Описание прибора и метода

В состав прибор входит маховое колесо, вали шкив, отсчетная линейка (рис. 2).Колесо жестко связано со шкивом и вместе они могут вращаться на валу. На поверхность шкива наматывается нить, к концу которой прикреплен груз массой т.

П

рис.2

од действием силы тяжести груз опускается, маховик при­ходит в движение. Груз, действуя по касательной к окружности шкива, создает постоянный вращающий момент, под действием которого маховое колесо будет равноускоренно вращаться. Если в результате движения до полного разматывания шнурка груз проходит расстоя­ние h, то это означает, что в на­чальный момент движения система обладала запасом потенциаль­ной энергии Е_П = mgh. Потен­циальная энергия расходуется на преодоление силы трения F_тр. и увели­чение кинетической энергии системы:

(6),

где А’_тр.1=А∙N₁ — работа по преодолению силы трения за N₁ оборотов колеса (А’_тр.1 >0), A - работа по преодолению трения за 1 оборот. Работа силы трения всегда зависит от пройденного расстояния.

- кинетическая энергия груза в конце пути,

- кинетическая энергия махового колеса в тот же момент времени.

N₁ – число оборотов за время падения груза.

Уравнение (6) связывает начальное и конечное состояния системы «маховое колесо-груз»: “груз на высоте h, груз и колесо покоятся” и “груз на нулевом уровне, имеет скорость, и колесо вращается”.

Силу трения можно вычислить, исходя из следующих соображе­ний. В момент достижения грузом пола, нить к которой он привязан, спадает со шкива, а маховое колесо продолжает вращаться до тех пор пока его кинетическая энергия не будет израсходована на работу по преодолению трения. Вращаясь после падения груза, маховое колесо совершает до полной остановки N₂ оборотов за время t. Убыль кинетической энергии равна работе по преодолению силы трения:

(7), где А’_тр.2 — работа по преодолению силы трения за N₂ оборотов колеса. С другой стороны по основному закону динамики вращательного движения: (8), гдеи, гдеr_в - радиус конической поверхности, по которой действует сила трения (внутренний радиус шкива или радиус вала). Отсюда, зная I можно оценить силу трения.

Покажем, как можно экспериментально определить момент инерции махового колеса. Из (7) выразим А и подставим в (6):

(8), или

(9).

Так как и, гдеt – время падения груза с высоты h, r – наружный радиус шкива (радиус поверхности, с которой сматывается нить!!!), уравнение (9) примет вид: .

Откуда  (10)

Если N – число оборотов от начала движения до полной остановки колеса, то N₂=N-N₁,  r - ?.

Вопросы к допуску:

1. Что такое момент инерции? В каких единицах он измеряется?

2. Когда говорят о вращательном движении? Дать определение.

3. Какова связь линейных и угловых величин?

4. Можно ли считать движение груза равноускоренным? Является ли оно таковым в реальности? Какие пренебрежения имеют место по ходу вывода расчетной формулы?

5. Записать расчетную формулу и пояснить все входящие в нее величины. Как по ходу работы вы будете получать их значение?

6. Что еще надо измерить, чтобы стало возможной оценка величины силы трения? О какой силе трения здесь идет речь? Между какими поверхностями она действует?

7. Расскажите об устройстве прибора.

8. Радиусы каких сечений используются при расчете в работе?

Содержание экспериментальных заданий

Задание 1.Определение момента инерции махового колеса.

1. Измерить штангенциркулем диаметр шкива и определить его радиус r.

2. Измерить расстояние h от нижней части висящего груза до пола. Рекомендуется не менять по ходу выполнения всего задания.

3. Измерить время t падения груза секундомером.

4. Подсчитать число оборотов N колеса от начала вращения до остановки и число оборотов N₁ до падения груза.

5. Момент инерции вычислить по формуле (10) в системе СИ.

6. Проделать опыт несколько раз, занося результаты отдельных отсчетов в таблицу 1.

   №	m, кг	r, м	h, м	t, с	N1	N	N2	I, кг∙м^2
   1.
   2.
   3.

7. Оценить погрешность результата, как косвенного измерения.

8. Записать полученный результат с указанием границ погрешности.

Задание 2.Оценка величины силы трения между валом и шкивом.

1. Измерить диаметр вала и вычислить его радиус .

2. Вывести формулу для силы трения в используемом приборе на основе положений, приведенных выше.

3. Произвести расчеты и ее момента.

4. Сравнить по величине вращающие моменты сил, действующих на маховое колесо при ее вращении по заданию 1.

5. Сделать вывод.