6.2. Определение ускорения свободного падения с помощьюмаятника универсального. (Лабораторная работа 13)

Приборы и принадлежности: установка ФМ-13 «Маятник универсальный», секундомер.

Теория метода и описание прибора

Зная период колебаний физического маятника , гдеt – время; n – число колебаний, и его приведенную длину l_пр, ускорение свободного падения можно рассчитать по формуле

. (6.11)

Общий вид маятника универсального представлен на рис. 6.3. Основание (1) оснащено регулируемыми ножками (2), которые позволяют произвести выравнивание прибора. В основании закреплена колонка (3), на которой зафиксирован верхний кронштейн (4) и нижний кронштейн (5) с фотоэлектрическим датчиком, фиксирующим каждое прохождения маятника через него (6).

После отвинчивания воротка (11) верхний кронштейн можно поворачивать вокруг колонки. Заряжение воротка (11) фиксирует кронштейн в любом, произвольно избранном положении. С одной стороны крон-

Рис. 6.3

штейна (4) находится математический маятник (7), с другой – на вмонтированных вкладышах оборотный маятник (8). Длину математического маятника можно регулировать при помощи воротка (9), а определить ее можно при помощи шкалы на колонке (3). О

Рис. 1.4

боротный маятник выполнен в виде стального стержня, на котором фиксированы два повернутых друг к другу лезвиями ножа и два груза (10).

На стержне через каждые 10 мм выполнены кольцевые нарезки, служащие для точного определения длины оборотного маятника (расстояние между ножами). Ножи и ролики можно перемещать вдоль оси стержня и фиксировать в любом положении. Эти элементы выполнены таким образом, что их размер вдоль стержня является кратным 10 мм, а фиксирующие воротки размещены так, что при помощи кольцевых нарезок их можно было бы наглухо блокировать.

Нижний кронштейн вместе с фотоэлектрическим датчиком можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в произвольно избранном положении.

Фотоэлектрический датчик соединен разъемом с универсальным секундомером. В

Рис. 1.5

ид лицевой панели секундомера показан на рис. 6.4.

Нажатием клавиши «пуск» начинается отчет времени. Визуально это обнаруживается свечением цифровых индикаторов. Нажатие клавиши «сброс» вызывает сброс схем секундомера и генерирование сигнала разрешения на измерение.

Рис. 6.4

Нажатие клавиши «стоп» вызывает генерирование сигнала разрешения на окончание процесса подсчета. Прибор готов к работе непосредственно после включения напряжения сети и не нуждается в нагреве.

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

1. Повернуть верхний кронштейн на 180°.

2. Зафиксировать ролики на стержне так, чтобы один из них находился вблизи конца стержня, а другой – вблизи его середины.

3. Ножи маятника закрепить по обеим сторонам центра тяжести так, чтобы они были обращены друг к другу лезвиями. При этом один из ножей поместить вблизи свободного конца стержня, а второй – на половине расстояния между роликами.

4. Проверить совпадение граней лезвий ножей с нарезками на стержне.

5. Закрепить маятник на вкладыше верхнего кронштейна на ноже, находящемся вблизи конца стержня (положение 1).

6. Нижний кронштейн с фотоэлектрическим датчиком разместить так, чтобы стержень маятника пересекал оптическую ось.

7. Отклонить маятник на 3 ÷ 5° от положения равновесия и отпустить.

8. Нажать клавишу «сброс».

9. После подсчета измерений n полных колебаний (не менее 10) нажать клавишу «стоп» и записать время t₁. Измерения выполнить не менее 3 раз и результаты свести в табл. 6.2.

Таблица 6.2

n = 10
Положение 1		Положение 2
r, мм	0	0		10		20		30		40
t1, с	t1ср,с	t2, с	t2ср, c	t2, с	t2ср, c	t2, с	t2ср,c	t2, с	t2ср,c	t2, с	t2ср,c
1 2 3		1 2 3		1 2 3		1 2 3		1 2 3		1 2 3

10. Перевернуть маятник и поставить его на второй нож: переместить нижний кронштейн с фотоэлектрическим датчиком так, чтобы маятник пересекал оптическую ось (положение 2).

11. Измерить время t₂ n полных колебаний согласно пунктам 7, 8 и 9.

12. Перемещая второй нож через каждые 10 мм и измеряя каждый раз t₂, найти такое положение второго ножа, при котором t₂ отличается от t₁ не более чем не 0,5%, т.е. должно выполняется условие

0,995 < t₁/t₂ < 1,005.

13. Определить приведенную длину l_пр оборотного маятника по числу нарезок на стержне между ножами (нарезки нанесены через 10 мм).

14. Ускорение свободного падения определить по формуле (6.11)

,

где t = 0,5(t₁+ t₂) , а t₁ и t₂ отличаются не более чем на 0,05 %.

При правильном отсчете всех величин погрешность определения ускорения свободного падения с помощью физического маятника не превышает одного процента.