Методика эксперимента

Лабораторная установка для изучения упругого удара (рис.1) представляет собой два стальных шара 1 и 2 с массами m₁ и m₂, закрепленных на бифилярных подвесах 3. Расстояние от оси вращения шаров до их центров масс равно L. Шар m₁ может удерживаться в отклоненном положении электромагнитом 4. Положение электромагнита может изменяться за счет поворота штанги 5. Начальный угол отклонения подвеса шара m₁ от вертикального положения определяется с помощью поворотного индикатора 6 и шкалы 7. Этот же индикатор позволяет определить максимальный угол отклонения шара m₁ после удара. Максимальный угол отклонения шара m₂ измеряется с помощью второго поворотного индикатора 8 со шкалой 9. Устройство 10 позволяет предотвратить отклонение шара m₂ после соударения с шаром m₁, если это необходимо. Для этого его устанавливают в вертикальное положение. Управление электромагнитом осуществляется с помощью блока 11.

Величинами, которые будут измеряться в опытах, являются не скорости, а углы отклонения подвесов шаров от положения равновесия. Поэтому формулы для скоростей, получим через выражения для углов отклонения каждого из шаров после первого удара.

рис. 1

Пусть удерживаемый электромагнитом шар m₁ имеет подвес, расположенный под углом α₁₀ к вертикальному направлению. Если расстояние от оси вращения до центра масс шара равно L, то в таком положении центр масс поднят на высоту h₁₀ , которая равна

. (7)

Считаем, что в положении равновесия центр масс шара расположен на нулевой высоте.

Из закона сохранения механической энергии следует

(8)

Следовательно,

. (9)

Подставляя (9) в формулу (4) и учитывая что второй шар покоится до удара, получаем теоретическую скорость первого шара после удара выраженную через угол

. (10)

Угол отклонения подвеса первого шара после удара обозначим α₁₁. Связь этого угла с высотой подъема после удара h₁₁ имеет вид:

. (11)

Опять пользуемся законом сохранения механической энергии

(12)

(13)

Выразим из (13) реальную скорость первого шара после удара с учетом (11)

(14)

Рассуждая таким же образом, получим рабочую формулу для скорости второго шара после первого удара угла через косинус угла отклонения α₂₁:

; (15)

Из (4) с учетом (9) получаем теоретическую скорость второго шара после удара

. (16)

Из закона сохранения механической энергии для второго шара найдем его реальную скорость после удара

(17)

(18)

Коэффициент восстановления скорости K с учетом (9), (14) и (18) запишется соответственно

(19)

Коэффициент восстановления энергии примет вид

(20)

Порядок выполнения работы

1. Убедитесь, что в качестве шара m₁ вначале используется шар меньшей массы. Если это не так, закрепите его. Шар m₂ должен иметь большую массу. Заготовьте таблицу.

2. Включите электронный блок управления электромагнитом.

3. Подведите к электромагниту шар m₁. Убедитесь, что он удерживается электромагнитом. Установите поворотом штанги 5 начальный угол α₁₀ отклонения подвеса шара m₁ от вертикали. Пользуясь поворотным индикатором 6 и шкалой 7 (см. Рис.1), измерьте этот угол.

4. Подготовьте поворотный индикатор 8 к измерению отклонения шара m₂. Для этого установите его в положение близкое к 0⁰.

5. Нажатием кнопки на электронном блоке отключите питание электромагнита и освободите шар m₁.

6. Снимите показания со шкалы 9 и запишите полученное значение угла α₂₁.

7. Нажатием кнопки «Стоп» включите питание электромагнита и вновь подведите к нему шар m₁.

8. Подготовьте поворотный индикатор 6 для определения угла отклонения шара m₁ после первого удара. Для этого установите его в положение близкое к 0⁰. Установите устройство 10 в вертикальное положение. Это не позволит шару m₂ после повторного удара изменить показания поворотного индикатора 6.

9. Нажатием кнопки на электронном блоке отключите питание электромагнита и освободите шар m₁. После удара шар m₂ должен «прилипнуть» к держателю 10, тем самым не произведется повторный удар.

10. Снимите показание со шкалы 7 и запишите полученное значение угла α₁₁. Показания углов α₁₀, α₁₁, α₂₁ запишите в таблицу.

11. Рассчитайте экспериментальные и теоретические значения скоростей шаров по соответствующим формулам (10) и (14), (16) и (18). Сравните результаты.

12. Повторите п. 2 - 10 для других значений начального угла α₁₀ , изменив его поворотом штанги 5. Проведите вычисления и запишите их в таблицу.

13. Снимите шар малой массы и замените его шаром, масса которого равна массе шара m₂.

14. Уберите устройство 10, препятствующее отклонению второго шара.

15. Проведите опыты с шарами равной массы при трех различных начальных углах α₁₀. Убедитесь, что, действительно, при ударе они обмениваются импульсами и энергиями.

16. Вычислите скорости обоих шаров после удара. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

17. Для всех проведенных опытов рассчитайте коэффициенты восстановления скорости и энергии по формулам (19) и (20).

18. Проверьте, выполняется ли закон сохранения импульса и механической энергии при ударах шаров. Сделайте соответствующие выводы.

Проведение измерений, расчет исследуемой физической величины, оценка погрешности измерений.

№		α10	α11	α21	, м/с	, м/с	, м/с	, м/с	K	K1
1	m1<m2	15	5	10	0,215	0,221	0,224	0,313	0,20	0,97
2		30	10	15	0,400	0,313	0,419	0,442	0,16	0,93
3		45	15	20	0,342	0,442	0,357	0,585	0,11	0,81
1	m1=m2	20	10	15	0	0,313	0,44	0,442	0,30	0,85
2		30	15	20	0	0,442	0,82	0,828	0,45	0,78
3		40	20	25	0	0,585	0,70	0,930	0,51	0,70

I.

.

m₁<m₂

1. 

2. 3)

m₁=m₂

II.

m₁<m₂

m₁=m₂

III.

.

m₁<m₂

m₁=m₂

IV.

m₁<m₂

m₁=m₂

V.

m₁<m₂

0.11

m₁=m₂

VI.

m₁<m₂

m₁=m₂

Вывод.

При абсолютно упругом соударении шаров полная кинетическая энергия системы сохраняется.