Компьютерные модели. Методические указания к лабораторным работам для студентов дневной и заочной форм обучения всех направлений подготовки, реализуем
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ
Методические указания к лабораторным работам для студентов дневной и заочной форм обучения всех направлений подготовки, реализуемых в МГСУ
©ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2014
©Оформление.
ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2014
ISBN 978-5-7264-0908-5 (локальное)
ISBN 978-5-7264-0909-2 (сетевое)
Москва 2014
УДК 53:007.94(076.5)
ББК 22.3я73 К63
Р е ц е н з е н т :
С.В. Труханов, профессор кафедры физики ФГБОУ ВПО «МГСУ»
С о с т а в и л и :
В.А. Григорьев, профессор кафедры физики; Д.А. Леонова, старший преподаватель кафедры физики;
Т.А. Гуральник, старший преподаватель кафедры физики; Б.С. Предтеченский, профессор кафедры физики;
М.И. Панфилова, доцент кафедры физики; М.В. Фомина, профессор кафедры физики; В.Л. Кашинцева, доцент кафедры физики
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
К63 Компьютерные модели [Электронный ресурс] : методические указания к лабораторным работам для студентов дневной и заочной форм обучения всех направлений подготовки, реализуемых в МГСУ / М-во образования и науки Росс. Федерации, Моск. гос. строит.ун-т, каф. физики; сост. В.А. Григорьев [и др.]. — Электрон, дан. и прогр. (5 Мбайт). — Москва : МГСУ, 2014. — Учебное электронное издание комбинированного распространения: 1 электрон. опт. Диск (CD-ROM). — Систем. требования: Intel; Microsoft
Windows(XP, Vista, Windows 7); дисковод CD-ROM, 512 Мб ОЗУ; разреше-
ние экрана не ниже 1024×768; ПО Adobe Air, ПО IPRbooks Reader, мышь; ЭБС IPRbooks. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/ — Загл. с титул.
экрана.
ISBN 978-5-7264-0908-5 (локальное) ISBN 978-5-7264-0909-2 (сетевое)
Приведены рекомендации по выполнению и оформлению лабораторных работ и подготовки отчетов. Представлены таблицы для занесения результатов, содержатся краткие теоретические сведения.
Для студентов очной и заочной форм обучения всех направлений подготовки, реализуемых в МГСУ.
Учебное электронное издание
Минимальные системные требования: процессор стандартной архитектуры x86
с тактовой частотой от 1,6 ГГц и выше; операционная система Microsoft Windows XP, Vista или Windows 7; от 512 Мб оперативной памяти;
от 1 Гб свободного пространства на жестком диске; разрешение экрана не ниже 1024×768; программа Adobe Air.
© ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2014 © Оформление.
ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2014
Редактор А.С. Гаврилова
Технический редактор А.В. Кузнецова
Корректор А.А. Идрисова
Компьютерная верстка С.С. Сизиумовой
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2013, приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
разработанное на основе Adobe Air
Подписано к использованию 03.10.2014. Уч.-изд. л. 1,4. Объем данных 5 Мб, 1 CD-ROM. Тираж 10 экз.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный строительный университет». 129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
Тел. (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95. E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ООО «Ай Пи Эр Медиа».
Тел. 8-800-555-22-35, (8452) 24-77-97, вн. 208, E-mail: izdat@iprmedia.ru, mail@iprbookshop.ru www.iprbookshop.ru
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1. Опытное определение момента |
|
|
инерции грузов, закрепленных на стержнях маховика |
5 |
|
Лабораторная работа № 2. Изучение электрических полей |
8 |
|
Лабораторная работа № 3. Магнитное поле |
11 |
|
Лабораторная работа № 4. Механические колебания |
17 |
|
Лабораторная работа № 5. Изучение собственных |
|
|
колебаний струны |
|
21 |
Лабораторная работа № 6. Определение радиуса кривизны |
|
|
линзы с помощью колец Ньютона |
29 |
|
Лабораторная работа № 7. |
Дифракция света |
34 |
Лабораторная работа № 8. |
Изопроцессы в газах |
38 |
Лабораторная работа № 9. |
Внешний фотоэффект |
45 |
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ГРУЗОВ, ЗАКРЕПЛЕННЫХ НА СТЕРЖНЯХ МАХОВИКА
Цель работы: расчет момента инерции системы тел для разных положений оси вращения.
