
Физика 02М
.docГОУ ВПО
ДВГУПС
Кафедра “Физика”
Лабораторная работа На тему: “Изучение динамики поступательного движения”
21040165 02М 911
Шифр Номер работы Группа
Выполнил
Черных Д. С.
Проверил: Старший преподаватель кафедры “Оптические системы связи”
Бодров Е. А.
Хабаровск 2006 г.
Цель работы:
Определение силы упругости подвеса; определение средней силы удара.
Приборы и оборудование:
Прибор для исследования соударений, вольтметр, устройство для измерения времени соударения, штангенциркуль.
Краткая теория:
Основными динамическими характеристиками поступательного движения тел являются: масса, сила и импульс тела.
Масса тела – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства.
Сила – это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого, тело приобретает тело приобретает ускорение или изменяет свою форму.
Импульс тела (количество движения) – векторная величина, численно равная произведению массы тела на его скорость, и имеющая направление скорости.
Связь между этими характеристиками описывается законами Ньютона. В классической механике считается, что масса тела постоянна, поэтому при постоянной скорости импульс тела также постоянен. Сохранение скорости движения или состояния покоя вытекает из первого закона Ньютона: всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, если действие на него со стороны других тел скомпенсировано, т.е. равнодействующая сил равна нулю.
Взаимодействие
тел описывается вторым законом Ньютона:
ускорение,
приобретаемое материальной точкой,
пропорциональное вызывающей его силе,
совпадает с ней по направлению и обратно
пропорционально массе материальной
точки. В
более общем виде этот закон формулируется
так: скорость
изменения импульса материальной точки
равна действующей на него силе.
.
Третий закон
Ньютона подчеркивает, что сила является
мерой взаимодействия между телами: два
тела взаимодействуют с силами
и
равными по модулю и противоположно
направленными.
Иными словами сила
действия равна силе противодействия.
.
Следует отметить, что законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета. Под инерциальными понимаются системы отсчета, связанные с неподвижными объектами или с телами, движущимися прямолинейно и равномерно.
Важным следствием
из законов Ньютона является закон
сохранения импульса: при
взаимодействии тел изолированной
системы, суммарный импульс системы
остается постоянным.
.
Изолированной
системой тел считается система, по
отношению к которой внешними воздействиями
на тела можно пренебречь. Для двух
взаимодействующих тел этот закон
выглядит так:
Сохранение импульса связано с однородностью пространства – свойством однородности пространства – времени.
За бесконечно малый промежуток времени материальная точка пройдет элементарный путь по траектории и переместится в пространстве на определенную величину. На этом участке на точку может действовать сила, направленная под некоторым углом к перемещению.
Скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения называется элементарной работой силы на бесконечно малом перемещении.
Когда угол между направлением силы и перемещением не равен 90 градусов – эта сила совершает работу, а в случае, когда сила направлена по нормали к перемещению – работу она не совершает.
Совершающие работу
тела имеют энергию. Величина
называется кинетической энергией.
Кинетической энергией называют энергию
движущихся тел. Ее связь с импульсом
тела задается соотношением
или
.
Потенциальной энергией называют величину, обусловленную взаимодействием тел или частей одного и того же тела.
В зависимости от сил взаимодействия, определяющих состояние системы различают:
-
энергию упругих деформаций
,
где
- коэффициент упругости,
- величина деформации;
-
потенциальную энергию тел в поле тяготения, которая на поверхности Земли имеет вид
, где
- гравитационная постоянная,
- масса источника поля тяготения,
- расстояние от источника поля до точки, в которой определяется энергия тела массой
.
Силы упругости и силы тяготения являются консервативными. Работа консервативных сил при перемещении тела из одного положения в другое не зависит' от формы траектории, по которой движется тело. Она определяется только положением начальной и конечной точек движения. Работа консервативных сил на, замкнутом пути равна нулю.
В консервативных системах выполняется закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем.
Существует еще один вид систем - диссипативные системы, в которых механическая энергия постепенно уменьшается за счет преобразования в другие (немеханические) формы энергии.
Для диссипативных систем справедлив более общий закон сохранения и превращения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, энергия передается от одних 'тел другим и переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах.
Расчетные формулы:
-
расчеты, касающиеся диаметра шарика
- расчеты,
касающиеся угла отклонения
-
расчеты, касающиеся разности потенциалов
-
формула массы шара
- скорости
до и после удара
-
кинетическая энергия шара до удара
-
время свободного движения
- время
соударения
- силы
упругости подвеса до и после удара
соответственно
- средняя
сила удара
Проведем соответствующие расчеты и измерения:
Систематизируем результаты в виде таблиц:
|
|
|
|
|
|
|
1 |
28,45 |
0,01 |
3 |
0,5 |
7 |
1,67 |
2 |
28,4 |
0,04 |
3,5 |
0 |
9 |
0,33 |
3 |
28,47 |
0,03 |
4 |
0,5 |
10 |
1,33 |
ср |
28,44 |
0,03 |
3,5 |
0,33 |
8,67 |
1,11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0939 |
0,0322 |
0,0069 |
48,7 |
0,37 |
0,92 |
0,92 |
98,59 |
Вывод:
Выполнив данную работу, я экспериментально исследовал процессы перехода энергии от одних тел к другим, процессы сохранения импульса движущегося тела. Проведя соответствующие расчеты и измерения я определил силу упругости подвеса, а также определил среднюю силу удара.
Следует отметить, что значения силы упругости подвеса до и после удара разнятся пренебрежимо мало, но небольшая разница все же есть – это и свидетельствует о переходе части импульса ударившегося шарика в рельс. Кроме того, об этом более явно говорит разница в значениях скорости шарика до и после удара.
В качестве лабораторного оборудования и измерительных приборов мною были использованы: прибор для исследования соударений, вольтметр, устройство для измерения времени соударения, штангенциркуль.