methods_10213_1220 / РАБОТА №8-1
.docМИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра физики
Лаборатория механики и молекулярной физики №1(213а)
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
ИЗУЧЕНИЕ ЗАТУХАЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ
Отредактировал: Воронцова Е.Н.
Ижевск 2011
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
ИЗУЧЕНИЕ ЗАТУХАЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ
Цель работы: ознакомление с характером собственных колебаний и вычисление коэффициента затухания.
Приборы и принадлежности: 1) маятник со шкалой отсчёта, 2) электросекундомер.
Колебательным называется движение, при котором материальная точка или тело многократно отклоняясь от своего положения равновесия, вновь возвращается к нему. Время одного полного колебания называется периодом. Наибольшее отклонение маятника от положения равновесия называется амплитудой колебания.
На практике всякое колебание, если оно не поддерживается извне, затухает: амплитуда колебаний с течением времени уменьшается, так как на движущееся тело действует сила трения окружающей среды.
Результирующая сила F, действующая на тело, равна сумме квазиупругой силы и силы трения . При малых скоростях движения сила трения пропорциональна скорости и направлена в противоположную сторону, т. е. , где r- коэффициент трения, зависящий от свойств среды, формы и размеров движущегося тела.
По второму закону Ньютона F = ma, или (1)
Если учесть, что , и , то формула (1) примет вид (2)
или (3)
Это и есть дифференциальное уравнение затухающих колебаний. Оно имеет два решения или , где и - соответственно начальные амплитуды и фаза, х – смещение в данный момент времени, – циклическая частота, равная , – коэффициент затухания, равный , e – основание натуральных логарифмов. Величина – амплитуда колебаний, убывает с течением времени. Быстроту уменьшения ее характеризует коэффициент , он обратен по величине тому промежутку времени, за который амплитуда уменьшается в e раз.
В данной работе нужно определить коэффициент затухания колебаний для маятника.
Чтобы получить более удобное выражение для определения , возьмем отношение двух амплитуд, разделённых отрезком времени в один период , т. е. амплитуда за каждый период убывает в одно и то же число раз.
Натуральный логарифм этого отношения
l
К
носит название логарифмического декремента затухания.
Таким образом, чтобы определить коэффициент затухания , нужно определить логарифмический декремент θ и период Т.
М
С
Рис. 1
Рис. 1
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Задание 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО ДЕКРЕМЕНТА ЗАТУХАНИЯ
1. Определить по миллиметровой линейке положение равновесия маятника.
2. Отклонив маятник от положения равновесия вправо на некоторый угол (не более 5-60), измерить начальную амплитуду.
3. Измерить не менее 5 амплитуд вправо, разделённых промежутком времени в один период.
4. Отклонив маятник на тот же угол и в ту же сторону, как в первом случае, измерить 5 левых амплитуд. Все данные занести в таблицу 1.
5. По измеренным данным найти отношение амплитуд и , разделённых интервалом в один период, и занести их в таблицу 1.
6. По стандартной методике, приведённой в приложении, найти абсолютную и относительную погрешности для b. Коэффициент надёжности задаёт преподаватель. Результаты занести в таблицу 1.
7. Вычислить логарифмический декремент затухания по формуле: ,
а также его погрешности: = Еb, . Результаты занести в таблицу 2.
8. Округлив полученные результаты, записать ответ по форме:
Ответ: логарифмический декремент затухания равен:
θ = (<θ> θ)
Результаты занести в таблицу 2.
Пример. Ответ: момент инерции диска равен:
I = (0,10 0,01) кгм2.
Таблица 1 Измерение амплитуд свободных колебаний
№ изм. |
Амплитуды |
|
bi |
Δbi |
(Δbi)2 |
Данные и результат |
Правые |
||||||
1 |
|
1 |
|
|
|
<b>= |
2 |
|
2 |
|
|
|
n(n-1)= |
3 |
|
3 |
|
|
|
Snb = = |
4 |
|
4 |
|
|
|
= |
5 |
|
tnα = |
||||
|
Левые |
|
|
|
|
Δbp= Snb. tnα = |
1 |
|
1 |
|
|
|
Δb = |
2 |
|
2 |
|
|
|
Еb = = |
3 |
|
3 |
|
|
|
ΔA = |
4 |
|
4 |
|
|
|
b= <b> Δb = |
5 |
|
|
Таблица 2 Определение логарифмического декремента
Логарифмический декремент θ |
θ = (<θ> θ) ед. измерения |
||
|
|
|
|
Задание 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА КОЛЕБАНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ
1. Привести маятник в колебательное движение. По секундомеру определить время t, в течение которого происходит n = 10 полных колебаний. Опыт повторить не менее 5-ти раз. Все измерения занести в таблицу 3.