Краткая теория
Моментом инерции тела относительно оси вращения называется физическая величина, равная сумме произведений масс материальных точек тела на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси:
Момент инерции тела зависит от распределения массы рассматриваемого тела относительно заданной оси, от формы и размеров тела и расположения оси, относительно которой определяется момент инерции.
Ход работы
Задание № 1.
Внимательно рассмотрите окно опыта на экране монитора. Зацепите мышью движок регулятора расстояния r от тела до оси и
установите значения r1, r2, r3, r4 из табл. 1 согласно вашей бригаде для случая, когда ось вращения проходит через центр системы тел.
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
Значения r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бригада |
r1 |
r2 |
r3 |
r4 |
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
-50 |
-35 |
10 |
25 |
|
2,6 |
-45 |
-30 |
15 |
30 |
|
3,7 |
-35 |
-20 |
20 |
40 |
|
4,8 |
-30 |
-10 |
22 |
35 |
|
Определите момент инерции J для каждого шара и для всей системы. Сделайте вывод. Заполните табл. 2.
5
Таблица 2
Результаты значений
m |
r1 |
J1 |
r2 |
J2 |
r3 |
J3 |
r4 |
J4 |
Jобщ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задание № 2.
Установите каждое из значений r из табл. 3 согласно вашей бригаде для случая, когда ось вращения проходит через левый край системы тел.
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
|
Значения для r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бригада |
r1 |
|
r2 |
r3 |
r4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
-50 |
|
-38 |
0 |
50 |
|
2,6 |
-48 |
|
-36 |
0 |
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3,7 |
-46 |
|
-34 |
0 |
50 |
|
4,8 |
-44 |
|
-32 |
0 |
50 |
|
Изменяйте r2 от начального значения до минус 11 см с шагом 3 см. Определите, как меняется момент инерции системы тел. Заполните табл. 5.
Задание № 3.
Установите каждое из значений r из табл. 4 согласно вашей бригаде для случая, когда ось вращения проходит через правый край системы тел.
|
|
|
|
|
Таблица 4 |
|
|
Значения для r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бригада |
r1 |
|
r2 |
r3 |
r4 |
|
|
|
|
|
|
1,5 |
|
|
26 |
38 |
50 |
|
|
|
|
|
|
2,6 |
|
|
25 |
38 |
50 |
3,7 |
|
|
24 |
38 |
50 |
4,8 |
|
|
23 |
38 |
50 |
Изменяйте r1 от минус 50 см до 0 с шагом 5 см. Определите, как меняется момент инерции системы тел. Заполните табл. 5.
6
Таблица 5
Результаты значений
№ опыта |
r1 |
J1 |
r2 |
J2 |
r3 |
J3 |
r4 |
J4 |
Jобщ. |
1
2
Проведите все вычисления под таблицами.
Контрольные вопросы
1.Поступательное и вращательное движение твердого тела. Угловая скорость. Угловое ускорение.
2.Основной закон динамики вращательного движения.
3.Теорема Штейнера.
4.Определить момент инерции диска радиуса R и массы m относительно оси, проходящей через точку, расположенную на расстоянии
½R перпендикулярно плоскости диска.
5.Определить момент инерции 4-х точек с одинаковыми массами m, которые расположены в вершинах квадрата со стороной a относительно оси, проходящей через центр квадрата и через вершину.
6.Чему равен момент инерции однородного стержня массой m и длиной l относительно оси, перпендикулярной стержню и проходящей на расстоянии 1/6 длины стержня от одного из его концов?
