Описание установки

Фотография экспериментальной установки приведена на рисунке 3. Штатив 1 закреплен на треноге 2 с регулируемыми ножками 3. Вращая ножки 3, можно установить штатив строго вертикально. На штативе 3 с помощью зажимов 4 закреплены электромеханический пусковой механизм 5 и приемник 6 падающего тела.

Стальной шарик 7 зажимают между губками пускового механизма 5, нажав на кнопку 8 спускового тросика 9. Такое положение тросика можно зафиксировать с помощью винта, расположенного вблизи кнопки 8 (на рисунке винт не виден).

1

2

3

4

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Рис. 3. Общий вид экспериментальной установки.

Когда шарик находится в пусковом механизме, он замыкает электрическую цепь, связанную с электронным блоком управления Cobra 3 (позиция 10 на рисунке 3). Если фиксирующий винт отвернуть, губки, зажимающие шарик, раздвинутся с помощью пружины, смонтированной внутри пускового механизма, и шарик начнет падать. При этом происходит разрыв электрической цепи, и электронный блок 10 формирует сигнал, запускающий начало отсчета времени.

По завершению свободного падения шарик попадает в чашку 11 приемника падающего тела. Как только шарик коснется поверхности чашки, стержень, на котором эта чашка закреплена, начинает движение вниз, вдоль оси приемника 6. При перемещении стержня на расстояние примерно равное 0,5 мм происходит замыкание электрической цепи, связывающей приемник с блоком управления Cobra 3. Соответствующий сигнал останавливает отсчет времени падения шарика. Описанную конструкцию, включающую чашку со стержнем и элементы электрической цепи называют ударным коммутатором.

Электронный блок 10 соединен с компьютером (на рисунке не показан). Компьютер обеспечивает вывод информации о времени падения шарика на монитор и обработку результатов измерений. Рулетка 12 предназначена для измерения высоты падения шарика. При необходимости для более точных измерений расстояний можно использовать штангенциркуль.

Экспериментальная часть. Подготовка к проведению эксперимента

1. Проверьте соответствие экспериментального стенда рисунку 3. Убедитесь, что электрическая схема соединения узлов установки выполнена так, как показано на рисунке. Полярность проводов, контактирующих с пусковым механизмом и с приемником падающего тела, не имеет значения.

2. Установите штатив 1 вертикально.

Для этого закрепите верхний зажим 4 с пусковым механизмом на расстоянии 15-20 см от нижнего зажима с приемником 6. Зафиксируйте шарик в пусковом механизме, нажав кнопку 8 и повернув винт рядом с этой кнопкой по часовой стрелке до упора. Затем открутите винт на примерно на пол-оборота. Проследите падение шарика. Он должен упасть примерно в середину чашки 11. Если это не так, отрегулируйте положение штатива, поворачивая ножки 3 треноги 2. Постепенно увеличивая расстояние между нижним и верхним зажимами до 80 см, добейтесь, чтобы шарик попадал в середину чашки.

3. Включите компьютер, нажмите кнопку «Student» и запустите программу «Measure». В меню «Прибор» выберите «Кобра3 Таймер/Счетчик».

4. В появившемся на экране монитора диалоговом окне установите показанные на рис.4 регулировки.

Рис.4 Окно настройки режима измерения времени в программе «Measure»

5. Нажмите кнопку «Далее» в окне на рис.4. На экране монитора появится окно, в котором будет отображаться информация о результатах измерения времени падения шарика. Установка готова к работе.

Не забывайте каждый раз перед проведением очередного цикла измерений вручную перемещать чашку приемника вертикально вверх до упора (разница между «нижним» и «верхним» положениями чашки составляет примерно 8 мм).

Упражнение №1. Измерение зависимости времени падения шарика от высоты.

1. Установите высоту падения шарика H , равную минимальному значению из множества в таблице 1.

