Лабы по физике 2022-2023 / 1 сем / лаба6 / Лабораторная по физике 6
.docxФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова (Ленина)»
кафедра физики
ОТЧЕТ
по лабораторной работе № 6
«ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА»
Выполнил:
Группа №
Преподаватель: Иманбаева Райхан Талгатовна
Вопросы |
Задачи ИДЗ |
Даты коллоквиума |
Итог |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
Санкт-Петербург, 2022
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение законов поступательно-вращательного движения твердого тела, сохранения энергии, определение момента инерции маятника.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: маятник Максвелла, секундомер, масштабная линейка, штангенциркуль.
С ХЕМА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ:
М аятник Максвелла представляет собой диск 6, закрепленный на стержне 7, подвешенном на бифилярном подвесе 5 к верхнему кронштейну 2. На диск крепится кольцо 8. Верхний кронштейн 2, установленный на вертикальной стойке 1, имеет электромагнит и устройство 4 для регулировки длины бифилярного подвеса. Маятник с кольцом фиксируется в верхнем исходном положении с помощью электромагнита. На вертикальной стойке 1 нанесена миллиметровая шкала, по которой определяется ход маятника. На нижнем кронштейне 3 находится фотоэлектрический датчик 9. Кронштейн обеспечивает возможность перемещения фотодатчика вдоль вертикальной стойки и его фиксирования в любом положении в пределах шкалы 0…420 мм. Фотодатчик предназначен для выдачи электрических сигналов на секундомер 10 в момент пересечения светового луча оси фотодатчика диском маятника.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Механическая энергия маятника.
Маятник Максвелла массой m, поднятый на высоту h путем намотки нитей подвеса на стержень маятника, имеет потенциальную энергию mgh. При раскручивании маятника потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию поступательного движения и энергию вращательного движения. Трением можно пренебречь, так как оно мало по сравнению с изменением механической энергии.
На основании закона сохранения механической энергии на участке пути, меньшем длины нити, можно написать
где – скорость маятника в момент пересечения оптической оси фотодатчика; ω – его угловая скорость вращения в тот же момент времени, r - радиус стержня, на который намотана нить бифилярного подвеса маятника, I – момент инерции маятника.
Момент инерции маятника.
Из уравнения (1) получим для экспериментального значения момента инерции маятника
где учтено, что , a – ускорение, с которым опускается маятник. Учитывая, что , получим
Теоретическое значение момента инерции маятника относительно его
оси рассчитывается по формуле
где – масса стержня; M – масса диска, укрепленного на стержне; – масса кольца; r – радиус стержня, R – внешний радиус диска; – внешний радиус кольца.
Выделяющаяся теплота.
Если учитывать теплоту Q, выделяющуюся маятником в момент рывка нити, то закон сохранения энергии после рывка нити будет иметь вид
где высоты и отсчитываются в системе координат, ось высот которой направлена вверх, а начало находится в точке рывка нити. Из этого уравнения следует, что количество теплоты, выделяющееся
при рывке, можно оценить по изменению высоты первого подъёма маятника:
где – изменение высоты наивысшего положения маятника в
первом цикле спуск-подъем.
ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА
|
, см |
, с |
, с |
, с |
, с |
, с |
1 |
31,8 |
2,133 |
2,151 |
2,147 |
2,163 |
2,239 |
2 |
31,2 |
2,108 |
2,123 |
2,139 |
2,106 |
2,106 |
3 |
30,6 |
2,092 |
2,096 |
2,093 |
2,089 |
2,106 |
4 |
30,0 |
2,084 |
2,048 |
2,073 |
2,064 |
2,056 |
, г |
, г |
, г |
, мм |
, мм |
, мм |
, см |
, см |
, см |
29 |
131 |
214,7 |
5 |
47 |
55 |
0,6 |
-4,9 |
-1,5 |
Приборные погрешности:
Высота – 0,0005 м
Радиус – 0,00005 м
Время – 0,001 с
Выполнил
Факультет КТИ
Группа №
“____” __________ _____
Преподаватель: Иманбаева Райхан Талгатовна
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКПЕРИМЕНТА
Ранжированная выборка времени 1-го опыта
|
, с |
, с |
, с |
, с |
, с |
, м |
1 |
2,133 |
2,147 |
2,151 |
2,163 |
2,239 |
0,318 |
N = 5; P = 95%
Промахов не обнаружено
Ранжированная выборка времени 2-го опыта
|
, с |
, с |
, с |
, с |
, с |
, м |
2 |
2,106 |
2,106 |
2,108 |
2,123 |
2,139 |
0,312 |
N = 5
Промахов не обнаружено
Ранжированная выборка времени 3-го опыта
|
, с |
, с |
, с |
, с |
, с |
, м |
3 |
2,089 |
2,092 |
2,093 |
2,096 |
2,106 |
0,306 |
N = 5
Промахов не обнаружено
Ранжированная выборка времени 4-го опыта
|
, с |
, с |
, с |
, с |
, с |
, м |
4 |
2,048 |
2,056 |
2,064 |
2,073 |
2,084 |
0,3 |
N = 5
Промахов не обнаружено
, кг |
, кг |
, кг |
, м |
, м |
, м |
, м |
, м |
, м |
0,029 |
0,131 |
0,2147 |
5· 10-3 |
4,7 · 10-2 |
5,5· 10-2 |
6· 10-3 |
-4,9 · 10-2 |
-1,5 · 10-2 |
, м |
, м |
, с |
0,5· 10-3 |
0,5· 10-4 |
1· 10-3 |
Расчёт ускорения
Выборка
-
Номер опыта
1
2
3
4
Высота ( ), м
0,318
0,312
0,306
0,3
Время ( ), c
2,167
2,116
2,1
2,065
Ускорение ( , м/с2
0,135
0,14
0,139
0,141
N = 4; P = 95%
Среднее значение, СКО, проверка на промахи
Промахов не обнаружено
СКО среднего, случайная погрешность
Частные производные
Приборная погрешность
Полная погрешность, ответ
Расчёт момента инерции
Выборка
-
Номер опыта
1
2
3
4
Ускорение ( , м/с2
0,135
0,14
0,139
0,141
Момент инерции (I), кг·м2
0,0007
0,0006
0,0006
0,00065
N = 4; P = 95%
Среднее значение, СКО, проверка на промахи
Промахов не обнаружено
СКО среднего, случайная погрешность
Частные производные логарифма функции
Приборная погрешность
Полная погрешность, ответ
Расчёт момента инерции для 1-го опыта
Теоретическое значение момента инерции
Теоретическое значение момента инерции не расходится ни со средним экспериментальным значением, ни со значением, рассчитанным для 1-го опыта.
Расчёт количества теплоты, выделяющейся при рывке нити маятника
ВЫВОДЫ
В ходе работы были изучены законы поступательно-вращательного движения маятника; экспериментальным путём был рассчитан момент инерции, который оказался близок к теоретическому значению. Также было вычислено количество теплоты, выделяющееся при рывке нити маятника.
ВОПРОСЫ ПО ЛАБАРАТОРНОЙ РАБОТЕ
4. Докажите уравнения связи между линейными и угловыми величинами при вращательном движении тела , , , . Каков смысл входящих в эти выражения параметров?
24. Приведите примеры совершения положительной и отрицательной работы.