержаний німецьким математиком Гаусом, і має назву розподіл Гауса. Формула розподілу Гауса (розподілу ймовірностей) має вигляд:

,

де  – дисперсія (розсіяння) вимірюваної величини. Здобувши корінь квадратний з дисперсії, дістаємо середньоарифметичне відхилення  окремого вимірювання, що дорівнює середньоквадратичній похибці окремого вимірювання:

.

Функція  називається щільністю імовірності – імовірністю потрапляння величини  у деякий одиничний інтервал  на осі  (рис. 1). Якщо ж інтервал і, відповідно, добуток функції розподілу ймовірностей  на цей інтервал  можна подати як

Рис. 1

,

де  – кількість вимірювань в інтервалі від  до ;  – загальна кількість вимірювань.

Функцію розподілу ймовірностей (закон нормального розподілу) графічно можна зобразити кривою Гауса. Імовірність появи малих похибок більша, ніж великих. Ця імовірність також збільшується з покращенням якості вимірювання, що визначається дисперсією. Чим менша дисперсія , тим менший розкид похибок, і тим більша точність вимірювання.

Математичний маятник

Математичний маятник — ідеальна модель маятника (матеріальна точка, підвішена на невагомій і нерозтяжній нитці). На практиці це металева куля масою т, підвішена на міцній нитці довжиною l, при цьому довжина нитки набагато більша за діаметр кулі. Такий маятник, відхиленний від положення рівноваги на кут  і залишений без дії зовнішніх сил, буде виконувати коливання, які можна вважати незгасаючими. Зворотна сила  напрямлена по дотичній до траєкторії в бік рівноваги, вона є рівнодійною сили натягу нитки  та сили тяжіння mg. Якщо кут альфа достатньо малий ( 3…6), то в радіанній мірі , де  а – зміщення маятника від положення рівноваги. З рис. 2 видно, що

.

Знак «мінус» свідчить, що сила і зміщення напрямлені в протилежні боки. За другим законом Ньютона ; позначимо , тоді

.

Ми дістали диференціальне рівняння коливання маятника (головне рівняння гармонічних коливань). Його розв’язок відносно осі  має вигляд:

,

де  – амплітуда коливань,  – циклічна частота;  – початкова фаза коливань.

Період (час одного коливання) , або

, звідки .

З цієї формули випливає, що, знаючи довжину маятника і період його коливання, можна обчислити прискорення вільного падіння в тій точці Землі, де міститься маятник.

Ми дістали диференціальне рівняння коливань маятника (головне рівняння гармонічних коливань). Його розв'язок відносно х має вигляд:

X=Asin(0t+),

Де А – амплітуда коливань, 0 – циклична частота,  – початкова фаза коливань.

Прискоренням вільного падіння називається прискорення, з яким рухається тіло під дією єдиної сили – сили тяжіння. Тому, використвоючи закон всесвітнього тяжіння, можна теоретично встановити, від чого залежить величина прискорення вільного падіння

Висновок: величина прискорення вільного падіння залежить тільки від величини, якими визначається сила всесвітнього тяжіння, і не залежить від параметрів конкретного математичного маятника.

Порядок виконання роботи

  1.  Виміряти рулеткою довжину маятника, тобто відстань від точки підвісу нитки до центра кульки. Отриманий результат записати в протокол.
  2.  Відхилити кульку маятника на кут  від положення рівноваги і відпустити її.
  3.  Почекати, поки кулька зробить 5-7 повних коливань. Цей час потрібен для того, щоб згасли другорядні коливання, які з’явилися при виведенні маятника з положення рівноваги.
  4.  Увімкнути секундомір, коли кулька проходить положення рівноваги, і вимкнути, коли маятник зробить три-п’ять коливань. Одержаний результат записати в табл. 1.
  5.  Не зупиняючи маятника, повторити пункт 4 п’ятдесят разів. Якщо за час проведення вимірювань амплітуда коливань суттєво зменшиться і проводити випробування буде незручно, треба повторити пункти 2 і 3, потім продовжити вимірювання за пунктом 4. Результати вимірювань занести до табл. 1.

Таблиця 1.

