Описание установки

Внешний вид экспериментальной установки показан на Рис. 2. Источником вращательного движения является электромотор (1) с возможностью регулировки скорости и направления вращения. Через передаточный ремень (2) вращение передаётся платформе (3) с установленной на ней тележкой (4). Для измерения расстояния от центра масс тележки до оси вращения на платформу нанесена сантиметровая шкала (5). К тележке привязана нить (6), которая через блок (7), отверстие в верхней части платформы и подвижный карабин подсоединена к динамометру (8), непрерывно измеряющему силу натяжения нити. Измеряемый сигнал через интерфейс Cobra3 (9) подаётся на персональный компьютер.

Рис. 2 – Внешний вид установки для измерения величины центробежной силы

Как описано в теоретической части, в идеальном случае сила натяжения нити должна быть равна центробежной силе. Однако в реальной экспериментальной установке выходное отверстие нити в верхней части платформы немного смещено относительно оси вращения. Это сделано намеренно: такая конструкция установки позволяет измерять не только центробежную силу, но и угловую скорость вращения. В самом деле, смещение приводит к тому, что в процессе вращения расстояние от верхнего отверстия до динамометра периодически изменяется. Вследствие этого периодически изменяется и сила натяжения нити, причём частота этого изменения совпадает с частотой вращения платформы. Таким образом, измерив зависимость силы натяжения от времени, мы сможем точно определить как частоту, так и угловую скорость вращения. В свою очередь центробежная сила будет равна среднему по времени значению силы натяжения.

Экспериментальная часть

Упражнение 1. Изучение зависимости центробежной силы от массы.

1. Установите на платформу пустую тележку без грузов. Закрепите нить на тележке таким образом, чтобы при натянутойнити центр тяжести тележки располагался на расстоянии 20 см от оси вращения. Следите за тем, чтобы нить была надета на жёлтый шкив.

2. Включите компьютер. Для входа в операционную систему используйте логин «Student». Запустите программуMeasureдвойным щелчком по ярлыку на рабочем столе.

3. Согласно алгоритму, изложенному в Приложении 1, измерьте значения периода вращения и центробежной силы и занесите их в Таблицу 1 (масса пустой тележки 50 г). Определите погрешность величины исходя из характеристик установки и методики измерения. Погрешность измерения силы принять равной.

Таблица 1

Масса тележки с грузом m, кг	Центробежная сила F, Н	Период T, с	Угловая скорость ω, рад/с	, кг/с2	∆(), кг/с2
0,05	…	…	…	…	…
0,07	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…
0,19	…	…	…	…	…

4. Постепенно нагружая тележку с шагом 20 г, повторите измерения периода вращения и центробежной силы (п.п. 6÷10).

5. Для корректного измерения зависимости центробежной силы от массы период вращения во всех измерениях должен оставаться постоянным. Однако, частота вращения в установке регулируется достаточно грубо, и поэтому период вращения в различных измерениях может немного различаться. Это необходимо учитывать. Для каждого измерения по формулерассчитайте угловую скорость, величинуи её погрешность. При этом погрешность измерения массы можно считать равной. Результаты измерений занесите в Таблицу 1.

6. Постройте график зависимости центробежной силы от величины . По согласованию с преподавателем построение графиков можно проводить как на миллиметровой бумаге, так и на компьютере с помощью программыMeasure. Процедура построения графика с помощью компьютера подробно описана вПриложении 2.

7. Согласно формуле (14) построенная зависимость должна быть линейной. Определите угловой коэффициент прямой и сравните его с расстоянием от оси вращения до центра тяжести тележки. Сделайте вывод.

Упражнение 2. Изучение зависимости центробежной силы от угловой скорости.

1. Не изменяя расстояния от центра масс тележки до оси вращения из Упражнения 1 (r=20 см), установите на тележку груз 100 г (суммарная масса тележки с грузами составит 150 г).

2. Начиная с наименьшей возможной скорости вращения, измерьте зависимость центробежной силы от угловой скорости вращения платформы по алгоритму Приложения 1.