Лабораторная работа № фм-5 определение времени и энергии удара

ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ:

Перед включением электроприборов проверить целостность шнуров питания, вилки и заземление.

Порядок включения установки: вилка «Сеть», тумблер «Сеть», необходимые переключатели режимов.

Порядок выключения: вывести все переключатели в нулевое положение, выключить тумблер «Сеть», выключить вилку.

Установка ФП109М подключена к гнездам источника питания 6 В. Категорически запрещено переключать ее на другое напряжение. В случае выхода из строя приборов из-за халатного отношения, студент несет материальную ответственность за восстановление прибора. Все необходимые переключения приборов описаны в разделе «Порядок выполнения работы».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение перераспределения энергии соударяющихся тел, определение времени удара.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: лабораторная установка ФП109М, источник питания ЛИПС III - 10, вольтметр ВК7 -15.

Описание лабораторной установки

Установка для определения времени удара включает в себя:

– универсальный источник питания ЛИПС III - 10,

– вольтметр ВК7 -15,

– прибор ФП 109М.

Прибор ФП 109М – это прибор настольного типа. На его массивном основании 1 (рис.3) расположен куб 2 с укрепленными не нем образцами 3 из различных материалов. Материалы обладают разными упругими характеристиками. Куб 3 обладает большой массой, он служит неподвижной стенкой для удара шара. Куб имеет возможность поворота вокруг своей оси и фиксации его граней перпендикулярно направлению удара. На основании 1 закреплена стойка 4. Стержень 5 закреплен на кронштейне 6, жестко связанном со стойкой 4. На стержне подвешен стальной шар, который может отклоняться от вертикального положения в пределах 0 – 50°. Удержание шара в исходном положении и пуск его осуществляется укреплением на штанге 7 электромагнитом 8. Угол отклонения шара определяется по шкале 9.

На основании прибора расположены клеммы для включения прибора в электрическую измерительную схему и выключатель 10 для управления работой прибора.

Рис. 3

В электрическую схему, находящуюся внутри прибора, включены конденсатор фиксированной емкости С и известное сопротивление R (рис.4):

Работа прибора основана на следующем принципе. При замыкании ключа К заряжается конденсатор С до напряжения При этом электромагнит отпускает шарик, который, ударяясь о грань куба, замыкает электрическую цепь Замыкание цепи происходит только во время удара. При этом напряжение на конденсаторе уменьшается до значения за счет разрядки конденсатора С по экспоненте

где время удара, которое можно определить по формуле:

(11)

Погрешность определения времени удара равна:

(12)

Рис. 4

В установке использован вольтметр типа ВК7-15, который предназначен для измерения постоянного и переменного напряжений и сопротивлений. Пределы измерений напряжений на постоянном токе от 0,3 до 1000 В. Управление прибором ВК7-10А осуществляется тумблерами и регуляторами, находящимися на передней панели (рис.5):

1 – кнопки вида измерений;

2 – переключатель пределов измерений;

3 – регулятор установки нуля.

ВК7-15 обеспечивает измерение напряжений с погрешностью

(0,02) . (13)

3

1

2

Рис. 5

В лабораторной установке используется шар, подвешенный на нерастяжимой нити длины l (рис.6). Для определения изменения импульса необходимо знать скорость шара до удара и после удара. Для вывода расчетной формулы воспользуемся законом сохранения полной механической энергии.

Рис. 6

Потенциальную энергию шара в положении равновесия примем равной нулю. За начало отсчета высоты примем высоту, на которой находится центр масс шара в этом положении. Тогда, при отклонении шара на угол , он обладает потенциальной энергией где масса шара. Если шар отпустить, он будет двигаться к положению равновесия, и его потенциальная энергия переходит в кинетическую. В положении равновесия вся потенциальная энергия шара переходит в кинетическую, т.е.

где скорость шара при прохождении положения равновесия.

Из рис. 6 видно, что

тогда

(14)

После удара о стенку шар отскочил на угол его скорость равна:

  (15)

Коэффициент восстановления относительной скорости шара равен:

(16)