При этом рекомендуется контролировать с помощью измерительной рулетки величину между верхней поверхностью нижнего зажима и нижней поверхностью верхнего зажима (см. рис.5). Значения H и , измеренные в сантиметрах, связаны соотношением:

Если требуемое при последующем шаге измерения изменение высоты невелико, то его удобно реализовать с помощью регулировки высоты положения нижнего зажима. Для повышения точности измерения этого параметра рекомендуется контролировать с помощью штангенциркуля. При этом сначала нужно зафиксировать на штангенциркуле требуемый размер, затем установить штангенциркуль вертикально, опираясь его губками для измерения отверстий на поверхность треноги. После этого нужно опустить нижний зажим на заданную высоту и его закрепить. Необходимо учитывать, что подобным образом можно регулировать величину в пределах от 7 до 15 см.

Рис. 5. Схематическое изображение штатива с закрепленными на нем узлами.

2. Закрепите шарик в пусковом механизме.

3. Установите чашку приемника в верхнее положение.

4. Открутите винт спускового тросика в пределах, необходимых для начала движения шарика.

5. Запишите высоту и время падения в лабораторный журнал.

6. Повторите пункты 2-5 данного упражнения еще два раза.¹

7. Установите следующее по величине значение высоты H из таблицы №1.

Таблица №1

№п/п (i)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
H, см	10	11	20	22	30	33	40	44	50	55	60	66	70	77

8. Повторите пункты 2-7 данного упражнения для каждого значения высоты.

Упражнение №2. Обработка результатов измерений.

1. Рассчитайте среднее значение времени падения для каждого значения высоты:

2. Оцените среднее значение случайной погрешности . Сравните эту величину с приборной погрешностью . Для построения графика выберите максимальную из этих величин.

3. Самостоятельно определите погрешность при измерении высоты .

4. Рассчитайте величину и погрешность в определении этой величины .

5. На миллиметровой бумаге постройте график зависимости .

6. Определите по графику величину углового коэффициента и соответствующую погрешность .

7. Исходя из значений и , найдите величину ускорения свободного падения и погрешность .

8. Рассчитайте скорость падения шарика в зависимости от высоты и времени падения в соответствии с таблицей №2, используя полученные экспериментальные данные.

Таблица №2

№п/п	1	2	3	4	5	6	7
Высота, , м	0,105	0,210	0,315	0,420	0,525	0,630	0,735
Изменение высоты	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07
Время
Скорость
Время
Квадрат скорости

В таблице №2 -время перемещения шарика на расстояние . Например для .

Скорость рассчитывается по формуле: .

Время падения шарика с высоты рассчитывается из экспериментальных данных. Например, для высоты : .

9. На миллиметровой бумаге постройте графики зависимостей и . Определите из этих графиков величину ускорения свободного падения и погрешность .

10. Сделайте выводы по проделанной работе.

Подготовка к работе.

1. Физические понятия:

• система отсчета;

• траектория, путь, перемещение;

• вектор скорости; вектор ускорения;

• равноускоренное движение;

• свободное падение;

• средняя скорость; средняя путевая скорость;

• инерциальные и неинерциальные системы отсчета;

• сила гравитационного притяжения; сила тяжести;

• закон всемирного тяготения.

2. Выведите формулу (8).

3. Оцените в процентном отношении максимальное отличие значений силы гравитационного притяжения и силы тяжести ( ). Расчеты проведите при следующих значениях физических параметров: G = 6,67∙10^-11 м³/(кг∙с²), = 1,00 кг, = 5,98·10²⁴ кг, = 6,37·10⁶ м, = 7,27·10^–5 рад/с.

4. Расчетное задание.

• Используя формулу (9) рассчитайте зависимость H(t), постройте графики H(t) и . Время задайте в диапазоне от 0 до 0,5 с. Величина g=9,8м/с².

5. Сформулируйте цель работы и порядок ее выполнения.

Примечание. Пункты 2, 3,4 выполните письменно при подготовке к лабораторной работе.