laboratorny praktikum 10_klass-1

Лабораторный практикум по физике для 10 класса.

Раздел «Колебания»

Работа №1: «ИЗМЕРЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ С ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА МАКСВЕЛЛА»Принадлежности: маятник Максвелла, секундомер, линейка, штангенциркуль, весы, несколько наборов разновесов.Цель работы: определение момента инерции маятника.

ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ

Маятник Максвелла схематически изображен на рисунке 1. Принцип его работы основан на том, что поднятый на высоту h маятник, обладающий массой m, будет иметь потенциальную энергию mgh (g -ускорение свободного падения). Если маятник освободить, то он начнет раскручиваться и опускаться вниз. При этом его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую энергию. Та, в свою очередь, складывается из энергии поступательного движения mv2/2 и вращательного движения I2/2. На основании закона сохранения механической энергии запишем:

mgh = mv 2/2 + I2/2 (1),

где h - ход маятника (высота, на которую он опустился), v-скорость движения оси маятника, - угловая скорость маятника в тот же момент времени.Из уравнения (1), с учетом того, что v = R, где R - радиус оси маятника, получаем:

I = (2).Учитывая, что при равноускоренном движении оси маятника:

v 2 = 2ah, (3),

h = at2 /2 (4),(здесь а - ускорение, с которым опускается маятник, t – время движения маятника) получаем значение момента инерции маятника:

I экс = (5).Все величины, входящие в формулу (5) могут быть непосредственно измерены.Значение момента инерции маятника можно представить в виде суммы:

Iтеор= Iд + Iст (6),

где I д=12

mд Rд2 - момент инерции сменного кольца (mд - масса диска, Rд - радиус диска),

I ст=12

mст Rст2

- момент инерции стержня относительно его оси (mст – масса стержня, Rст- длина

стержня).

ПОРЯДОК РАБОТЫ

1. Теоретически вычислите момент инерции маятника. Для этого при помощи штангенциркуля и линейки определите его линейные размеры, а при помощи весов его массу. Подумайте, как общая масса маятника распределена между диском и стержнем, если маятник однородный и весь изготовлен из одного вещества.

2. Соберите установку по схеме, которая изображена на рисунке 2.3. Определите высоту h0 на которой находится ось маятника относительно

стола при расправленных нитях.4. Осторожно, без рывков, раскрутите ось маятника так, чтобы он начал

подниматься, наматывая нить на стержень. Измерьте начальную высоту H , отпустите маятник и одновременно включите секундомер. Замерьте время опускания маятника до того момента, когда нити полностью размотаются.

5. Повторите 4 пункт 3 раза, при этом высота H каждый раз должна быть одна и та же. Вычислите среднее время опускания маятника.

6. Вычислите экспериментальное значение момента инерции маятника.7. Повторите пункты 3, 4, 5 для ещё двух высот H.8. Сравните экспериментальное и теоретическое значение момента инерции маятника и

объясните результаты этого сравнения в выводе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется моментом инерции твердого тела?2. Чему равна кинетическая энергия твердого тела?3. На каком основании написано соотношение (3)?4. Формула (5) справедлива, если а = const. Откуда следует справедливость этого условия?5. Являются ли колебания маятника Максвелла гармоническими?

Рис. 2



Работа №2: « ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ОБОРОТНЫМ МАЯТНИКОМ (МЕТОД БЕССЕЛЯ)»Принадлежности: оборотный маятник, секундомер, рулетка.Цель работы: определение ускорения свободного падения.