7.Чему равен момент инерции однородного стержня массой m и длиной l относительно оси, проходящей через один из концов?
7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
Цель работы:
1)изучение основных характеристик электрического поля;
2)знакомство с графическим моделированием электрических
полей;
3)экспериментальное определение характеристик электрического
поля.
Краткая теория
Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:
Напряженность электрического поля — векторная физическая величина. Направление вектора E совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. В соответствии с законом Кулона, напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю:
Потенциалом называют физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда:
8
Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля. Потенциал φ∞ поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:
Ход работы Задание № 1. Напряженность и потенциал точечного заряда.
1.В нижнем правом прямоугольнике «Конфигурация» нажмите мышью кнопку «заряд».
2.Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора первого заряда до установления значения, указанного в табл. 7 для вашей бригады.
3. Пронаблюдайте, двигаясь движком по экрану от заряда (с помощью мыши), как меняется напряженность электрического поля
взависимости от расстояния. Сделайте то же для потенциала.
4.Заполните табл. 7. Для этого рассчитайте значения напряженно-
сти и потенциала на расстоянии от 1 см до 10 см с шагом 1 см.
5. Постройте график зависимости напряженности поля от расстояния. Сделайте аналогичный график для потенциала.
Сделайте вывод о том, как меняются напряженность и потенциал при изменении расстояния от заряда.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бригада |
|
1 |
|
|
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
6 |
|
7 |
|
8 |
|
|
||
q1, мкКл |
|
1 |
|
|
2 |
|
3 |
4 |
|
5 |
1 |
|
2 |
|
3 |
|
|
||
q2, мкКл |
|
-2 |
|
|
-3 |
|
-4 |
-5 |
|
-1 |
-3 |
|
-4 |
|
-5 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7 |
|||
|
|
|
|
|
|
Результаты значений |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
r, м |
0,01 |
0,02 |
|
0,03 |
0,04 |
|
0,05 |
|
0,06 |
0,07 |
|
0,08 |
0,09 |
0,1 |
|
||||
E, В/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
φ, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9
Задание № 2. Напряженность электростатического поля точечных зарядов.
1.Установите значения q1 и q2, соответствующие значениям, указанным в табл. 6 для вашей бригады.
2.Установите минимальное расстояние между зарядами d = 2 м.
3.Пронаблюдайте, перемещая движок по экрану от одного заряда к другому (с помощью мыши), как меняется напряженность электрического поля в зависимости от расстояния. Сделайте то же для потенциала.
4.Зарисуйте, как выглядят линии напряженности электрических полей для двух зарядов, если: а) оба заряда положительные; б) оба отрицательные; в) один положительный, другой отрицательный.
5.Зарисуйте, как выглядят эквипотенциальные поверхности электрических полей для двух зарядов, если: а) оба заряда положительные; б) оба отрицательные; в) один положительный, другой отрицательный.
6.Рассчитайте значения результирующей напряженности в точках, расположенных посередине между зарядами, и на расстоянии 1,5 м от каждого. Сделайте чертеж.
7.Рассчитайте значение потенциала в точках: а) точка расположена посередине между зарядами; б) точка расположена на расстоянии 1,5 м от каждого заряда.
Контрольные вопросы
1.Что называют электростатическим полем?
2.Что такое напряженность электростатического поля?
3.Как определяется направление вектора напряженности?
4.Что такое поток вектора напряженности?
5.Какая линия называется силовой?
6.Какое векторное поле называется потенциальным? Какая линия называется эквипотенциальной?
7.Потенциал электростатического поля.
8.От чего зависит густота силовых и эквипотенциальных линий?
9.Циркуляция напряженности электростатического поля.
10.Электрическое смещение.
11.Поток электрического смещения.
12.В чем заключается физический смысл теоремы Остроградского-
Гаусса?
10