Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012

УДК 537(076.5)+621.3.083(076.5) ББК 22.33я7+31.264я7 Л12

Лабораторный практикум курса общей физики. Разделы «Колебания и волны», «Молекулярная физика»: Учебное пособие / Под ред. В.А. Шилова.

М.: НИЯУ МИФИ, 2012. 200 с.

Авторы: И.В. Белова (работа 2.4), Н.С. Воронова (работа 2.6), В.И. Гервидс (работы 2.2, 2.13, 2.14), Н.А. Иванова (работа 2.1), С.С. Муравьёв-Смирнов (работа 2.18), А.А. Плясов (работы 2.17, 2.19), А.И. Романов (работа 2.5), Н.Б. Сперанская (работы 2.11, 2.12), А.Н. Тюлюсов (работа 2.3), Е.В. Хангулян

(работы 2.9, 2.10), В.А. Шилов (работы 2.7, 2.8, 2.12, 2.15), О.В. Щербачёв (работа 2.16).

Дано описание 19 новых лабораторных работ по курсу «Колебания, волны, основы статистической термодинамики» для студентов 1-го курса (2-го семестра) факультетов «А», «Е», «КиБ», «Т», «Ф» НИЯУ МИФИ, выполняемых на установках фирмы PHYWE.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент проф. Ю.А. Коровин (ИАТЭ НИЯУ МИФИ)

3

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Работа в лаборатории требует от студента тщательной подготовки, поэтому, кроме описания работы, рекомендуется ознакомиться с явлением, которое предстоит экспериментально наблюдать и исследовать, по литературе, списоккоторой приводится вописанияхработ.

К работе в лаборатории допускаются только подготовленные студенты. При подготовке к лабораторной работе студент обязан внести в лабораторный журнал:

название работы и ее номер; принципиальную и рабочую схему установки;

таблицы, расчетныеформулыиформулыдлярасчетапогрешностей. При выполнении задания студент должен быть сосредоточен, внимателен и осторожен при работе с установками или отдельными их деталями. Он должен руководствоваться правилами техники безопасности и мерами предосторожности, указанными в описаниях. Выполнение задания требует от студента отчетливого представления о тех действиях, которые необходимо произвести при работе с установка-

ми, причем в том порядке, который рекомендуется в описаниях.

В процессе измерений следует систематически и аккуратно записывать результаты в лабораторный журнал. Отсчеты, как правило, заносятся в таблицы, форма которых приведена в описаниях работ. Все факторы, способные оказать влияние на точность измерений, должны быть записаны. В тех случаях, когда это рекомендуется, графические построениянеобходимо производить впроцессеработы.

Выполнение работы заканчивается составлением краткого отчета,

вкотором следует указать:

1)что и каким методом исследовалось или определялось;

2)какой результат и с какими погрешностями (абсолютными и относительными) был получен;

3)краткое обсуждение полученных результатов (соответствуют ли полученные результаты теоретическим предсказаниям или табличным данным, если нет, то какова возможная причина этого несоответствия и т.п.);

4)анализ погрешностей (указать, каков характер погрешностей результатов – приборный или случайный, какие из непосредственно измеряемых величин вносят наибольший вклад в погрешность результата).

Заключение обычно занимает около половины страницы лабораторного журнала.

4

Работа 2.1

ИЗУЧЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ СПИРАЛЬНЫХ ПРУЖИН ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИЯХ

Цель: изучение гармонических колебаний, определение коэффициента жесткости пружины при параллельном и последовательном соединениях.

Оборудование: установка для изучения гармонических колебаний; спиральные пружины; набор разновесов.

ВВЕДЕНИЕ

Всякое реальное тело под действием приложенных к нему сил деформируется, т.е. изменяет свои размеры и форму. Если после прекращения действия сил тело принимает первоначальные размеры и форму, деформация называется упругой. Упругие деформации наблюдаются в том случае, если сила, обусловившая деформацию, не превосходит некоторый, определенный для каждого конкретного материала предел (предел упругости), после которого деформа-

цию называют пластической.

Рис. 2.1.1

Возьмем пружину, имеющую в недеформированном состоянии длину l0 , один конец которой закрепим. К другому концу прило-

жим силу F (рис. 2.1.1). Под действием этой силы пружина растянется на некоторую величину l, после чего наступит равновесие. В состоянии равновесия внешняя сила F будет уравновешена упругими силами, возникшими в пружине в результате деформации. Опыт показывает, что при небольших деформациях удлинение

5

пружины l оказывается пропорциональным растягивающей силе: l F . Соответственно, упругая сила оказывается пропорциональной удлинению пружины:

F = κΔl .

Коэффициент пропорциональности κ называется коэффициентом жесткости пружины, или просто жесткостью пружины, и имеет размерность [Н/м].

Пусть грузик массой m, подвешенный на невесомой пружине жесткости κ, совершает вертикальные колебания. Возьмем начало О оси Х в положении равновесия, где сила mg уравновешивается упругой силой:

где l – модуль удлинения пружины. Тогда при смещении грузика в положение, характеризуемое координатой х, основное уравнение динамики примет следующий вид:

Это дифференциальное уравнение называют уравнением гармо-

нического осциллятора.

Гармоническими называют колебания, в которых смещение из положения равновесия изменяется со временем t по закону:

где a – амплитуда; (ω0t +α) – фаза; α – начальная фаза; ω0 – циклическая (круговая) частота колебаний. Эта частота связана с периодом T и линейной частотой ν как

Рис. 2.1.3

Рис. 2.1.4

Осторожно потяните нить, взявшись выше ролика и отпустите ее. Выждав 2–3 периода, запустите измерения. Для этого нажмите кнопку «Начать измерение».

Через несколько секунд измерение остановится и на экране появится изображение в виде графика.

10