Номер вимірювання

Поточні виміряні значення часу

, с

Виміряні значення в порядку зростання

, с

Номер інтервалу і його межі

, с

Кількість вимірювань, що входять в інтервал

Відносна кількість вимірювань в інтервалі

1

9.97

9.02

№1 (9.02;9.24)

№1

2

4

2

10.22

9.03

3

10.12

9.34

4

10.56

9.37

№2
(9.24
;9.46)

№2

2

4

5

9.93

9.47

6

10.33

9.65

7

9.02

9.66

8

9.82

9.78

№3

(9.46;9.68)

№3

3

6

9

10.39

9.82

10

9.93

9.82

11

9.03

9.93

№4

(9.68;9.9)

№4

3

6

12

9.99

9.93

13

10.14

9.96

14

10.12

9.96

№5

(9.9;10.12)

№4

20

40

15

9.82

9.97

16

10.11

9.97

17

9.97

9.99

№6

(10.12;10.34)

№6

14

28

18

10.20

9.99

19

10.00

10

20

10.52

10

21

10.00

10.04

22

10.51

10.04

№7

(10.34-10.56)

23

10.15

10.08

№7

6

24

9.78

10.09

12

25

10.04

10.1

26

10.41

10.11

27

9.34

10.12

28

10.12

10.12

29

10.10

10.12

30

10.17

10.12

31

9.96

10.13

32

9.65

10.14

33

9.37

10.15

34

10.13

10.15

35

10.26

10.17

36

10.12

10.17

37

9.99

10.18

38

10.04

10.2

39

9.47

10.21

40

10.17

10.22

41

10.09

10.22

42

9.96

10.23

43

10.18

10.26

44

10.21

10.33

45

10.23

10.39

46

10.08

10.41

47

10.45

10.45

48

9.66

10.51

49

10.22

10.52

50

10.15

10.56

Обробка результатів вимірювань

  1.  Побудова гістограми.
  2.  Розмістити здобуті результати вимірювань у порядку збільшення значень часу від найменшого значення  до найбільшого  і занести їх у табл. 1.
  3.  Знайти діапазон , в якому містяться значення часу:

.=1.54

  1.  Поділити здобутий діапазон  на 5-8 однакових інтервалів, наприклад, у разі п’яти інтервалів .=0.22
  2.  Визначити межі часу кожного з інтервалів: 1-й інтервал від  до ; 2-й інтервал від  до ; 3-й інтервал від  до  і так далі до .
  3.  Обчислити кількість вимірювань , що входять до кожного з інтервалів. Результати занести в табл. 1.

  1.  Обчислити відносну кількість вимірювань , що входять у кожен з інтервалів; вона пропорційна ймовірності знаходження істинного значення  у даному інтервалі. Результати занести в табл.1.
  2.  Побудувати гістограму виміряних значень, тобто графік залежності частоти (імовірність) появи того чи іншого значення міститься. Загальний вигляд гістограми подано на рис. 3. Порівняти форму отриманої експериментальної гістограми з кривою Гауса та зробити висновки про те, чи відповідає одержана гістограма нормальному розподілу випадкових величин.
  3.  Обчислення прискорення вільного падіння і похибки вимірювань.
  4.  Виділити на гістограмі інтервал, в якому частота появи виміряних значень найбільша.
  5.  Обчислити середньоарифметичне значення часу  серед вимірювань, що входять у цей інтервал.

              

                                                        

Обчислити значення прискорення вільного падіння за формулою

.

  1.  Обчислити абсолютну похибку вимірювання часу коливань за даними, що входять до інтервалу, в якому частота появи виміряних значень найбільша:

,

Δt==0.93

де  – випадкова складова похибки, обрахована для довірчої ймовірності  за використанням коефіцієнта Стьюдента;   –  систематична похибка, що дорівнює інструментальній похибці секундоміра.

Зазначимо, що для вимірюваних величин, які підкоряються нормальному закону розподілу (розподілу Гауса), в довірчий інтервал  потрапляє 95% значень усіх окремих вимірів. Отже, випадкову похибку окремого вимірювання  , що відповідає довірчій імовірності , можна дістати за даними табл. 1 (використовуючи п’ятдесят значень ) за формулою

.=

Відомо, що середньоквадратичне відхилення середнього арифметичного  в  ( – кількість окремих випадків) разів менше за середньоквадратичне відхилення окремого вимірювання. Тому випадкова похибка середньоквадратичного  буде в  разів менша за :

 =0.95/7.07=0.13

  1.  Обчислити відносну похибку вимірювання прискорення вільного падіння за формулою

=

де  – абсолютна похибка вимірювання довжини нитки маятника; її можна взяти такою, що дорівнює ціні поділка рулетки, якою вимірюють довжину нитки.

