Сборка лабораторной установки, порядок проведения измерений и обработка результатов

1-штатив, 2-кронштейн, 3-электромагнит, 4-маятник, 5-оптодатчик

Рисунок 2 Маятник Максвелла

1. Соберите лабораторную установку в соответствии с рис. 2. Сначала смонтируйте стойку штатива (1) и закрепите на ней кронштейн (2). Направление кронштейна должно почти совпадать с направлением одной из перекладин основания штатива. В этом случае штатив не будет опрокидываться при достижении маятником нижней точки. Наденьте на кронштейн одно из колец, к которому привязана нить маятника, затем электромагнит с сердечником (3), а после этого - второе кольцо с нитью. Отрегулируйте длину нитей так, чтобы ось маятника (4) была горизонтальной.

Под свободно висящим неподвижным маятником установите оптодатчик (5) (рис.2). Отрегулируйте высоту установки кронштейна таким образом, чтобы нижняя кромка диска свободно висящего маятника была на 1см ниже уровня, на котором находятся излучатель и приемник датчика.

Рисунок 3 Схема подключения лабораторной установки

2. Соберите электрическую схему эксперимента (рис.3). Подключите оптодатчик к плате электромагнита, а саму плату к входу концентратора, присоединив последний к USB- входу компьютера

3. После включения компьютера запустите программу физического практикума «Датчики» На панели устройств выберите соответствующий сценарий проведения эксперимента (Alt+C)

4. Приступите к проведению опыта. для этого необходимо сделать следующее:

а) включите блок питания. При этом на электромагнит будет подано напряжение питания.

б) намотайте нити на вал и подвесьте маятник к магниту. Когда электромагнит удерживает маятник, нити подвеса не должны быть натянуты и не должны провисать. Выполнение этих условий позволит Вам уменьшить разброс во времени падения маятника. Поэтому после того, как Вы подвесили маятник к электромагниту, слегка поверните его в направлении разматывания нитей.

в) Выберите пункт меню «ЗАПУСК» (Ctrl+S). При этом одновременно с отключением питания электромагнита начнется отсчет времени падения маятника. Как только маятник перекроет свет в оптодатчике, на экране компьютера появится время его движения.

г)Остановите руками движение маятника и запишите время в таблицу. Остановите измерения (Ctrl+T)

5. Повторите измерения по пунктам "4 в" - "4 г" еще 4 раза. Измеренное время падения заносите в таблицу 2.

6. При помощи линейки определите высоту падения маятника h (измерьте расстояние от нижней точки диска маятника, когда он подвешен к электромагниту, до оптической оси оптодатчика) и запишите ее в таблицу 3. Обратите внимание на погрешность определения h.

7. Обработка результатов проводится следующим образом:

а) на основании экспериментальных данных рассчитайте среднее время падения маятника и среднеквадратичное отклонение . Рассчитайте случайную погрешность времени падения. Полученные значения внесите в таблицу 3.

б) определите момент инерции маятника. Расчет проводится по формуле (6) с использованием характеристик маятника (масса и диаметр оси), приведенных в таблице 2, и времени падения. Диаметр нитей подвеса 0.6 мм. Полученный результат впишите в таблицу 4 (J_эксп).

в) Рассчитайте момент инерции маятника на основе данных, приведенных в таблице 2

Внесите результаты в таблицу 4.

г) Сопоставьте результаты расчетов и экспериментов. Оцените погрешность определения момента инерции маятника.

Таблица 2.

d0, мм	D, мм	m0, кг	mд, кг	m, кг
9±0.1	100±0.1	0.062	0.490	0.552

Таблица 3.

№ опыта	1	2	3	4	5
время падения, с

Таблица 4.

tср, с	h, м	Jэксп, кг·м2	Jо, кг·м2	Jд, кг·м2	Jтеор, кг·м2

Обозначения, принятые в таблицах:

d_о- диаметр оси маятника;

D - диаметр диска;

m_о - масса оси маятника;

m_д- масса диска ;

m - полная масса маятника;

- момент инерции диска

- момент инерции вала

- момент инерции маятника, рассчитанный на основе данных эксперимента.

Указания по технике безопасности

1. Проверить целостность нитей подвеса маятника перед проведением опыта.

2. Не допускать ударов маятника по корпусу оптодатчика. Для этого необходимо руками останавливать его движение после первого или второго подъема вверх.

Лабораторная работа 5

ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА КОМПЬЮТЕРНЫМ СПОСОБОМ

Цель работы: измерение коэффициента внутреннего трения методом Стокса.

Оборудование:
трубка с жидкостью подставка стальной шарик электромагнит	оптодатчики - 2 шт. измерительный блок L‑микро блок питания.

