Пензенский государственный педагогический университет

имени В. Г. Белинского

УДК 53(075)

Н. И. Аксененко, А. Ю. Казаков, А. А. Киндаев

ЛабораторныЙ практикум «Механика твердого тела»

Пенза, 2008

Печатается по решению редакционно-издательского совета Пензенского государственного педагогического университета имени В. Г. Белинского

УДК 53(075)

Аксененко, Н. И. Лабораторный практикум «Механика твердого тела» / Н. И. Аксененко, А. Ю. Казаков, А. А. Киндаев. – Пенза: ПГПУ, 2008. – 36 с.

Учебно-методическое пособие предназначено студентам физико-математического факультета, а также других факультетов, изучающих физику. Пособие содержит элементы теории, описание конкретных лабораторных работ, поэтапные инструкции по их выполнению, контрольные вопросы и задания. Даны разработки лабораторных работ: «Определение скорости пули на приборе Поля», «Проверка основного закона вращательного движения твердого тела», «Изучение упругого и неупругого центральных ударов шаров», «Определение модуля упругости (модуля Юнга) с помощью прибора Лермантова».

 Пензенский государственный

педагогический университет

имени В. Г. Белинского, 2008

 Н. И. Аксененко, 2008

 А. Ю. Казаков, 2008

 А. А. Киндаев, 2008

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Определение скорости пули на приборе поля

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: уяснить сущность стробоскопического метода для косвенных измерений сравнительно больших скоростей; применить понятие угловой скорости, связи её с линейной к решению конкретной практической задачи.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: прибор Поля, духовое ружьё на штативе, звуковой генератор, измерительная линейка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Студентам необходимо:

– изучить экспериментальную установку (см. рис. 7.1);

– изучить устройство и действие прибора Поля;

– изучить стробоскопическое устройство и способ измерения частоты вращения дисков с его помощью;

– определить величину скорости полёта пули;

– результаты измерений и вычислений оформить в виде таблиц;

– оценить погрешность вычислений;

– на основании полученных результатов сделать вывод;

– записать свои предложения по улучшению техники измерений и вычислений в данной работе.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ОПЫТА

Прибор Поля состоит из асинхронного двигателя, на оси которого находятся стержень с дисками и винтовка. Для определения частоты вращения дисков в измерительной установке имеется стробоскопическое устройство.

Стробоскопическое устройство состоит из диска, разделённого на концентрические окружности, каждая окружность разбита на разное количество частей. Для освещения стробоскопического диска служит неоновая лампа, частота вспышек которой задается звуковым генератором.

Установка изображена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Прибор Поля

1 – асинхронный двигатель; 2 – бумажные диски, пробиваемые пулей; 3 –металлические диски, служащие для закрепления бумажных дисков; 4 – стробоскопический диск; 5 – неоновая лампа; 6 – штатив для закрепления винтовки; 7 – духовое ружьё

Для определения частоты вращения дисков рассуждают следующим образом: число вспышек неоновой лампы в 1 с будет равно , где  – частота, установленная на звуковом генераторе.

Период вспышки будет равен

. (7.1)

Окружность, разбитая на n частей, будет казаться неподвижной, если период вспышки будет при минимальной частоте равен времени, в течение которого чёрный штрих и белый промежуток между двумя соседними штрихами сместятся на расстояние, равное , где k – число чёрных (белых) штрихов на окружности.

, (7.2)

где r – радиус окружности, разбитой на k частей.

. (7.3)

Отсюда

. (7.4)

При определении скорости пули считают, что она между двумя бумажными дисками движется равномерно, поэтому скорость вычисляют по формуле:

, (7.5)

где S – расстояние между дисками (это расстояние устанавливается равным 300 мм или 150 мм), t – время полёта пули между дисками.

Для определения t бумажные диски сдвигают и находят угол , на который смещены друг от друга места входа и выхода пули. Считая вращение дисков равномерным, определяют

, (7.6)

где Т – период вращения бумажного диска,  – скорость пули.

. (7.7)

Примечание: для работы необходимо иметь два листа бумаги.

ЗАДАНИЕ № 1

По формуле (7.7), произведя все необходимые измерения, определить скорость полёта пули.

Опыт повторить не менее трех раз.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. В чём состоит физический и математический смысл угловой скорости, углового ускорения?

2. Есть ли разница в физическом смысле выражений:

, .

3. Записать формулы связи между линейными и угловыми величинами.

4. Что понимают под векторами угловой скорости и углового ускорения?

5. В чём сущность стробоскопического метода?

6. Решите одну из задач (см. задачи для самостоятельного решения) по выбору преподавателя.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Линейная скорость точек на окружности вращающегося диска равна 3 м/с. Точки, расположенные на  см, ближе к оси имеют линейную скорость  м/с. Определить частоту вращения n диска.

2. Два бумажных диска насажены на общую горизонтальную ось так, что плоскости их параллельны и отстоят на  см друг от друга. Диски вращаются с частотой  с^–1. Пуля, летевшая параллельно оси, на расстоянии  см от неё пробила оба диска. Пробоины в дисках смещены друг относительно друга на расстояние  см, считая по дуге окружности. Найти среднюю путевую скорость пули в промежутке между дисками и оценить создаваемое силой тяжести смещение пробоин в вертикальном направлении. Сопротивление воздуха не учитывать.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8