Экспериментальная часть. Подготовка к проведению эксперимента

1. Проверьте соответствие экспериментального стенда рисунку 7. Убедитесь, что электрическая схема соединения узлов установки выполнена так, как показано на рисунке 9. Полярность проводов, контактирующих с пусковым механизмом, не имеет значения.

2. Установите исследуемый диск 1 горизонтально (поворачивая ножки 3, добейтесь того, чтобы пузырек воздуха в уровне 4 располагался посередине).

3. Предварительно зафиксируйте диск в стартовом положении, при этом стержень 12 пускового механизма 11 должен быть выше ограничительной пластины 10, закрепленной на диске, примерно на 2-3 мм. Нажмите на кнопку 13, расположенную на свободном конце спускового тросика пускового механизма, и закрутите винт 14. Убедитесь, что спусковой тросик плотно ввернут в гнездо, расположенное в нижней части корпуса механизма 11.

4. Намотайте нить на шкив, сделав 15-20 оборотов вокруг него. Номер шкива выберите в соответствии с индивидуальным заданием. Шкивы имеют следующие диаметры (рис. 8):

1D – 30 мм, 2d – 60 мм, 3d – 90 мм.

Пусковой

механизм

Световой

барьер

Блок

питания

Рис.9. Схема соединения светового барьера и электромеханического пускового механизма

5. Протяните нить через блок 6, при этом нить должна быть горизонтальна. Высота блока регулируется с помощью зажима, закрепляющего держатель 7.

6. Прикрепите к нити держатель 8 с перегрузками 9. Массу перегрузков выберите в соответствии с индивидуальным заданием.

7. Включите турбокомпрессор, поставив переключатель на задней панели прибора в положение 1. Увеличьте подачу воздуха по гофрированной трубе, поворачивая ручку регулятора турбокомпрессора до положения 5-6 (до тех пор, пока диск не «всплывет»). Стержень 12 пускового механизма 11 при нажатой кнопке 13 должен быть выше ограничительной пластины 10 примерно на 1 мм, а, если кнопку 13 отпустить, то стержень не должен препятствовать движению диска.

Такое положение стержня можно отрегулировать, изменяя положение держателя пускового механизма по вертикали с помощью зажима, закрепляющего держатель к лабораторному столу. Дополнительная регулировка амплитуды перемещения стержня осуществляется вращением гайки, расположенной в верхней части пускового механизма в основании стержня. Эта гайка не должна быть зажата!

Затем нажмите кнопку 13, зажмите винт 14 и уменьшите подачу воздуха с помощью ручки регулятора турбокомпрессора до минимума. (Поверните ручку регулятора против часовой стрелки до упора.)

8. Проведите пробное измерение времени. Для этого установите световой барьер таким образом, чтобы угол φ между направлениями от оси вращения диска 1 на стержень 12 и на световой барьер 16 составлял 90⁰. Включите переключатель режимов работы измерителя времени в световом барьере в положение, отмеченное символом .Нажмите и отпустите кнопку «сброс» (“reset”) на световом барьере. При этом на табло измерителя времени должны ярко светиться три точки.

Увеличьте подачу воздуха. Отпустите винт 14 на пусковом устройстве. Как только ограничительная пластина 10 минует стержень 12, нажмите и удерживайте кнопку 13 до тех пор, пока пластина 10 не упрется снова в стержень 12. После этого вручную поверните диск 1, вернув его в исходное положение, и, нажав кнопку 13, закрутите винт 14. Затем уменьшите поток воздуха до минимума. В завершение проконтролируйте время tна табло светового барьера. Величинаt не должна быть равной нулю и не должна превышать 9,998 с.

Если не удается достичь результатов, описанных в п.п. 7 и 8, позовите инженера или преподавателя!

Упражнение №1. Измерение зависимости угла поворота диска от времени и определение его момента инерции.

1. Установите световой барьер 16 таким образом, чтобы за время движения от момента «запуска» пускового механизма до момента прерывания пластиной 10 луча светового барьера диск повернулся на угол 60⁰. Удаление светового барьера от диска 1 должно быть таким, чтобы пластина 10 при вращении диска перекрывала инфракрасный луч, излучаемый светодиодом.

2. Измерьте время движения диска tдля заданного положения светового барьера в соответствии с рекомендациями пункта 8 раздела «подготовка к проведению эксперимента». Эксперимент повторите три раза с целью оценки случайной погрешности при измерении времениt . Результаты запишите в лабораторный журнал.

3. Увеличьте угол φ на 30⁰и повторите пункт 2 данного упражнения.

4. Повторите пункты 3 и 2 данного упражнения вплоть до значений φ=300⁰.