Сила сопротивления F_c, действующая со стороны жидкости на медленно движущееся в ней тело шарообразной формы, выражается формулой Стокса:

F_c =6Rv, (1)

Рисунок 1 Метод Стокса

где R - радиус тела, v - его скорость, а  - динамическая вязкость жидкости. На применении этой формулы основывается метод измерения динамической вязкости, называемый методом Стокса. При определении вязкости по методу Стокса измеряется скорость установившегося (равномерного) падения небольшого шарика в жидкости.

На шарик, падающий в вязкой жидкости, действуют три силы (см. рис.1) - сила тяжести P, направленная вниз, выталкивающая сила - сила Архимеда F_A, направленная вверх и сила сопротивления F_c, направленная против движения, т.е. тоже вверх.

Если опустить шарик в жидкость, то он вначале он будет двигаться ускоренно, т.к. P>F_A+F_c. сила сопротивления F_c будет расти согласно формуле Стокса до тех пор пока не наступит равновесие сил:

P=F_A+F_c (2)

С этого момента движение шарика будет равномерным. Из уравнения (2) и определяется коэффициент вязкости.

Силу тяжести находим по объему v и плотности _m металлического шарика:

(3)

Силу Архимеда определяем по объему шарика и плотности жидкости :

(4)

Подставляя в (2) выражения (1), (3), (4) получим:

(5)

Решение уравнения (5) относительно  дает расчетную формулу:

(6)

В лабораторной работе непосредственно измеряется скорость шарика v в жидкости при равномерном движении. Величины R, _m и  даны в даны в таблице 2.

Сборка лабораторной установки, проведение эксперимента и обработка результатов изменений

1. 

   1,2-оптодатчики, 3-основание, 4-электромагнит, 5-сердечник электромагнита, 5-стеклянная трубка, 6 -пробка

   Рисунок 2 Схема лабораторной установки

   Соберите установку для измерения вязкости как показано на рис.2. Оптодатчики (1 и 2) необходимо вставить сбоку в соответствующие прорези основания (3). При этом расстояние между оптическими осями датчиков составит 30 мм. Катушка электромагнита (4) закрепляется на металлическом стержне (5), выходящем из пробки которой закрыта трубка (6). При проведении измерений трубка (6) вставляется в отверстие основания (3).

2. Подключите измерительный блок L^‑микро к разъему последовательного порта компьютера и включите его в сеть (220В, 50Гц). Девятиштырьковый разъем кабеля электромагнита подсоедините к третьему каналу измерительного блока, а на два штекера этого кабеля подайте постоянное напряжение 6В от блока питания. В первый и второй каналы измерительного блока включите оптодатчики (рис. 3). Включите измерительный блок L-микро.

3. Запустите программу L-phys.exe, выберите пункт меню «Список опытов»и в появившемся на экране списке выберите лабораторную работу «Измерение вязкости жидкости методом Стокса».

4. 

   Рисунок 3Схема подключения лабораторной установки

   Выберите пункт меню «ИЗМЕ-РЕНИе». При этом будет подано напряжение питания на электромагнит. переверните трубку с жидкостью для того, чтобы шарик захватился электромагнитом. Вставьте трубку обратно в основание и произведите запуск (отключите питание электромагнита нажатием клавиши на экране). время пролета шарика между оптическими осями датчиков появится на экране компьютера. Его необходимо внести в таблицу 1.

таблица 1 Время движения шарика

№	ti,c	ti,c	ti2,c	Расчетные формулы
				N=5; ; =0,9; (N)= ; tсл=(N)S= ; t=tсл+tпр=
	t	ti2

6. Проведите опыт 5-10 раз. Иногда шарик падает не по оси цилиндра с жидкостью, а ближе к стенке. В этом случае его движение не регистрируется оптодатчиками, и опыт необходимо повторить. вычислите усредненное значение времени движения шарика между оптодатчиками t_ср.

7. Рассчитайте погрешность измерения времени падения шарика.

8. В таблице 2 рассчитайте скорость шарика и определите вязкость жидкости на основании расчетной формулы.

таблица 2

R, м	, кг/м3	т, кг/м3	l, м	vср, м/с	, кг(мс)
0.00255	1.18103	7.8103	0.03

9. Вычислите относительную и абсолютную погрешность измерения коэффициента внутреннего трения ,

Указания по технике безопасности

1. Включать в сеть измерительный блок L-микро можно только после его подключения к разъему последовательного порта компьютера.

2. Осторожно обращаться со стеклянной трубкой. Переворачивать ее необходимо на минимальной высоте над столом.

Лабораторная работа 6

ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА

Цель работы: измерение коэффициента внутреннего трения методом Стокса.

Оборудование:
Стеклянный цилиндр с жидкостью штатив металлические шарики секундомер	отсчетный микроскоп линейка

Сила сопротивления F_c, действующая со стороны жидкости на медленно движущееся в ней тело шарообразной формы, выражается формулой Стокса:

F_c =6Rv, (1)