Механика, работа №6
.docЛабораторные работы по механике
Лабораторная работа № 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментальное измерение моментов инерции твердых тел с помощью крутильных колебаний.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Предварительно необходимо изучить теоретические основы работы №5. Экспериментальная установка (рис.17), называемая крутильным маятником, представляет собой платформу 1, подвешенную на тонком упругом стальном стержне 2 к горизонтальной раме 3. Платформа может совершать крутильные колебания относительно вертикальной оси, проходящей вдоль тонкого стержня 2. На платформе для крепления испытуемых тел имеется 8 пар отверстий 4, расположенных симметрично относительно оси вращения. Номера отверстий увеличиваются по мере удаления от оси вращения. В таблице 1 показаны расстояния отверстий до оси. Испытуемые тела имеют штыри, которые вставляются в отверстия. Таким образом тела закрепляются на платформе. Экспериментальная установка располагается на массивном основании 5.
Таблица 1
Номер отверстия |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Расстояние d от оси вращения до центра отверстия, см |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
При повороте платформы 1 на угол относительно вертикальной оси происходит закручивание стального стержня 2 на этот угол. В стержне возникают упругие силы, момент которых
действует на платформу. Коэффициент k называется коэффициентом упругости. Уравнение динамики вращательного движения
пустой платформы с моментом инерции I0 относительно вертикальной оси принимает вид:
или . (1)
Уравнение (1) является уравнением гармонических колебаний с круговой частотой и периодом колебаний .
Итак, пустая платформа совершает гармонические крутильные колебания с периодом
(2)
Располагая на платформе на одинаковых расстояниях di от оси вращения два одинаковых грузика с массами m, получают момент инерции системы
,
где момент инерции Ii одного грузика определяется теоремой Штейнера (см. лаб. работу № 5):
. (3)
В формуле (3) Iс - момент инерции грузика относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс грузика. Тогда период крутильных колебаний равен
. (4)
Помещая эти же грузики на другом расстоянии dj от оси вращения, получим формулы
,
где . (5)
В этом случае период колебаний Tj равен
. (6)
Возводя в квадрат формулы (2), (4), (6), получим систему уравнений:
, (7)
, (8)
. (9)
Вычитая уравнение (8) из уравнения (9), найдем уравнение
. (10)
Подставляя в уравнение (10) формулы (3) и (5), получим коэффициент упругости
. (11)
Подставляя формулу (11) в уравнение (7), найдем момент инерции I0 пустой платформы:
, (12)
Вычитая уравнение (7) из уравнения (8) и подставляя в результат формулу (11), получим момент инерции Ii грузика, центр масс которого находится на расстоянии di от вертикальной оси:
. (13)
Период Т или время одного полного колебания экспериментально определяют, измеряя время t для n полных колебаний:
. (14)
Подставляя формулу (14) в формулы (12) и (13), найдем расчетные формулы для определения момента инерции I0 пустой платформы
. (15)
и момента инерции Ii грузика
. (16)
Сравнивая формулы (15) и (16) можно величину Ii выразить через момент инерции I0 пустой платформы:
. (17)
При вычислении момента инерции I0 пустой платформы по формуле (15) полуширину доверительного интервала I0 находят с помощью формулы:
. (18)
Анализ формулы (18) показывает, что относительная погрешность уменьшается с увеличением величины . Поэтому для уменьшения погрешности измерения целесообразно величину выбирать минимальной (i = 1 или i = 2), а величину максимальной (j = 7 или j = 8).
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Упражнение 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ПЛАТФОРМЫ
1. Измерьте время t0 десяти (n = 10) полных колебаний пустой платформы, наблюдая величину t0 не менее 5 раз. Результаты наблюдений занесите в таблицу 2.
2. Поместите на платформу на минимальных расстояниях di от оси вращения (i = 1 или i = 2) два одинаковых грузика и измерьте время ti. Наблюдайте величину ti не менее 5 раз. Результаты наблюдений запишите в таблицу 2.
3. Расположите грузики на платформе на максимальных расстояниях от оси вращения (j = 8 или j = 7) и измерьте время tj десяти полных колебаний платформы с грузиками. Наблюдайте величину не менее 5 раз. Результаты наблюдений запишите в таблицу 2.
4. Найдите средние значения величин , , , их выборочные оценки средних квадратичных отклонений S(t) и полуширину доверительных интервалов t. Результаты вычислений запишите в таблицу 2.
5. Подставляя средние значения в формулу (15), определите момент инерции I0 пустой платформы. Учитывая, что см, по формуле (24) найдите относительную погрешность результата измерения. Полуширину доверительного интервала I0 определите по формуле:
.
Запишите результат измерения в виде доверительного интервала: .