5. Сведите результаты измерений в таблицу, представленную ниже:

Таблица 1

φ, 0	60	90	120	150	180	210	240	270	300
φ, рад
t1
t2
t3
<t>
Δt
<t>2
Δ<t>2

В таблице символом <t>=(t₁+t₂+t₃)/3 обозначено среднее значение времени для заданного угла поворота φ; Δt-средняя случайная погрешность величиныt; Δ<t>²=2<t>* Δt-погрешность определения величины <t>².

При расчете погрешностей функций времени необходимо учитывать приборную погрешность Δt, которая равна 1мс. Для расчета Δ<t>² и построения графика выбирают большую из случайной или приборной погрешностей.

Погрешность в определении угла Δφ связана не только с погрешностью отсчета φ по шкале диска, но и с угловыми размерами фотодатчика в световом барьере. Для данного эксперимента Δφ=2⁰.

6. На миллиметровой бумаге постройте график зависимости φ[рад] от <t>²[с²]. Отложите погрешности этих величин.

7. Определите по графику среднее значение углового коэффициента <γ> и погрешность этой величины Δ<γ>.

8. Рассчитайте угловое ускорение β=2<γ> и погрешность величины углового ускорения Δβ=2 Δ<γ>.

9. Рассчитайте момент инерции диска и погрешность момента инерции, воспользовавшись формулой: .

10. Рассчитайте момент инерции диска теоретически и сравните результаты.

Упражнение №2. Измерение зависимости угловой скорости движения диска от времени и определение момента инерции диска.

1. Переключите режим работы измерителя времени в световом барьере в положение, отмеченное символом .

2. Установите световой барьер 16 таким образом, чтобы угол φ составлял 90⁰.

3. Проведите измерение времени t_ωдвижения пластины 10 через световой барьер.

Увеличьте подачу воздуха. Отпустите винт 14 на пусковом устройстве. Как только ограничительная пластина 10 минует стержень 12, нажмите и удерживайте кнопку 13. Сразу после того, как нажали кнопку 13 и до момента начала движения пластины 10 через область светового барьера нажмите и отпустите кнопку «сброс» (“reset”). При этом на табло измерителя времени должны ярко светиться две точки. Чтобы случайно не сдвинуть световой барьер в процессе измерений, можно придерживать его верхнюю часть тыльной стороной ладони, а кнопку «сброс» нажимать свободным пальцем этой руки.

После того, как пластина 10 достигла стержня 12 и остановилась, вручную поверните диск 1 в исходное положение и, нажав кнопку 13, закрутите винт 14. Затем уменьшите поток воздуха до минимума. В завершение проконтролируйте время tна табло светового барьера и запишите его значение в лабораторный журнал. Повторите измерение времениt_ωтри раза.

4. Увеличивая угол φ с шагом 30⁰, повторяйте пункт 3 упражнения 2 до значения φ=270⁰.

5. Результаты измерений сведите в таблицу 2:

Таблица 2

φ, 0	90	120	150	180	210	240	270
φ, рад
tω1
tω2
tω3
< tω>
Δtω
Δω

Среднее значение времени < t_ω>=(t_ω1+t_ω2+t_ω3)/3; погрешность определения времени Δt_ωрассчитайте, как в упражнении 1;

6. Постройте график зависимости угловой скорости ω от времени движения пластины <t> до светового барьера. Соответствующие значения <t> возьмите из таблицы 1. Отложите погрешности.

7. Определите по графику значение углового ускорения β и погрешность этой величины. (Угловое ускорение численно равно угловому коэффициенту построенного графика)

8. Рассчитайте момент инерции диска и погрешность момента инерции, воспользовавшись формулой: .

9. Сравните значение момента инерции диска I с результатом теоретического расчета.

10. Сделайте выводы по проделанной работе.

Индивидуальные задания

№ бригады	1 и 7	2 и 8	3 и 9	4 и 10	5 и 11	6 и 12
№ диска	1D	2D	3D	1D	2D	3D
Радиус шкива , мм	15	30	45	15	30	45
Масса перегрузков ,г*	10	10	10	15	15	15

*с учетом держателя грузов

Подготовка к работе.

1. Физические понятия.

• поступательное движение;

• вращательное движение;

• момент силы относительно точки, относительно оси;

• угловая скорость; угловое ускорение;

• момент инерции; физический смысл момента инерции твердого тела;

• основное уравнение динамики вращательного движения;

• теорема Штейнера.

2. Выведите формулу для расчета момента инерции сплошного диска радиуса Rи массыM.

3. Расчетное задание.

• Рассчитайте момент инерции алюминиевого диска диаметром 350 мм и толщиной 3,5 мм.

• Рассчитайте момент инерции алюминиевого диска диаметром 64 мм и толщиной 6,0 мм.

4. Сформулируйте цель работы и порядок ее выполнения.

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