Применение оборотного маятника основано на свойстве сопряженности ц е н т р а к а ч а н и я и точки подвеса. Это свойство заключается в том, что во всяком физическом маятнике можно найти такие две точки, что при последовательном подвешивании маятника за ту или другую из них период колебаний его остается одним и тем же. Расстояние между этими точками определяет собой приведенную длину данного маятника.Если амплитуда колебаний маятника мала, то время одного простого колебания его, т. е. период колебания, определяется формулой

T=2 π √ Jgma

(1)

По теореме о моментах инерцииJ=J 0+ma2 (2)где J0 — момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести и параллельной оси качаний, J – момент инерции относительно оси качания, m – масса тела, а – расстояние между центром тяжести и осью качания. Из уравнений

T 1=2 π √ J 0+ma12

gm a1

и T 2=2 π √ J 0+ma22

gm a2

получаем T 12 g a1−T2

2 g a2=4 π 2 (a12−a2

2 )Для величины ускорения из последней формулы после преобразований получаем уравнение, данное Бесселем:

g=4 π 2 (a1

2−a22 )

T 12a1−T2

2 a2

(3)

Если периоды равны между собой (T1=T2=T), уравнение примет вид (4)

g=4 π2 L

T 2 (4) Где L=a1+a2 - приведённая длина.Добиться полного равенства периодов нелегко. Формула Бесселя позволяет достаточно просто и с не меньшей степенью точности определить величину ускорения при приближенном равенстве периодов колебаний.Пусть T1 и Т2 близки друг к другу, а величины а1 и а2 сильно отличаются одна от другой (одна чечевица лёгкая, другая тяжёлая). В этом случае, как видно из формулы, нет необходимости определять величины а1 и а2 с большой степенью точности (не точнее чем до 1 мм).Описание прибора. Оборотные маятники в зависимости от предъявляемых к ним требованиям имеют самую различную форму. Они обычно состоят из металлического стержня длиной свыше 1 м. По стержню могут передвигаться и закрепляться в том или ином положении тяжелые и легкие чечевицы (грузы) и опорные призмы. Различные комбинации чечевиц и их положений на стержне с опорными призмами дают различные типы оборотных маятников.

В настоящей задаче применяется оборотный маятник, изображенный на рис. На металлическом стержне Л опорные призмы В жестко закреплены и не перемещаются. Жестко закреплена и чечевица С, находящаяся между ними. Вторая чечевица D находится на конце стержня (не между призмами) и может перемещаться по стержню и закрепляться в нужном положении.

Расстояние между призмами постоянно.

D

С

А

В

В

а2

а1

Центр масс

Измерения. Пользуясь секундомером, определяют периоды колебаний маятника для различных положений чечевицы D на стержне. Это следует проделать, перемещая чечевицу через каждый сантиметр, т. е. получить десять одиннадцать значений периодов. Каждый период определяется дважды из 50 колебаний, каждый раз пользуются средним арифметическим значением.Необходимо построить график зависимости периода колебаний от положения чечевицы на стержне маятника, откладывая по оси абсцисс положение чечевицы, а по оси ординат величину периода колебаний.

После этого ось вращения маятника изменяют, т. е. заставляют маятник колебаться на другой опорной призме. Вновь, в тех же пределах, с тем же числом измерений, совершенно так же измеряют периоды колебаний. На той же миллиметровой бумаге полученный материал также представляют в виде графика. Точка пересечения кривых определяет местонахождение подвижной чечевицы, которое дает наиболее близкие друг к другу значения периодов.

Для ускорения эксперимента и повышение его точности необходимо получать значение периодов для двух опорных призм сразу для одного положения чечевицы, а уже потом перемещать её в новое положение. Результаты лучше заносить в таблицу.

№ а1 Число колебаний

t, свремя

колебаний

T1, спериод

А2 Число колебани

й

t, свремя

колебаний

T2, спериод

Для этого положения определяют периоды колебании T1 и Т2 (в прямом и перевернутом положении маятника) с наибольшей тщательностью. Определяют время 100 колебаний маятника не менее трех раз, откуда вычисляют период колебаний. Совершенно так же поступают и при определении второго периода (перевернутый маятник).Для определения величин а1 и α2 маятник снимают с консоли и осторожно кладут его стержнем на кафедру. На подставке, которая имеет острую грань, маятник необходимо уравновесить.

