- •Департамент образования и науки
- •Введение
- •Математическая обработка результатов измерений и представление экспериментальных данных
- •1. Погрешности результатов измерений
- •2. Оценка точности прямых многократных измерений
- •3. Оценка точности косвенных измерений
- •4. Правила округления погрешностей
- •5. Графическое представление результатов
- •6. Выполнение работы и оформление отчета
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 1 измерение линейных величин и объемов тел правильной геометрической формы
- •Измерительные приборы
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 изучение законов сохранения импульса и энергии при столкновении шаров
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 изучение плоского движения твердого тела
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 4 изучение основного уравнения динамики вращательного движения на маятнике обербека
- •Теоретическая часть
- •Постановка экспериментальной задачи
- •Описание экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 определение коэффициентов трения качения и трения скольжения методом наклонного маятника
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки
- •Подготовка установки к работе
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 определение момента инерции маятника максвелла
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 определение модуля юнга и модуля сдвига сплавов
- •Теоретическая часть
- •Определение модуля Юнга методом изгиба
- •Определение модуля сдвига с помощью пружинного маятника и растяжения пружины
- •Описание экспериментальной установки
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 8 математический и физический маятники
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки
- •Методика экспериментов и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 9 исследование прямолинейного поступательного движения в поле сил тяжести на машине атвуда
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки
- •Принцип работы экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Описание экспериментальной установки
- •Подготовка установки к работе
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 11 определение скорости пули с помощью крутильного баллистического маятника
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 12 гироскоп
- •Теоретическая часть
- •О Рис.12.2.Писание экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Описание экспериментальной установки
- •Методика эксперимента и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Отчет по лабораторной работе № 1 измерение линейных величин и объемов тел правильной геометрической формы
- •Список литературы
- •Содержание
- •Александр Геннадьевич Заводовский,
Контрольные вопросы
1. Дайте определение момента инерции тела.
2. Поясните физический смысл понятия момента инерции тела.
3. Какие оси называют главными осями инерции тела?
4. Как вычислить момент инерции тела относительно оси вращения параллельной одной из главных осей?
5. Покажите, что момент инерции однородного куба относительно оси, проходящей через его центр, определяется соотношением: .
6. Выведите формулы (10.6), (10.7), (10.9) и (10.12).
7. Что такое крутильный маятник?
8. Сформулируйте теорему Штейнера.
9. Определите физический смысл постоянной кручения D.
10. Объясните методику определения момента инерции свободной рамки маятника.
Лабораторная работа № 11 определение скорости пули с помощью крутильного баллистического маятника
Цель работы: изучение закона сохранения момента импульса и основного уравнения динамики вращательного движения; измерение скорости пули методом крутильного баллистического маятника.
Теоретическая часть
Метод крутильного баллистического маятника, используемый в данной работе для определения скорости пули, основан на применении закона сохранения момента импульса и основного уравнения динамики вращательного движения твердого тела. Моментом импульса материальной точки Аотносительно неподвижной точкиОназывается физическая величина, определяемая векторным произведением (рис. 11.1):
,
Рис.
11.1
где − радиус-вектор, проведенный из точкиО в точку А, − импульс материальной точкиА. Модуль вектора момента импульса:
(11.2)
где α – угол между векторами и .
При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси Z каждая его частица массой mi движется по окружности постоянного радиуса ri с некоторой скоростью υi . В этом случае – Момент импульса отдельной частицы тела равен:
(11.3)
Момент импульса твердого тела относительно оси Z есть сумма моментов импульса отдельных частиц тела:
(11.4)
Используя соотношение , получим:
(11.5)
Таким образом, момент импульса твердого тела относительно оси Z равен произведению момента инерции тела относительно той же оси на угловую скорость вращения.
Если продифференцировать по времени это выражение, то получим уравнение:
(11.6)
где ε – угловое ускорение твердого тела.
Основное уравнение динамики вращательного движения тела относительно неподвижной оси Z имеет вид: , где момент внешних сил, действующих на тело относительно осиZ. Тогда уравнение (11.6) можно записать: Данное уравнение также называется уравнением динамики вращательного движения тела (другая форма записи) и в векторном виде может быть представлено следующим образом:
(11.7)
В замкнутой системе момент внешних сил равен нулю (), поэтому , следовательно:
. (11.8)
Это выражение представляет собой закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы не изменяется со временем.
Используя закон сохранения момента импульса и уравнение динамики вращательного движения, можно изучать взаимодействия тел, в результате которых одно из них начинает вращаться.
С
Рис.11.2.
, (11.9)
где D – постоянная упругих сил (постоянная кручения).
Когда горизонтально летящая пуля попадает в маятник, то происходит неупругое соударение этих тел. После удара маятник начинает совершать крутильные колебания относительно оси вращения. Движение колебательной системы определяется уравнением гармонических колебаний, которое следует из основного закона динамики вращательного движения (11.7) и соотношения (11.9):
. (11.10)
где J – момент инерции колебательной системы относительно оси вращения, .
Решением этого уравнения является:
, (11.11)
где φ0 – максимальный угол отклонения маятника, ω – частота колебаний маятника. Согласно закону сохранения момента импульса начальные условия для данной системы имеют вид:
(11.12)
где m –масса пули, υ – ее скорость, ℓ – расстояние от оси вращения маятника до точки попадания пули.
Из (11.11) можно определить, что:
(11.13)
где циклическая частота колебаний системы (маятника).
Соответственно, период колебаний маятника:
. (11.14)
Из (11.12) и (11.13) можно определить скорость пули:
. (11.15)
Момент инерции данной колебательной системы (маятника) (рис.11.4) можно рассчитать, используя соотношение:
(11.16)
где m0 – масса груза, ℓ1 = 0,0525 м – расстояние от оси вращения до центров масс грузов, – момент инерции свободной рамки (без грузов).
Момент инерции колебательной системы можно найти из отношения квадратов периодов колебаний свободной рамки и колебательной системы. Квадрат периода колебаний свободной рамки определяется следующим образом:
(11.17)
Следовательно:
. (11.18)
Отношение (11.18) позволяет определить момент инерции колебательной системы:
. (11.19)
Скорость пули можно найти из (11.15), используя соотношение (11.19):
. (11.20)