Физика

УДК 531/534 Ф50

Ф50 Физика : метод. указания и комментарии к лаб. работам по механике / В.К. Першин, П.П. Зольников, Л.А. Фишбейн, Е.Б. Хан, С.В. Чернобородова. – Екатеринбург: УрГУПС, 2009. – 36 с.

Методические указания содержат описание основных компонентов учебного лабораторного комплекса «Механика» и порядок работы с ними.

В комментариях дано краткое описание цели лабораторных работ, методики выполнения экспериментов и математических методов обработки результатов.

Указания позволяют студентам-заочникам первых и вторых курсов самостоятельно подготовиться к выполнению лабораторных работ на учебном лабораторном комплексе.

Рекомендованы к печати на заседании кафедры физики, протокол № 77 от 02.07.07.

Авторы:

В.К. Першин, зав. каф. физики, д-р физ.-мат. наук, УрГУПС, П.П. Зольников, доцент каф. физики, канд. физ.-мат. наук, УрГУПС,

Л.А. Фишбейн, доцент каф. физики, канд. физ.-мат. наук,УрГУПС, Е.Б. Хан, доцент каф. физики, канд. физ.-мат. наук, УрГУПС,

С.В. Чернобородова доцент каф. физики, канд. физ-мат. наук, УрГУПС

Рецензенты:

А.М. Селезнев, зав. каф. молекулярной физики, д-р физ.-мат. наук, УГТУ-УПИ,

С.П. Баутин, зав. каф. прикладной математики, д-р физ.-мат. наук, УрГУПС

© УрГУПС, 2009 © Першин В.К., 2009

© Зольников П.П., 2009 © Фишбейн Л.А., 2009 © Хан Е.Б., 2009

© Чернобородова С.В., 2009

3

4Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

1.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Всоответствии с учебными планами заочного факультета во время экзаменационных сессий студенты-заочники проходят лабораторный практикум в объеме 10 часов. Перед выполнением лабораторных работ студентам необходимо ознакомиться с устройством лабораторного комплекса, прочитать комментарии к лабораторным работам и изучить соответствующий теоретический материал. При выполнении работ выдаются методические указания к ним, с подробным изложением порядка проведения экспериментов. После завершения работы студенты обязаны подписать у преподавателя черновик отчета, в который заносятся результаты измерений. На защите отчета студенты отвечают на вопросы теоретического коллоквиума, приведенные

вметодических указаниях, и вопросы, связанные с проведением эксперимента. При успешной защите отчет подписывается преподавателем. Наличие подписанных отчетов по всем выполненным лабораторным работам означает сдачу лабораторного практикума.

2. ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ЛКМ

Лабораторный комплекс серии ЛКМ предназначен для постановки лабораторных работ по механике в физическом практикуме вузов, колледжей, лицеев и школ. Комплекс обеспечивает без привлечения дополнительного оборудования постановку лабораторных работ по темам базового тематического каталога.

ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

1.Приборы для измерения длины и времени.

2.Статистика времени реакции человека.

3.Измерение массы.

КИНЕМАТИКА. ДИНАМИКА

4.Определение скорости снаряда по времени пролета .

5.Свободное падение.

6.Динамика поступательного движения (машина Атвуда).

7.Закон Гука. Упругость пружин и систем пружин.

8.Определение модуля Юнга по колебаниям балки .

9.Определение модуля сдвига по кручению проволоки.

10.Динамика вращательного движения.

11.Измерение моментов инерции. Теорема Штейнера.

12.Эллипсоид инерции.

13.Прецессия гироскопа.

14.Движение в вязкой среде. Лобовое сопротивление.

15.Определение коэффициентов трения.

16.Измерение трения в подшипниках.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

17.Мощность и КПД электродвигателя.

18.Закон сохранения энергии – поступательное и вращательное движение.

19.Закон сохранения энергии – пружинная пушка.

20.Закон сохранения импульса – баллистический маятник.

21.Закон сохранения момента импульса – физический баллистический маятник.

22.Закон сохранения момента импульса – вращательный баллистический маятник.

23.Закон сохранения момента импульса – торможение маховика.

24.Удар шаров: время и сила удара, потери энергии.

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

25.Колебания тела на пружине.

26.Вращательные колебания .

27.Математический маятник.

28.Физический маятник.

29.Ангармонические колебания при больших амплитудах.

30.Вынужденные колебания. Резонансные кривые.

Комплекс имеет блочно-модульную структуру. Обеспечивает сборку установки для любой из лабораторных работ с затратами времени не более 3 мин, включая юстировку и настройку установки. Обеспечивает расширение перечня выполняемых работ. Может комплектоваться дополнительными модулями расширения.

6Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

3.ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Рис. 1. Лабораторный комплекс ЛКМ

СОСТАВ ИЗДЕЛИЯ

1.Каркас с ящиками 600×400 мм

2.Стол поворотный электроприводом (I0 = 2,78 г · м2)

2.1.Основание со шкалой

2.2.Платформа

2.3.Стойка-шкив (два диаметра 50 и 25 мм)

2.4.Тормоз электромагнитный

2.5.Фотодатчик

2.6.Электропривод (ДПР-42) с 2 шкивами (диаметры 25 мм и 8 мм)

2.7.Кабель 400 мм с разъемом СШ-7

3.Стойка большая комбинированная

3.1.Колонна

3.2.Шкив двухступенчатый (диаметры 60 и 40 мм)

3.3.Шкала

3.4.Ролик на кронштейне

3.5.Фотодатчик

3.6.Зацеп для пружин

3.7.Два штыря – зацепа для пружин в основании стойки

3.8.Модуль «Упругая балка» с 3 объектами-стержнями

3.9.Датчик угла поворота шкива (только в составе КС-ЛКМ)

4.Пушка пружинная с приспособлениями

4.1.Основание

4.2.Направляющий стержень со шкалой

4.3.Спусковое устройство

4.4.Приемное устройство (мишень) с подпятником

4.5.Фотодатчик входной

4.6.Фотодатчик выходной

4.7.Стойки c винтами – 2 шт.