Таблица 2
Результаты наблюдений |
Номер наблюдения |
|
|
|
1 2 3 4 5 |
|
|
|
|
Среднее значение t |
|
|
|
|
Полуширина доверительного интервала t |
|
|
|
Упражнение 2. ИЗМЕРЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
6. Располагая на платформе два одинаковых тела (грузика) на равных расстояниях di (i = 1, 2, 3, … , n) от оси вращения, измерьте время ti десяти полных колебаний нагруженной платформы для всех возможных расстояний di. Результаты измерений запишите в таблицу 3 (n - максимальный номер отверстия).
Таблица 3
Номер отверстия |
1 |
2 |
… |
n |
Расстояние до оси di |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время 10 колебаний ti |
|
|
|
|
Момент инерции Ii |
|
|
|
|
7. Используя найденные в упражнении №1 численные значения времени 10 полных колебаний t0 и момента инерции I0 пустой платформы, по формуле (17) найдите моменты инерции Ii одного тела на разных расстояниях di от оси вращения. Результаты вычислений Ii запишите в таблицу 2.
8. Откладывая по осям координат и Ii , постройте на диаграмме (рис.18) экспериментальные точки. В соответствии с теоремой Штейнера
экспериментальные точки должны лежать на одной прямой, которая пересекает ось координат в точке Iс. Iс - момент инерции тела относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс тела.
9. Определите с помощью графика, показанного на рис.18, величину Iс и полуширину доверительного интервала Iс. Для этого через экспериментальные точки нужно провести прямую и найти точку пересечения этой прямой и оси координат. Применяя при проведении прямой метод наименьших квадратов [8], получим расчетные формулы для Iс и выборочной оценки среднего квадратичного отклонения S(Iс):
,
,
где , , .
Запишите результат измерения в виде доверительного интервала: .
10. Повторите пункты 6 - 9 для другой пары тел.
11. Измерьте размеры изучаемых тел и по формулам (4) и (5) лаб. работы 5 теоретически найдите моменты инерции Iс этих тел. Сравните теоретические результаты с экспериментальными.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
-
Укажите цель данной лабораторной работы.
-
Мерой какой величины является момент инерции тела относительно оси ?
-
По какой формуле можно вычислить момент инерции относительно оси системы материальных точек ?
-
Как вычислить момент инерции произвольного тела относительно оси?
-
Сравните моменты инерции трех тел одинаковой формы и размеров, если одно тело изготовлено из алюминия, другое - из железа, а третье - из свинца.
-
На каком расстоянии от оси находится материальная точка массой m = 10 г, если ее момент инерции относительно этой оси равен I = 410-4 кг-м2 ?
-
Моменты инерции относительно оси О1О2 трех тел по отдельности равны I1 = 5 кгм2; I2 = 3 кгм2; I3 = 2 кгм2. Найдите момент инерции системы указанных тел относительно той же оси О1О2 .
-
Какой радиус основания имеет прямой круглый однородный цилиндр массой m = 6,25 кг, если момент инерции цилиндра относительно оси, проходящей через его центр масс параллельно боковой поверхности, равен I =0,125 кгм2 ?
-
Какую массу имеет прямой круглый однородный цилиндр высотой Н = 10 см и радиусом основания R = 5 см, если момент инерции цилиндра относительно оси, проходящей через его центр масс перпендикулярно боковой поверхности, равен I = 0,01 кгм2 ?
-
Сформулируйте теорему Штейнера.
-
Как найти момент инерции тела относительно оси, не проходящей через центр масс тела ?
-
Как момент инерции однородного шара относительно оси зависит от расстояния центра шара до этой оси ?
-
Два шара, изготовленные из одного металла, имеют одинаковую массу. Сравните моменты инерции шаров относительно оси, проходящей через их центры, если один из шаров имеет внутри полость.
-
Сравните моменты инерции двух однородных шаров одинаковой массы относительно оси, проходящей через центры шаров, если плотность шаров: 1) одинакова; 2) различается в 2 раза.
-
Нарисуйте эскиз экспериментальной установки.
-
Где помещают изучаемые тела ?
-
Какая часть экспериментальной установки совершает крутильные колебания ?
-
Для чего в платформе сделаны отверстия ?
-
Как найти расстояние от грузика до оси вращения ?
-
Как изменится период крутильных колебаний платформы, если ее момент инерции увеличится в 4 раза ?
-
Как период крутильных колебаний платформы зависит от коэффициента упругости стержня, на котором она подвешена ?
-
Выведите расчетную формулу для определения момента инерции I0 пустой платформы.
-
Какая величина определяется в упражнении 1?
-
Какие измерения проводятся при выполнении упражнения 1 ?
-
Как находят полуширину доверительного интервала при определении момента инерции пустой платформы ?
-
Какой должна быть величина , чтобы относительная погрешность результата измерения в упражнении 1 была минимальной ?
-
Изменится ли период колебаний и момент инерции платформы, если платформу подвесить не на стальной стержень, а на медный ?
-
Что измеряют в упражнении 2 ?
-
Укажите расчетную формулу для определения момента инерции грузика, центр масс которого находится на расстоянии di от оси вращения крутильных колебаний.
-
Какова последовательность действий при выполнении упражнения №2 ?