  1.  Обчислити абсолютну похибку
  2.  =0.131*9.811=128.5см=1.2м
  3.  Остаточний результат знаходження прискорення вільного падіння записати у вигляді:

 м/с2; 1.3%

          

Висновок

Я ознайомився з методом визначення прискорення вільного падіння за допомогою математичного маятника і дослідив розподіл випадкових величин. Побудував гістограму виміряних значень періоду коливань.  Експерементально визначив прискорення вільного падіння біля поверхні землі за допомогою математичного маятника .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38136. Концептуальні засади соціального і гуманітарного забезпечення та виховної роботи в Збройних Силах України 188 KB
  Актуальність вивчення даної теми полягає в тому, що знання командиром (начальником) концептуальних засад гуманітарного та соціального забезпечення, змісту і основних напрямків соціальної і гуманітарної політики, основ морально-психологічного забезпечення, на сучасному етапі розвитку ЗС України виступає важливою передумовою ефективного навчання та виховання особового складу в підрозділі (частині).
38137. Організація морально-психологічного забезпечення окремих видів бойової підготовки підрозділів 157 KB
  Оголосити тему заняття, її актуальність та звязок з іншими темами, мету та навчальні питання, які будуть розглянуті. Особливу увагу на занятті необхідно звернути на те, що існує обєктивна потреба в оволодінні всім офіцерським складом загальними поняттями про психологію спілкування у військовому колективі, а також розкрити сутність, функції та структура спілкування,
38138. Організація заходів морально-психологічного забезпечення виконання миротворчих завдань 149 KB
  Географія міжнародних миротворчих операцій є практично необмеженою, оскільки жоден населений регіон світу не можна вважати абсолютно стабільним. Тому військові підрозділи, що призначаються для здійснення миротворчих операцій, мають бути готовими до дій у будь-яких географічних і кліматичних умовах. Водночас не викликає сумніву потреба диференційованої підготовки миротворчих підрозділів до дій в особливих умовах (наприклад, гірських або тропічних).
38139. Організація психологічної підготовки в збройних силах країн – членів НАТО 107.5 KB
  Організація моральнопсихологічного забезпечення Заняття №16: Організація психологічної підготовки в збройних силах країн – членів НАТО Час: 2 години Мета заняття: 1. У бундесвері концепцію виховного впливу формує цілий Апарат ідеологічної роботи збройних сил безпосередньо підпорядкований міністру оборони країни. На вищому рівні цим...
38140. Морально-психологічне забезпечення основних видів бою Сухопутних військ ЗС України 133.5 KB
  Оголосити тему заняття, її актуальність та звязок з іншими темами, мету та навчальні питання, які будуть розглянуті. Особливу увагу на занятті необхідно звернути на те, що існує обєктивна потреба в оволодінні всім офіцерським складом загальними поняттями про психологію спілкування у військовому колективі, а також розкрити сутність, функції та структура спілкування...
38141. Завдання органів з виховної роботи на сучасному етапі розвитку Збройних Сил України 159.5 KB
  Морально-психологічне забезпечення діяльності військ – це система заходів, спрямованих на формування і підтримання високого морального духу армії, МПС і дисципліни особового складу, правопорядку військового, на згуртування військових колективів і протидію інформаційно-психологічному впливу противника.
38142. Плануюча і звітна документація з питань морально-психологічного забезпечення виконання миротворчих завдань 104 KB
  Закріпити знання одержані курсантами студентами в процесі самостійної роботи над навчальною методичною і науковою літературою; 2. Головною метою його роботи є оптимізація спільної військової діяльності міжособистісних взаємин а також моральнопсихологічного стану окремих військовослужбовців. ОСНОВНА ЧАСТИНА: виховної роботи це визначення напрямів шляхів змісту засобів методів і форм щодо реалізації цілей виховної роботи прийняття конкретних адресних обґрунтованих рішень що стосуються реалізації заходів виховної роботи їх...
38143. Відпрацювання плануючої та звітної документації з питань морально-психологічного забезпечення основних видів бою 102 KB
  Закріпити знання одержані курсантами студентами в процесі самостійної роботи над навчальною методичною і науковою літературою; 2. Головною метою його роботи є оптимізація спільної військової діяльності міжособистісних взаємин а також моральнопсихологічного стану окремих військовослужбовців. ОСНОВНА ЧАСТИНА: Планування виховної роботи це визначення напрямів шляхів змісту засобів методів і форм щодо реалізації цілей виховної роботи прийняття конкретних адресних обґрунтованих рішень що стосуються реалізації заходів виховної роботи...