мет. по физике / 01-04-I

Работа № 1-4 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА

ЦЕЛЬ: установить зависимость углового ускорения маятника от момента приложенной силы; определить момент инерции маятника.

ОБОРУДОВАНИЕ: маятник Обербека, линейка, миллисекундомер,. набор грузов; штангенциркуль; технические весы.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Основной закон динамики вращательного движения связывает три величины: момент силы M, момент инерции I и угловое ускорение .

Моментом силы M относительно некоторого начала называют физическую величину, характеризующую вращательное действие силы F и равную векторному произведению силы на радиус-вектор r, соединяющий начало с точкой приложения силы.

M = [r; F]. (1)

Момент силы, в соответствии с правилом векторного произведения, направлен перпендикулярно векторам F и r. В скалярном виде

M = Frsin = Fd,

где    угол между векторами F и r ,

d = r sin  кратчайшее расстояние от оси до линии действия силы (плечо силы).

Рис. 1. К определению момента силы

Изменение угловой скорости тела всегда связано с действием на него момента силы. Основной закон динамики вращательного движения утверждает, что угловое ускорение, приобретаемое телом под действием вращающего момента, пропорционально вращающему моменту сил и обратно пропорционально моменту инерции тела, т.е.

 = M/I. (2)

Момент инерции I является физической величиной, характеризующей инертность тела. Под действием одного и того же момента силы тело с меньшим моментом инерции приобретает большее угловое ускорение, чем тело с большим моментом инерции.

Таким образом при вращательном движении инерционные свойства тела определяются его моментом инерции: момент инерции во вращательном движении играет такую роль, как и масса в поступательном.

Момент инерции тела относительно какой-либо оси равен сумме моментов инерции всех точек тела относительно этой оси.

. (3)

Момент инерции тела зависит не только от массы тела, но и от ее распределения относительно оси вращения.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Установление закона динамики вращательного движения в данной работе производится при помощи маятника Обербека (рис. 2.).

Он представляет собой крестовину, состоящую из четырех стержней, прикрепленных ко втулке с осью. На стержни надевают грузы одинаковой массы m, которые могут быть закреплены на различных расстояниях R от оси вращения. Два легких шкива с различными радиусами r₁ и r₂ насажены на ось вращения маятника. На шкив наматывается шнур, к свободному концу которого прикрепляется груз массы m₁. Под действием груза шнур разматывается и приводит маятник во вращательное движение. Положение груза m₁ отмечается по линейке.

Если, двигаясь равноускоренно, груз за время t опускается на высоту h (рис.1), его линейное ускорение можно определить по формуле:

a = 2h /t². (4)

Рис. 2. Схема установки.

Учитывая, что ускорение груза равно тангенциальному ускорению точек обода шкива и что a =  r, получим:

 = 2h/(rt²). (5)

Вращающий момент M создается силой натяжения нити T’ , которая имеет плечо r₁ или r₂ в зависимости от радиуса используемого шкива (рис.1).

По второму закону Ньютона ускорение груза равно:

. (6)

Спроектировав векторное уравнение (6) на ось x , получим:

m₁a = m₁g - T . (7)

Отсюда найдем силу натяжения нити T и момент этой силы M.

T = m₁ (g - 2h/t²), (8)

M = m₁ r (g - 2h/t²). (9)

Учитывая, что D = 2r, где D  диаметр шкива, получим рабочие формулы:

 = 4h/(D t²), (10)

. (11)

Логическая схема метода

Проверка основного закона динамики вращательного движения состоит в проверке:

прямой пропорциональности между моментом силы M и угловым ускорением .; момент силы определяется весом груза (создающим натяжением нити) и диаметром шкива; угловое ускорение маятника, вычисляется через линейное ускорение груза, определяемое, в свою очередь, из соотношения кинематики через путь, пройденный грузом и время движения груза.

связи между отношением M/ и положением грузов на стержнях, т.е. в качественной проверке утверждения, что отношение M/ действительно равно моменту инерции маятника.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Заготовьте форму:

Таблица 1. R₁=…

№ п/п	D, м	m, кг	h, м	t, с	M, Н·м	, с^-^2
1
2
…

2. Измерьте штангенциркулем диаметры малого и большого шкивов D₁ и D₂.

3. Подвижные грузы на крестовине закрепите на стержнях вблизи оси вращения так, чтобы маятник был в безразличном равновесии.

4. Намотайте нить на один из шкивов, подвесьте одни из грузов на платформе. Включите установку и измерьте время падения t груза с высоты h.

5. Повторите опыт, изменяя массы грузов, а также диаметр шкива. Результаты занесите в табл 1.

6. Измените момент инерции крестовины, установив расстояние R₂. Повторите опыты по п.п. 4 и 5. Результаты занесите в табл.2, аналогичную табл.1.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Обработка результатов вручную.

1.1. Вычислите  и M для каждого опыта. Постройте график зависимости  = (M): постройте оси, нанесите масштаб и экспериментальные точки (M_i,  _i) согласно табл.1.

1.2. Через экспериментальные точки и начало координат проведите прямую так, чтобы по обе стороны от нее было расположено одинаковое число точек на примерно одинаковом расстоянии.

1.3. Вычислите угловой коэффициент данной прямой A. Согласно (2) величина 1/A будет равна усредненному значению момента инерции <I>.

1.4. Проделайте п.п. 1.1-1.3 для другого положения грузов на стержнях.

2. Обработка результатов на ЭВМ.

2.1. Выполните п. 1.1.

2.2. В соответствии с инструкцией к программе обработки линейных зависимостей методом наименьших квадратов произведите обработку экспериментальной зависимости ( _i, M_i).

2.3. Проведите на графике прямую через рассчитанные на ЭВМ контрольные точки. Данная прямая будет оптимальным графиком Вашей экспериментальной зависимости.

2.4. Согласно (2) обратная величина углового коэффициента (1/A) полученной прямой будет равна усредненному значению момента инерции <I>.

2.5. Результат запишите в виде:

I = <I>  I.

Доверительный интервал I вычисляется обычным способом по среднеквадратичному отклонению S(1/A).

ВЫВОДЫ

1. Какой характер имеет полученная Вами зависимость  от M.

2. Как отношение M/ зависит от положения грузов на стержне, диаметра шкива, массы подвешиваемых грузов? Ответ обоснуйте ссылкой на соответствующие графики.

3. Какой геометрический смысл имеет момент инерции на зависимости  от M ?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение момента силы. Укажите на схеме установки силу и плечо, создающие вращающий момент. Укажите направление вектора M.

2. Дайте определение углового ускорения тела. Укажите направление вектора углового ускорения на схеме.

3. Сформулируйте основной закон динамики вращательного движения. Дайте определение момента инерции.

4. Какие величины непосредственно измеряются в данной работе? Выведите рабочие формулы для определения  и M в настоящей работе.

ЛИТЕРАТУРА:

[1: §§ 36, 39]; [2 §§ 26, 31, 32]; [3: §§ 16, 18]; [6: 1.6]; [7: 2.1].

30