Контрольные вопросы
Импульс. Момент импульса материальной точки и твердого тела. Единицы измерения импульса и момента импульса.
Механическая энергия и ее виды. Кинетическая энергия при поступательном и вращательном движении.
Сформулируйте законы изменения и сохранения .энергии и импульса.
Какие процессы происходят при выполнении физического эксперимента в данной лабораторной работе? Какими законами описываются эти процессы?
Выведите расчетную формулу.
Лабораторная работа Изучение упругого и неупругого ударов
Цель работы:Изучение законов сохранения энергии и импульса, изучение упругого и неупругого ударов, экспериментальное определение времени соударения шаров.
П
риборы
и принадлежности:Установка для
изучения удара шаров, набор металлических
и пластилиновых шаров, шкалы для
определения угла отклонения шаров,
миллисекундомер.
Методика и техника эксперимента
Установка представляет собой настольный прибор с регулируемыми опорами 1, выполненный на едином основании 2.
На вертикальной стойке закреплены два маятника - левый 3 и правый 4. Они состоят из металлического (пластилинового) шара 5 с нониусом 6. Левая шкала 7 предназначена для определения угла отклонения шара после соударения, правая 8 - для определения угла бросания.
На правой шкале крепится электромагнит 9, который может перемещаться вдоль нее. Он служит для удержания правого шара в выбранном положении.
На основании 1 крепится миллисекундомер 10, предназначенный для замера времени соударения металлических шаров.
На передней панели миллисекундомера находятся кнопки СЕТЬ, СБРОС, ПУСК, индикаторная панель времени и сигнальная лампочка - переполнение.
Включение электромагнита происходит одновременно с нажатием кнопки включения сети. Нажатием кнопки ПУСК осуществляется обесточивание электромагнита. Микросекундомер фиксирует время только одного первого соударения.
Установка предназначена для изучения совокупности явлений, происходящих при упругом и неупругом ударах шаров.
При соударении шаров друг с другом они претерпевают деформации. При этом кинетическая энергия, которой обладали шары перед ударом частично или полностью переходит в потенциальную энергию упругой деформации и во внутреннюю энергию тел. Увеличение внутренней энергии тел сопровождается повышением их температуры. Существуют два предельных видов удара: абсолютно упругий и абсолютно неупругий. Абсолютно упругим называют такой удар, при котором механическая энергия тел не переходит в другие виды энергии. При таком ударе кинетическая энергия полностью или частично в потенциальную энергию упругой деформации. Затем тела возвращаются к первоначальной форме, отталкиваясь друг от друга. Потенциальная энергия упругой деформации переходит в кинетическую энергию, и тела разлетаются со скоростями, величина и направление которых определяются законами сохранения энергии и импульса:
, (1)
, (2)
где m1- масса правого шара,m2- масса левого шара,v1- скорость правого шара до удара,u1иu2- скорости шаров после удара.
При абсолютно неупругом ударе упругая деформация не возникает. Кинетическая энергия тел полностью или частично превращается во внутреннюю энергию. После удара тела либо движутся с одинаковой скоростью, либо покоятся. При этом выполняется лишь закон сохранения импульса, закон же сохранения механической энергии не выполняется (имеет место закон сохранения суммарной механической и внутренней энергии).
, (3)
где u- скорость шаров после удара.
Эти соотношения и предлагается проверить в данной лабораторной работе.
Скорости шаров до и после удара можно определить из следующих соображений.
Отклоним правый шар на угол 1,
при этом его центр будет поднят на высоту
. Потенциальная энергия шара в этом
состоянии
.
Когда шар достигает своего низшего
положения, его потенциальная энергия
перейдет в кинетическую
.
По закону сохранения энергии
можно записать:
,
откуда скорость правого шара до удара
. (4)
Из рисунка видно, что
или
.
Подставим это выражение в формулу (4) и
получим:
. (5)
Аналогичные выражения можно получить и для скоростей шаров после удара:
, (6)
. (7)
Здесь 1и2- углы отклонения шаров после удара.