4.8.Две пружины различной жесткости

4.9.2 комплекта по два снаряда ( 7,3 г, 22,5 г/23,9 г)

4.10.Стержень для измерения жесткости пружин

4.11.Мишень на кронштейне для поворотного стола

4.12.Подвес баллистического маятника со шкалой

4.13.Маятник баллистический с мишенью «математический»

4.14.Маятник баллистический с мишенью «физический»

4.15.Снаряд фигурный для свободного падения (шт.)

5.Гироскоп (IМ = 0,73 г · м2)

8Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

6.Моментомер

7.Трибометр (комплект)

7.1.Диск нижний с осью и штырями

7.2.Диск-шкив верхний с отверстием и штырями

7.3.Кольца фрикционные –7 шт.

(сталь, сталь, латунь, алюминиевый сплав, тефлон, текстолит, резина)

7.4.Динамометр на 4–5 Н

8.Комплект «Удар шаров»

8.1.Панель с 2 опорами подвесов и арретиром

8.2.Подвес шара с пружинным держателем

8.3.Шары: стальной (диаметр 41,2 мм, масса 285 г)

алюминиевый (диаметр 41,2 мм, масса 102 г) латунный (диаметр 41,2 мм, масса 324,9 г)

8.4.Кабель СШ5/2х Ш4, 500 мм

9.Измерительная система ИСМ-N:01

10.Пульт – кнопка с кабелем 800 мм и разъемом СШ- 5

11.Мультиметр DT-830B или М830В с кабелями Ш4/Ш4П

12.Калькулятор инженерный встроенный

13.Линейка 300 мм

14.Штанген -циркуль

Набор объектов и приспособлений

15.Цилиндр (масса 506 г) с отверстием

16.Диск

17.Кольцо

18.Полушар

19.Параллелепипед

20.Стержень

21.Груз-диск со штырем (m = 356 г, R = 30 мм)

22.Стержень с отверстиями легкий

23.Груз наборный 50г – 250г

24.Грузы 100 + 200 г к гироскопу

25.Пружина (проволока 1,0 мм, жесткость 60 н/м)

26.Пружина (проволока 1,2 мм, жесткость 136–148 н/м)

27.Стержень с отверстиями тяжелый (241,6 г, l 340 мм)

28.«Математический маятник» (планка – 9,8 г, диск – 67,5 г)

29.Парус на штекере

30.Балка для пружин с нитью

31.Балка для пружин с крючком

32.Фиксатор для крепления маятников

33.Нить N: 1 23 см с крючком и петлей (стол-груз), цвет синий

34.Нить N: 2 59 см с двумя крючками для грузов, цвет белый

35.Нить N: 3 45 см с двумя петлями (стол – пружины), цвет красный

36.Нить N:4 52 см с крючком и петлей (трибометр), цвет корич-

невый

37.Нить N: 5 74 см с двумя петлями (стойка – пружины), цвет зе-

леный

38.Комплект ЗИП (батарейки, предохранители)

39.Футляр для объектов и принадлежностей

40.Паспорт и техническое описание ( 58 с.)

4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

система ИСМ-5 встроена в каркас и соединяется кабелями со столом, стойкой, пушкой, выносным пультом и другими устройствами через разъемы в окне платформы.

Показана мишень 4.11а, подвешенная под платформой стола закрепленная винтом 4.116.

4.1. СТОЛ ПОВОРОТНЫЙ

Стол поворотный содержит платформу 2.2 с отверстиями для фиксации изучаемых объектов, закрепленную на стойке 2.3 с двухступенчатым шкивом (диаметры 25 и 50 мм), на котором установлены штифты для закрепления нитей. Стойка вращается на подшипниках на вертикальной оси, закреп-

Рис. 3. Стол поворотный ленной в основании со шкалой 2.1. Снизу к стойке прикреплен диск 2.8 с радиальной прорезью и риской-указателем. Риска пе-

ремещается вдоль шкалы, по которой отсчитывается угловая координата стола с разрешением 1°. При прохождении прорези через зазор фотодатчика 2.5 (это соответствует положению риски на нулевом делении шкалы – подстраивается перемещением датчика) срабатывает таймер измерительной системы ИСМ. Это позволяет фиксировать время поворота стола на 360° или 720°. Внутри стойки находится упругий контакт 2.9, через который подается питание устройствам, расположенным на платформе. Внутри основания – электромагнитный тормоз 2.4. Электропривод стола состоит из электродвигателя с двухступенчатым шкивом на оси (диаметры 25 и 8 мм). Шкив двигателя соединяется со стойкой-шкивом стола резиновым ремнем. Если электропривод не используется, ремень снят и лежит на диске 2.8. Электрические цепи стола выведены на разъем 2.10 типа СГ-7. Назначение контактов (номера обозначены на разъеме):

1 – сигнал датчика

2 – общий чистый

3 – питание + 9 В (лампа фотодиод датчика)

4 – двигатель электропривода