Содержание

Содержание 1

Часть I. Механика 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ 21

ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА 21

Определение ускорения свободного падения 29

с помощью оборотного маятника 29

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ СИСТЕМЫ ТЕЛ 36

С ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА ОБЕРБЕКА. 36

Часть II. Колебания и волны 43

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО ДЕКРЕМЕНТА КОЛЕБАНИЙ МАЯТНИКА 43

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ВОЗДУХЕ МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ВОЛН 53

Часть III. Молекулярная физика, термодинамика, явления переноса 63

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ 63

ПО МЕТОДУ КЛЕМАНА И ДЕЗОРМА 63

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ 73

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА 78

Часть I. Механика

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА

Цель работы: проверка основного закона динамики для вращательного движения с помощью инерционного маятника.

Приборы и принадлежности: инерционный маятник, секундомер.

Теоретическое введение

Основной закон динамики для вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси записывается в виде:

где M — момент силы относительно оси; I — момент инерции тела относительно оси; i — угловое ускорение.

Момент инерции является физической величиной, характеризующей инертность тела при вращательном движении. Момент инерции материальной точки относительно произвольной оси равен произведению ее массы на квадрат расстояния до этой оси:

Момент инерции тела относительно произвольной оси равен сумме моментов инерции всех точек тела относительно этой оси (см. рис. 1). Для тел правильной геометрической формы момент инерции может быть найден расчетным путем, для остальных тел — экспериментально.

При вращательном движении действие силы определяется не только величиной этой силы, но и ориентацией вектора силы относительно оси вращения. По этой причине вместо силы при вращательном движении рассматривается момент силы. Различают момент силы относительно точки и относительно оси.

Рис. 1. Схема определения момента инерции твердого тела

Рис. 2. Определение направления момента силы относительно точки

Моментом силы относительно точки называется векторное произведение радиус-вектора на величину силы (см. рис. 2):

Величина момента равна:

,

где _α — угол между векторами и.

Вектор расположен перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектора и. Его направление (из двух возможных) определяется по правилу векторного произведения: векторы , и должны образовывать правую систему, т.е. при вращении вектора по направлению к вектору вдоль наименьшего угла направление вектора определяется по правилу правого винта.

Рис. 3. Определение момента силы относительно оси

Рис. 4. Определение момента силы относительно оси в случае, когда сила лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения

Рис. 5. Определение плеча силы

Моментом силы относительно оси называется проекция на эту ось вектора момента силы относительно любой точки, лежащей на данной оси (см. рис. 3). В частности, если вектор силы лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, момент этой силы относительно точкиO, лежащей на пересечении оси и плоскости, будет направлен вдоль оси (см. рис. 4). В этом случае величина проекцииM₀на ось совпадает с самим моментомM₀. Тогда момент силы относительно оси будет равен:

гдеh — плечо силы F (см. рис. 5). Для практики данный случай особенно важен.

Угловое ускорение и угловая скорость. Угловой скоростью называется производная угла поворота радиус-вектора по времени:

Угловым ускорением называется производная угловой скорости по времени или вторая производная угла поворота радиус-вектора по времени:

Векторыинаправлены вдоль оси вращения (направление определяется по правилу винта, см. рис. 6).

Первый способ проверки закона.

Описание установки. На вертикальной оси OO’ прибора жестко закреплен блок Б₁ (см. рис 7), который можно привести в движение (вращение) с помощью намотанного на него шнура и груза m. На этой же оси закреплен стержень с массивными грузами m₁ и m₂, положение которых относительно оси можно изменять по желанию. Второй блок Б₂, расположенный горизонтально, служит для изменения направления действующей силы. Путь H₁, пройденный грузом m, можно измерять с помощью вертикальной шкалы. Установка снабжена тормозом Т. Описанное устройство называется инерционным маятником. Его параметры имеют следующие значения: m₁=m₂=(0.4310.001)кг; P=mg=(1.5060.005) H; l_ст=(0.5100.005)м; m_ст=(0.111 0.001) кг; r=(10^-2 5·10^-5) м.

Описание эксперимента. Экспериментальная проверка основного закона динамики для вращающегося тела заключается в том, чтобы из экспериментальных данных определить независимо друг от друга величины M, I и i и сравнить полученное значение момента силы M со значением произведения I·i.