МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Утверждено
на заседании кафедры физики
20 мая 2011 г.
Методические указания
к лабораторной работе № 9
«ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ
Вращательного движения с помощью прибора
ОБЕРБЕКА»
Ростов-на-Дону
2011
УДК 531.383
Методические указания к лабораторной работе № 9 «Изучение основного закона динамики вращательного движения с помощью прибора Обербека». – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. – 10 с.
Методические указания содержат краткую теорию метода, порядок выполнения лабораторной работы, требования техники безопасности, требования к оформлению результатов, а также перечень контрольных вопросов и тестов.
Предназначены для выполнения лабораторной работы по программе курса общей физики для студентов всех специальностей РГСУ.
УДК 531.383
Составители: проф. Н.Н. Харабаев,
проф. А.Н. Павлов
Рецензент доц. Ю.И. Гольцов
Редактор н.Е. Гладких
Темплан 2011 г., поз. ___
Подписано в печать ____). Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л 0,5. Тираж 100 экз. Заказ
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета.
334022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
© Ростовский государственный
строительный университет, 2011
Лабораторная работа № 9
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНОГО ЗАКОНА
ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА ОБЕРБЕКА
Цель работы: на опыте изучить действие основного закона динамики вращательного движения.
Приборы и принадлежности: прибор Обербека, секундомер, набор грузов, штангенциркуль, метровая линейка.
Краткая теория эксперимента
Основной закон динамики вращательного движения твердого тела:
, где
– момент количества движения твердого тела,
– момент внешних сил, действующих на тело.
Для однородного тела, вращающегося относительно оси симметрии этого тела: , где
– момент инерции твердого тела относительно его оси вращения,
- угловая скорость.
Вектор направлен по оси вращения в соответствии с правилом правого винта.
В этом случае , или .
Отсюда , где
- момент внешней силы относительно данной оси вращения, то есть проекция вектора момента внешней силы на данную ось вращения (направление вектора коллинеарно оси вращения);
- угловое ускорение (направление вектора коллинеарно оси вращения и совпадает с направлением вектора ).
Таким образом, в рассматриваемом случае основной закон динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси:
если на тело, имеющее ось вращения (совпадающую с осью симметрии данного тела), действует сила, то это тело приобретает угловое ускорение, величина которого прямо пропорциональна моменту действующей силы относительно данной оси вращения и обратно пропорциональна моменту инерции этого тела относительно той же оси вращения.
Согласно этому закону для какого-либо тела с неизменным моментом инерции относительно выбранной оси вращения (оси симметрии данного тела) величина углового ускорения линейно зависит от величины момента действующей силы относительно данной оси вращения, то есть .
Линейная зависимость углового ускорения от величины может быть проверена экспериментально с помощью «прибора Обербека».
Рис. 1. Принципиальная схема «прибора Обербека»
Прибор Обербека состоит их металлического «креста», способного вращаться вокруг неподвижной оси под действием силы натяжения Т разматывающейся нити, на которой подвешен груз массой m.
Используя набор грузов с разными массами m1 , m2 , m3 …, с помощью прибора Обербека можно определить в результате косвенных измерений моменты сил натяжения нити: и соответствующие им величины углового ускорения
По точкам можно построить экспериментальную графическую зависимость и проверить ее соответствие линейной зависимости.
Момент силы натяжения нити Т можно получить из второго закона Ньютона для поступательного движения груза m:
, где
a – ускорение, с которым движется груз,
F – сила, вызывающая это ускорение: .
Отсюда , а момент этой силы относительно оси вращения: , где
r – плечо силы Т (r – радиус шкива).
Так как угловое ускорение , то экспериментальная часть данной работы состоит в определении радиуса шкива r и линейного ускорения движения груза m. Радиус шкива r определяется с помощью штангенциркуля. Все ускорения a можно определить опытным путем с использованием формулы , получаемой из , где
h – путь, пройденный за время t после начала движения груза с ускорением a.
Таким образом, для определения величины ускорения a необходимо провести измерения пути h и времени t движения груза m.