физика лабараторные / l_r_7
.docМиНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«тюменский государственный нефтегазовый университет»
ФИЛИАЛ « ТОБОЛЬСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ »
Кафедра электроэнергетики
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работы №7
«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ НА МАШИНЕ АТВУДА»
по дисциплине: «Физика»
Для студентов специальностей:
140211.65 «Электроснабжение»
220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств»,
230100.62 «Информатика и вычислительная техника» и
240801.65 «Машины и аппараты химических производств»,
190603.65 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования»
080502.65 «Экономика и управление на предприятии топливно-энергетического комплекса»
240401.65 «Химическая технология органических веществ»
150202.65 «Оборудование и технология сварочного производства»
всех форм обучения
Тобольск 2008 г.
ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
-
Внимательно изучайте теоретическую часть работы.
-
Приступайте к выполнению работы только после сдачи допуска на проведение лабораторного практикума преподавателю или лаборанту.
-
В случае возникновения неисправности оборудования во время выполнения лабораторной работы немедленно отключить электропитание (отключить питание прибора кнопкой или тумблером «Сеть», либо выдернуть вилку из розетки) или выключить общий выключатель – автомат, о случившемся доложить лаборанту и преподавателю.
-
В случае возникновения вопросов по данной работе обращаться к лаборанту или преподавателю. Строго соблюдать общие инструкции по технике безопасности в лаборатории «Механика и молекулярная физика».
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ НА МАШИНЕ АТВУДА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение ускорения свободного падения.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: машина Атвуда, набор грузов.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Машина Атвуда предназначена для исследования закона движения тел при их свободном падении в поле земного тяготения.
Рассмотрим закон движения грузов.
Введём неподвижную систему координат, центр которой совмещён с осью блока. Ось координат ОХ направим вниз и рассмотрим силы, действующие на грузы в направлении этой оси. Пусть масса перегрузка, лежащего на грузе А, равна .
На груз А с перегрузком действуют две силы: сила тяжести и сила натяжения нити . По второму закону Ньютона:
(1)
где - ускорение груза А с перегрузком.
В силу нерастяжимости нити ускорение груза В равно ускорению груза А по абсолютной величине и направлено в противоположную сторону. Пусть – натяжение левого конца нити. Тогда:
(2)
Считая, блок невесомым примем что
(3)
Из уравнений (1) – (3) получим:
(4)
(5)
Более точное определение ускорения движения системы требует учёта самого блока. Натяжение нити по обе стороны блока в этом случае будут различными и вместо уравнения (3) следует рассмотреть уравнение, определяющее закон вращательного движения блока:
(6)
где - момент инерции блока;
– масса блока;
– радиус блока;
– угловое ускорение;
– коэффициент, зависящий от распределения массы блока.
Если скольжение нити по блоку исключено, то угловое и линейное ускорения связаны уравнением:
(7)
Решение систем уравнений (1), (2) и (6) даёт для ускорения системы, следующее выражение:
(8)
отсюда:
(9)
Легко заметить, что замена (4) на (8) не изменяет ни вида формулы, ни характера движения и приводит к небольшому и притом постоянному увеличению знаменателя. Наличие силы трения также даёт уменьшение величины – ускорения системы. Ускорение при небольших перегрузках существенно меньше его поэтому легко измерить. С указанными выше допущениями формула (9) может служить для определения ускорения .
Поскольку не существует простых способов прямого измерения ускорения, для определения воспользуемся равноускоренным характером движения грузов и будем измерять путь и время движения , которое, как известно, связано соотношением:
(10)
Время равноускоренного движения грузов можно определить, измеряя время равномерного движения грузов без перегрузка между фотодатчиками. По законам равномерного движения расстояние между фотодатчиками связано со временем соотношением:
(11)
где – это скорость движения грузов без перегрузка.
С другой стороны – это скорость, которую приобрели грузы во время равноускоренного движения, следовательно
(12)
Решая совместно уравнения (10) – (12), получаем ускорение грузов при равноускоренном движении:
(13)
Подставляя (13) в (9), получаем формулу для определения ускорения свободного падения:
(14)
Если принять, что блок представляет собой сплошной цилиндр, то и тогда окончательно получаем:
(15)
где – масса груза (61 г);
– масса перегрузка;
– масса блока (8,31 г);
– время равномерного движения между фотодатчиками;
– расстояние при равномерном движении;
– расстояние при равноускоренном движении.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Устройство машины Атвуда можно рассмотреть на рис.2. Установка представляет собой стойку 1 с осью на верхнем кронштейне 5, вокруг которой свободно вращается лёгкий алюминиевый блок, удерживаемый в состоянии покоя с помощью фрикционного магнита 7. Через блок перекинута нить 6, на концах которой висят грузы А и B, имеющие равные массы М = 61 г. На груз А могут одеваться один или несколько перегрузков (массы написаны на них) в виде кольца. У нижнего основания стойки 2 установлен миллисекундомер для отсчёта времени спуска груза А между фотодатчиками 8 при их равномерном движении. Положение среднего 4 и нижнего 3 кронштейнов можно менять. Нижний кронштейн 3 представляет собой площадку 10 с резиновым амортизатором. Для отсчёта расстояния, проходимом грузом А, на стойке установлена миллиметровая шкала 9.
ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
-
Перекиньте через блок нить с двумя грузами и убедитесь, что подвижная система находится в положении безразличного равновесия. Установите средний кронштейн 4 с фотодатчиком приблизительно посередине шкалы и зафиксируйте это положение.
-
Приведите подвижную систему в исходное состояние. Для чего, вращая блок рукой, установите правый груз А в крайнем верхнем положении. Заметьте положение нижнего среза А по шкале установки.
-
Нажмите кнопку “СЕТЬ”, расположенную на лицевой панели миллисекундомера. При этом должны загореться лампочки цифровых индикаторов и сработать фрикцион электромагнита.
-
Положите на правый груз один из перегрузков.
-
Нажмите на кнопку “ПУСК”, при этом обесточивается электромагнит и отключается фрикцион, система с грузами начнёт движение причём миллисекундомер отсчитывает время равномерного движения между фотодатчиками. Запишите показания миллисекундомера – время равномерного движения.
-
Запишите по шкале установки расстояния, пройденные грузом h1 и h.
-
Нажмите кнопку “СБРОС” на миллисекундомере.
-
Повторите операции 1 – 6 для трех разных перегрузков не менее 5 раз и полученные данные занесите в таблицу 1.
-
Из формулы (15) определите ускорение свободного падения g.
-
По полученным результатам найдите среднее значение g.
-
По окончанию работы выключите питание миллисекундомера.
-
Рассчитайте погрешность измерения.
-
Рассчитать определения ускорения свободного падения, пользуясь правилами расчёта погрешностей при прямых измерениях.
Таблица №1
-
№
h,
м
hi,
м
ti,
с
<t>,
с
m,
кг
g,
м/с2
∆g,
м/с2
εg,
%
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
-
Равномерное и равноускоренное движения.
-
Движение тел в поле силы тяжести. Ускорение свободного падения.
-
Описание метода определения ускорения свободного падения с помощью машины Атвуда.
-
Вывод расчётной формулы.
ЛИТЕРАТУРА
-
Савельев И.В. Курс общей физики. т.1 – М: Наука, 1982 г. – 432с.
-
Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.1 – М.: 1979 г. – 520с.
ОБЩИЙ ВИД УСТАНОВКИ
Рис. 2