физика лабараторные / l_r_7

МиНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый университет»

ФИЛИАЛ « ТОБОЛЬСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ »

Кафедра электроэнергетики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы №7

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ НА МАШИНЕ АТВУДА»

по дисциплине: «Физика»

Для студентов специальностей:

140211.65 «Электроснабжение»

220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств»,

230100.62 «Информатика и вычислительная техника» и

240801.65 «Машины и аппараты химических производств»,

190603.65 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования»

080502.65 «Экономика и управление на предприятии топливно-энергетического комплекса»

240401.65 «Химическая технология органических веществ»

150202.65 «Оборудование и технология сварочного производства»

всех форм обучения

Тобольск 2008 г.

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

1. Внимательно изучайте теоретическую часть работы.

2. Приступайте к выполнению работы только после сдачи допуска на проведение лабораторного практикума преподавателю или лаборанту.

3. В случае возникновения неисправности оборудования во время выполнения лабораторной работы немедленно отключить электропитание (отключить питание прибора кнопкой или тумблером «Сеть», либо выдернуть вилку из розетки) или выключить общий выключатель – автомат, о случившемся доложить лаборанту и преподавателю.

4. В случае возникновения вопросов по данной работе обращаться к лаборанту или преподавателю. Строго соблюдать общие инструкции по технике безопасности в лаборатории «Механика и молекулярная физика».

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ НА МАШИНЕ АТВУДА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение ускорения свободного падения.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: машина Атвуда, набор грузов.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Машина Атвуда предназначена для исследования закона движения тел при их свободном падении в поле земного тяготения.

Рассмотрим закон движения грузов.

Введём неподвижную систему координат, центр которой совмещён с осью блока. Ось координат ОХ направим вниз и рассмотрим силы, действующие на грузы в направлении этой оси. Пусть масса перегрузка, лежащего на грузе А, равна .

На груз А с перегрузком действуют две силы: сила тяжести и сила натяжения нити . По второму закону Ньютона:

(1)

где - ускорение груза А с перегрузком.

В силу нерастяжимости нити ускорение груза В равно ускорению груза А по абсолютной величине и направлено в противоположную сторону. Пусть – натяжение левого конца нити. Тогда:

(2)

Считая, блок невесомым примем что

(3)

Из уравнений (1) – (3) получим:

(4)

(5)

Более точное определение ускорения движения системы требует учёта самого блока. Натяжение нити по обе стороны блока в этом случае будут различными и вместо уравнения (3) следует рассмотреть уравнение, определяющее закон вращательного движения блока:

(6)

где - момент инерции блока;

– масса блока;

– радиус блока;

– угловое ускорение;

– коэффициент, зависящий от распределения массы блока.

Если скольжение нити по блоку исключено, то угловое и линейное ускорения связаны уравнением:

(7)

Решение систем уравнений (1), (2) и (6) даёт для ускорения системы, следующее выражение:

(8)

отсюда:

(9)

Легко заметить, что замена (4) на (8) не изменяет ни вида формулы, ни характера движения и приводит к небольшому и притом постоянному увеличению знаменателя. Наличие силы трения также даёт уменьшение величины – ускорения системы. Ускорение при небольших перегрузках существенно меньше его поэтому легко измерить. С указанными выше допущениями формула (9) может служить для определения ускорения .

Поскольку не существует простых способов прямого измерения ускорения, для определения воспользуемся равноускоренным характером движения грузов и будем измерять путь и время движения , которое, как известно, связано соотношением:

(10)

Время равноускоренного движения грузов можно определить, измеряя время равномерного движения грузов без перегрузка между фотодатчиками. По законам равномерного движения расстояние между фотодатчиками связано со временем соотношением:

(11)

где – это скорость движения грузов без перегрузка.

С другой стороны – это скорость, которую приобрели грузы во время равноускоренного движения, следовательно

(12)

Решая совместно уравнения (10) – (12), получаем ускорение грузов при равноускоренном движении:

(13)

Подставляя (13) в (9), получаем формулу для определения ускорения свободного падения:

(14)

Если принять, что блок представляет собой сплошной цилиндр, то и тогда окончательно получаем:

(15)

где – масса груза (61 г);

– масса перегрузка;

– масса блока (8,31 г);

– время равномерного движения между фотодатчиками;

– расстояние при равномерном движении;

– расстояние при равноускоренном движении.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Устройство машины Атвуда можно рассмотреть на рис.2. Установка представляет собой стойку 1 с осью на верхнем кронштейне 5, вокруг которой свободно вращается лёгкий алюминиевый блок, удерживаемый в состоянии покоя с помощью фрикционного магнита 7. Через блок перекинута нить 6, на концах которой висят грузы А и B, имеющие равные массы М = 61 г. На груз А могут одеваться один или несколько перегрузков (массы написаны на них) в виде кольца. У нижнего основания стойки 2 установлен миллисекундомер для отсчёта времени спуска груза А между фотодатчиками 8 при их равномерном движении. Положение среднего 4 и нижнего 3 кронштейнов можно менять. Нижний кронштейн 3 представляет собой площадку 10 с резиновым амортизатором. Для отсчёта расстояния, проходимом грузом А, на стойке установлена миллиметровая шкала 9.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Перекиньте через блок нить с двумя грузами и убедитесь, что подвижная система находится в положении безразличного равновесия. Установите средний кронштейн 4 с фотодатчиком приблизительно посередине шкалы и зафиксируйте это положение.

2. Приведите подвижную систему в исходное состояние. Для чего, вращая блок рукой, установите правый груз А в крайнем верхнем положении. Заметьте положение нижнего среза А по шкале установки.

3. Нажмите кнопку “СЕТЬ”, расположенную на лицевой панели миллисекундомера. При этом должны загореться лампочки цифровых индикаторов и сработать фрикцион электромагнита.

4. Положите на правый груз один из перегрузков.

5. Нажмите на кнопку “ПУСК”, при этом обесточивается электромагнит и отключается фрикцион, система с грузами начнёт движение причём миллисекундомер отсчитывает время равномерного движения между фотодатчиками. Запишите показания миллисекундомера – время равномерного движения.

6. Запишите по шкале установки расстояния, пройденные грузом h₁ и h.

7. Нажмите кнопку “СБРОС” на миллисекундомере.

8. Повторите операции 1 – 6 для трех разных перегрузков не менее 5 раз и полученные данные занесите в таблицу 1.

9. Из формулы (15) определите ускорение свободного падения g.

10. По полученным результатам найдите среднее значение g.

11. По окончанию работы выключите питание миллисекундомера.

12. Рассчитайте погрешность измерения.

13. Рассчитать определения ускорения свободного падения, пользуясь правилами расчёта погрешностей при прямых измерениях.

Таблица №1

№	h, м	hi, м	ti, с	<t>, с	m, кг	g, м/с2	∆g, м/с2	εg, %
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Равномерное и равноускоренное движения.

2. Движение тел в поле силы тяжести. Ускорение свободного падения.

3. Описание метода определения ускорения свободного падения с помощью машины Атвуда.

4. Вывод расчётной формулы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики. т.1 – М: Наука, 1982 г. – 432с.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.1 – М.: 1979 г. – 520с.

ОБЩИЙ ВИД УСТАНОВКИ

Рис. 2

8