Экспериментальная часть

Общий вид экспериментальной установки изображен на рис.2. На вертикальной стойке основания 1 крепятся три кронштейна: верхний 2, средний 3 и нижний 4. На верхнем кронштейне 2 крепится блок 5 изменения направления движения нити 6, на которой подвешен крючок 7 с грузами 8. Вращение блока 5 осуществляется в узле подшипников 9, который дает возможность уменьшить трение. На среднем кронштейне 3 крепится электромагнит 14, который при подаче в него напряжения с помощью фрикциона удерживает систему с грузами в неподвижном состоянии. На этом кронштейне расположен узел подшипников 9, на оси которого с одной стороны закреплен двухступенчатый шкив 13, имеющий приспособление для закрепления нити 6. На другом конце находится крестовина, представляющая собой 4 металлических стержня с нанесенными на них рисками через каждые 10 мм, закрепленных в бобышке 12 под прямым углом друг к другу.

На каждом стержне могут свободно перемещаться и фиксироваться грузы 11, что дает возможность ступенчатого измерения моментов инерции крестовины маятника.

На нижнем кронштейне 4 крепится фотоэлектрический датчик 15, который выдает электрический сигнал на миллисекундомер 16 для окончания счета промежутков времени. На этом же кронштейне крепится резиновый амортизатор 17, о который ударяется груз при остановке. Маятник снабжен миллиметровой линейкой 18, по которой определяется начальное и конечное положения грузов, а следовательно и пройденный путь.

Миллисекундомер физический выполнен самостоятельным прибором с цифровой индикацией времени и жестко укреплен на основании 1.

Мысленно разрежем нить, на которой подвешен груз . Если предоставить возможность грузу падать, то это падение будет происходить с ускорением . При этом диск со стержнями и расположенными на них грузами будет вращаться с угловым ускорением .

При падении груза потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию поступательного движения груза и кинетическую энергию вращательного движения прибора: , где - момент инерции прибора.

На основании закона сохранения энергии:

= (8),

где - скорость груза Р в момент касания, площадки;

- угловая скорость вращающегося прибора (его части).

Сила, под действием которой груз падает вниз: ,

где - сила тяжести;

- сила натяжения нити.

Отсюда или ;

- масса падающего груза.

Сила сообщает угловое ускорение вращающемуся телу. Момент этой силы

(9)

(10)

где - радиус диска (под номером 13, рис. 2)

Так как поступательное движение груза равноускоренное без начальной скорости, то тангенциальное ускорение периферийных точек шкива, отстоящих от оси вращения на расстоянии r равно ускорению груза, то

(11)

откуда с учетом (12)

где - время падения груза с высоты . Получим:

(13)

Момент инерции крестовины с грузами:

; = (14)

где - момент инерции собственно крестовины (без грузов);

=53г - масса стержня

=24·10^-2м - длина стержня

- масса груза на стержне

- масса передвижных грузов (на рис 2 под номером 11);

-сумма моментов инерции четырех грузов, отстоящих от оси на расстоянии .

=0,0877м - диаметр шкива (рис 2 номер 13).