Расстояния от точки центра тяжести маятника, находящейся над гранью, до опорных призм дают величины а1 и α2. Измерения их производятся рулеткой с точностью до миллиметра.

По полученным данным, пользуясь формулой Бесселя, определяют величину ускорения силы тяжести.Выполнение работы требует внимания и тщательности. Недопустимы колебания маятника с углом

отклонения больше чем 4°.


1. Что такое приведённая длина?2. От чего зависит величина ускорения свободного падения для Земли?3. Каков теоретический вид зависимости периода колебаний от положения чечевицы? Объясните.



Работа №3: «ИЗУЧЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ МАЯТНИКА НА БИФИЛЯРНОМ ПОДВЕСЕ»Принадлежности: маятник на бифилярном подвесе, секундомер, линейка, штатив, нить, лист миллиметровой бумаги.Цель работы: определение периодов колебания маятника в различных плоскостях.


Маятник на бифилярном подвесе представляет собой протяжённое тело, подвешенное на двух подвесах, закреплённых в одной точке. В нашем случае протяжённым телом является стержень с грузами на концах (см. рис.1). Где АВ – стержень с грузами. АО и ВО – подвесы, О – точка крепления подвесов.Такой маятник может колебаться в различных плоскостях.В плоскости АОВ (рис. 2) – 1 колебание.В плоскости перпендикулярной АОВ (рис. 3) – 2 колебание.Малые крутильные колебания вокруг оси ОС (рис. 4) – 3 колебание.

Очевидно, что все эти колебания будут происходить по разному, следовательно будут иметь разный период колебаний. Периоды этих колебаний будут зависеть от длины подвесов. Ваша задача состоит в том, чтобы получить вид зависимости периодов колебания от длины подвеса для каждого из трёх видов колебаний и объяснить наблюдаемые различия периодов.

ПОРЯДОК РАБОТЫ1. Подвесьте на штатив маятник и измерьте длины нитей. Для простоты объяснений за длину

подвеса будем принимать длину отрезка ОС. Эту длину легко вычислить по теореме Пифагора. Установите начальную длину подвеса около 100 см.

2. Замерьте периоды всех трёх видов колебаний при данной длине подвеса. Для этого необходимо засечь время 20 – 30 колебаний, а затем вычислить средний период. Обратите внимание, что колебания должны быть малыми, т.е. отклонение от вертикали на должно составлять 4-50, а в третьем случае не более четверти оборота.

3. Увеличьте длину подвеса на 5 см и повторите пункт 2. Проделайте это не менее 10 раз.4. По полученным данным постройте график зависимости периода колебания от длины

подвеса. По горизонтальной оси откладывайте длину подвеса, а по вертикальной значение периода. Лучше все три графика построить на одной координатной плоскости, но разным цветом.

5. Постарайтесь объяснить, чем вызваны различия в графиках.6. Оцените погрешности своих измерений.

Рис. 1С

О

ВА

Рис. 2С

О

ВА

Рис. 3С

О

ВА

Рис. 4С

О

ВА


Раздел «Колебания»Работа №4: « ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЖЁСТКОСТИ ПРУЖИНЫ ПРИ ПОМОЩИ КРУТИЛЬНОГО МАЯТНИКА»Принадлежности: крутильный маятник, секундомер, рулетка, весы с разновесами.Цель работы: определение коэффициента жёсткости пружины на скручивание.


Крутильные колебания – это весьма распространенный тип колебаний. Крутильные колебательные системы присутствуют в часовых механизмах, стрелочных приборах, различных поворотных устройствах.Крутильные колебания возникают, если при повороте груза появляется возвращающий момент сил М.Пусть возвращающий момент сил М прямо пропорционален углу поворота φ: М = - k φ . Здесь k - это «угловая жесткость» пружины на скручивание. Тогда для тела с моментом инерции I относительно центра масс уравнение динамики вращательного движения примет вид: I β = - k φ, где β – угловое ускорение тела.Последнее уравнение представляет собой уравнение гармонических колебаний с периодом

T=2 π √ Ik

.