2. По стандартной методике, приведённой в приложении, найти абсолютную и относительную погрешности времени t. Коэффициент надёжности α задаёт преподаватель. Результаты занести в таблицу 3.
Таблица 3 Определение периода колебаний
№ изм. |
ti, c |
Δti, c |
(Δti)2, c2 |
Данные и результат |
1 |
|
|
|
= |
2 |
|
|
|
tnα = |
3 |
|
|
|
σ = |
4 |
|
|
|
Δt = |
5 |
|
|
|
Еt = = |
n(n-1)= |
<t>= |
Δtp= |
Snt= |
t = <t>Δt = |
3. Из полученных данных определить период колебаний маятника по формуле: . Результаты занести в таблицу 4.
4. Вычислить коэффициент затухания колебаний по формуле:
5. Найти относительную и абсолютную погрешности коэффициента затухания по формулам: Δδ = δ.Еδ, Еδ = Еθ. Результаты занести в таблицу 4.
Таблица 4 Вычисление коэффициента затухания
-
Логарифмический
декремент θ
Период колебаний
<Т>, с
Коэффициент
затухания δ, с-1
Δδ,
с -1
Еδ
δ = (<δ> δ)
ед. измерения
6. Округлив полученные результаты, записать ответ по форме:
Ответ: коэффициент затухания равен:
δ = (<δ> δ) ед. измерения.
Результаты занести в таблицу 4.
Пример. Ответ: момент инерции кольца равен:
I = (0,204 0,001) кгм2.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
-
Какое движение называется колебательным?
-
Вывести уравнение затухающих колебаний.
-
Что называется коэффициентом затухания, от чего он зависит?
-
Что называется логарифмическим декрементом затухания?
-
Как связаны θ и δ?
-
Какое колебание называется затухающим?
ЛИТЕРАТУРА
-
Савельев И.В. Курс общей физики. 1982, т.1, § 58.
-
Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. 1972, т,1, § 54.
-
Грабовский Р.И. Курс физики. 1980, ч.1, § 31.
Приложение
ПОРЯДОК И ПРАВИЛА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Провести многократное измерение величины X несколько раз и результаты занести в таблицу 1 (Хi, где i =1, 2, .n, где n- число измерений).
2. Найти средне арифметическое значение <Х> = (Х1+ Х2+..+ Хn)/n и записать в таблицу 1.
3. Найти модули разности |Хi - <Х>| = DХi для каждого измерения и занести их в таблицу 1.
4. Вычислить квадраты абсолютных погрешностей (DХi)2, результаты записать в таблицу 1.
5. Вычислить сумму квадратов Sх = (DХ1)2 +..+ (DХn)2 ,а затем и средне квадратичную погрешность результатов измерений: .
6. По таблице 2 с учётом заданной преподавателем надежности α и числа измерений n определить коэффициент Стьюдента tna..
7. Вычислить абсолютную погрешность результата измерений: DХр = tna×Snх.
8. Полная абсолютная погрешность результата измерений
2) если , то ;
3) если , то .
9. Вычислить относительную погрешность измерений , все результаты занести в таблицу 1..
10. Окончательный результат округлить и записать в форме: Х = (<Х> ± DХ) ед. измерения.
Пример. Ответ: плотность цилиндра r = (7,82 ± 0,05)×103 кг/м3.
-
Погрешности косвенных измерений определяются по формуле:
Если то или в частных случаях:
Таблица 1 Таблица 2. Коэффициенты Стьюдента
n |
0.5 |
0.7 |
0.9 |
0.95 |
0.99 |
2 |
1,0 |
2,0 |
6,3 |
12,7 |
63,7 |
3 |
0,82 |
1,3 |
2,9 |
4,3 |
9,9 |
4 |
0,77 |
1,3 |
2,4 |
3,2 |
5,8 |
5 |
0,74 |
1,2 |
2,1 |
2,8 |
4,6 |
6 |
0,73 |
1,2 |
2,0 |
2,6 |
4,0 |
10 |
0,70 |
1,1 |
1,8 |
2,3 |
3,3 |
-
№
Хi
DХi
(DХi)2
Данные и
результат
1
Х1
DХ1
(DХ1)2
2
Х2
DХ2
(DХ2)2
3
Х3
DХ3
(DХ3)2
…
…
….
…..
n
Xn
DХn
(DХn)2
<Х>
DХр
Snx