Таким образом, зная период крутильных колебаний и момент инерции тела можно определить «угловую жесткость» пружины.В данном эксперименте телами будут являться два массивных груза массой m, закреплённых на лёгком стержне, на расстоянии r от оси вращения. Момент инерции в этом случае вычисляется по формуле I= 2 m r2. Стержень при этом тоже будет обладать заметным моментом инерции, который вычисляется по формуле I = 1/12 m r2. Моменты инерции при этом складываются.

Описание прибора.Крутильный маятник представляет собой лёгкий стержень, закреплённый на горизонтальной оси, по которому могут перемещаться грузы. К оси прикреплена упругая лента, которая при повороте стержня создаёт возвращающий момент. Перемещая грузы по стержню можно изменять момент инерции системы.

ПОРЯДОК РАБОТЫ1. При помощи весов определите массу грузов и стержня.2. Определите период колебания маятника. Для этого необходимо

засечь время 10 – 20 колебаний и вычислить средний период одного колебания. Помните, что колебания должны быть малыми, т.е. начальное отклонение маятника не должно превышать четверти оборота.

3. Вычислите момент инерции.4. Определите «угловую жесткость» пружины.5. Закрепите грузы на делениях, ближайших к оси вращения и повторите пункты 2-4.6. Переместите грузы на следующее деление и повторите пункты 2, 3, 4, 5, 6. Повторяйте их до

тех пор, пока на стержне не закончатся деления.7. Вычислите среднюю «угловую жесткость» пружины.


1. Какова была бы ошибка, вызванная тем, что мы не учли бы момент инерции стержня?

2. Почему в уравнении динамики вращательного движения для крутильного маятника не учитывается сила тяжести?


Раздел «Колебания»Работа №5: « ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ПЛАСТИНЫ»Принадлежности: пластина, секундомер, рулетка, весы с разновесами, отвес.Цель работы: экспериментально определить коэффициент в формуле момента инерции для пластины.


Момент инерции вычисляется по формуле: J=ma2, где m – масса тела, a – расстояние до оси вращения. Но данная формула справедлива только для материальной точки. Для протяжённого тела в этой формуле появляются различные коэффициенты. Эти коэффициенты можно вычислить теоретически с применением методов интегрирования. Но можно их получить экспериментально, если рассматривать тело, как физический маятник.Если амплитуда колебаний маятника мала, то период колебания определяется формулой

T=2 π √ Jgma

(1)

По теореме о моментах инерцииJ=J 0+ma2 (2)где J0 — момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести и параллельной оси качаний, J – момент инерции относительно оси качания, m – масса тела, а – расстояние между центром тяжести и осью качания. Тогда получается формула:

T=2 π √ J 0+m a2

gmaОтсюда:

J0=ma( g T 2

4 π2 −a) (3)

Но для того, чтобы воспользоваться этой формулой, необходимо измерить а – расстояние между центром тяжести и осью качания. А для этого нужно определить центр тяжести пластины. Сделать это можно следующим образом. Если плоское тело подвесить в различных точках и из этих точек при помощи отвеса провести вертикальные линии, то точка пересечения этих линий и будет центром тяжести тела.

ПОРЯДОК РАБОТЫ1. При помощи весов определите массу пластины (подумайте, как это можно сделать, не

используя вторую чашку весов).2. Определите центр тяжести пластины, подвешивая её за различные отверстия и используя

отвес.3. Подвесьте пластину за отверстие и определите период малых колебаний. Отклонять

необходимо не более чем на 40. Засекайте время 20 – 30 колебаний. Проделайте опыт не менее трёх раз.

4. Вычислите момент инерции пластины.5. Подвесьте пластину за отверстие на смежной стороне и повторите пункт 2 и 3.


1. Чему равен коэффициент в формуле момента инерции для пластины?2. Объясните физический смысл способа определения центра тяжести.3. Зависит ли период колебания пластины от её массы?

laboratorny praktikum 10_klass-1

Documents