Файл: Практикум по физике для студентов заочной формы обучения инженернотехнических специальностей.pdf

14 3. Положить на площадку груз массой m. Намотать на шкив нить так, чтобы площадка с грузом оказалась на высоте h над уровнем пола.
Измерить высоту масштабной линейкой. Оценить абсолютную погрешность измерения высоты
h

по прибору.
4. Измерить время падения груза секундомером. Опыт повторить 6 раз.
5. Вычислить среднее время падения груза:
N
t
t
N
i
i





1
. Оценить абсолютную погрешность измерения времени
t

по секундомеру.
6. Вычислить среднее ускорение

 a
опускающегося груза по формуле
(1).
Рассчитать его абсолютную погрешность:
2 2
2















 



t
t
h
h
a
a
и относительную погрешность:



a
a
∙100%.
Записать окончательный результат:
a
=(<
a
>∆
a
)˚м/с
2 7. Вычислить среднюю скорость

 V
груза в конце движения по формуле
(2).
Рассчитать ее абсолютную погрешность:
2 2






















t
t
a
a
V
V
и относительную погрешность:



V
V
∙100%. Записать окончательный результат: V=(<V>

15





∙100%.
Записать окончательный результат:

=(<

>∆

) рад/с.
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что называется материальной точкой, твердым телом?
2. Какое движение называется поступательным? Какое движение называется вращательным?
3. Дать определение скорости тела. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор скорости.
4. Дать определение угловой скорости тела. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке угловую скорость.
5. Какова связь между угловой скоростью тела и скоростями точек этого тела?
6. Дать определение ускорения тела. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор ускорения.
7. Каков физический смысл касательного ускорения тела? Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор касательного ускорения.
8. Каков физический смысл нормального ускорения тела? Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор нормального ускорения.
9. Дать определение углового ускорения. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор углового ускорения.
10. Какова связь между угловым ускорением тела и касательным ускорением точек этого тела?
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Расчетные формулы: а) ускорение груза:

a

a
= б) скорость груза:

V

V
в) угловое ускорение шкива:





г) угловая скорость шкива:



16
∆

=
5. Измерения: расстояние:
h=
∆h=


h
h
радиус шкива:
R=
∆R=
R
R

= время опускания груза:
№ 1
2 3
4 5
6
t, с

 t
∆t=




t
t
6. Расчет ускорения груза:
<
a
>=
∆
a
=



a
a
∙100%=
Окончательный результат:
a
=
8. Расчет скорости груза в конце падения:
<V>=
∆V=



V
V
∙100%=
Окончательный результат: V=
9. Расчет углового ускорения шкива:
<

>=








∙100%=
Окончательный результат:

=
10. Расчет угловой скорости шкива:
<

>=
∆

=





∙100%=
Окончательный результат:

=
11. Выводы.

17
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № М2
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕМАТИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО И
ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЙ ТВЕРДОГО ТЕЛА С
ПОМОЩЬЮ МАШИНЫ АТВУДА
Цель работы: изучить поступательное и вращательное движение; определить кинематические характеристики тел, движущихся поступательно и вращающихся относительно неподвижной оси.
Приборы и принадлежности: машина Атвуда, секундомер, перегрузы различной массы.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Машина Атвуда (рис.1) состоит из вертикальной линейки 10 с сантиметровыми делениями, на верхнем конце которой находится легкий блок 7 известной массы, вращающийся с небольшим трением.
Через блок перекинута легкая нить 5 с грузами 4, 9 одинаковой массы.
Нить пропущена между якорем и сердечником электромагнита 6. С машиной Атвуда соединен электрический секундомер 2. Он имеет тумблер 3, который может находиться в двух положениях:
«секундомер» или «магнит», и рычаг сброса показаний секундомера 1.
Рис.1. Схема установки: 1 – рычаг сброса; 2 – секундомер; 3 – тумблер;
4 – груз; 5 – нить; 6 – электромагнит; 7 – блок; 8 – перегруз; 9 – груз; 10 – сантиметровая линейка; 11 – приемный столик; 12 – кнопка.

18
Когда на секундомере тумблер 3 находится в положении
«магнит», якорь электромагнита притягивается к сердечнику, зажимает нить, и грузы надежно фиксируются в требуемом положении.
Если на груз 9 положить перегруз 8 и перевести тумблер 3 в положение «секундомер», то система скрепленных грузов начнет двигаться равноускоренно. При касании грузом 9 приемного столика
11 с кнопкой 12 отключается электрическая система секундомера 2, и он показывает время движения груза.
Так как груз 9 движется поступательно с постоянным ускорением без начальной скорости, то его ускорение рассчитывается по формуле:
2 2
t
h
a 
,
(1)
где t – время, за которое груз проходит расстояние h.
Скорость груза в конце равноускоренного движения определяется по формуле:
at
V 
(2)
Если нить нерастяжима и движется без проскальзывания, то касательное ускорение точек, лежащих на поверхности блока машины
Атвуда, равно ускорению опускающегося груза:
a
a 

(3)
Между касательным ускорением а
τ
точек вращающегося тела и угловым ускорением

тела существует связь:
R
a



,
(4)
где R – расстояние до оси вращения, что соответствует радиусу блока машины Атвуда.
Объединив формулы (3) и (4), получим формулу для расчета углового ускорения блока машины Атвуда:
R
a


(5)
Используя формулу связи между угловой скоростью тела и линейными скоростями точек тела, рассчитаем угловую скорость блока машины Атвуда:
R
V


(6)

19
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Записать значение радиуса блока R (оно указано на установке) и оценить абсолютную погрешность радиуса ∆R как погрешность постоянной величины.
2. Установить столик 11 на расстоянии h от нулевого деления шкалы.
Оценить абсолютную погрешность измерения расстояния ∆h по прибору.
3. Груз 9 с перегрузом 8 установить у нулевого деления шкалы и зафиксировать это положение путем переключения тумблера 3 в положение «магнит». Посредством рычага 1 установить стрелку секундомера на нулевое деление его шкалы.
4. Измерить время падения груза. Для этого переключить тумблер 3 в положение «секундомер» и нажать кнопку 12. При достижении грузом 9 столика 11 секундомер отключится. Записать его показание. Опыт повторить 5 раз. Вычислить среднее значение времени падения груза:
N
t
t
N
i
i




1
. Рассчитать абсолютную погрешность измерения времени t по секундомеру.
5. Вычислить среднее ускорение опускающегося груза по формуле (1).
Рассчитать его абсолютную погрешность:
2 2
2















 



t
t
h
h
a
a
и относительную погрешность:



a
a
∙100%. Записать окончательный результат:
а
=(<
а
>∆
а) м/с
2 6. Вычислить среднюю скорость груза в конце его движения по формуле
(2).
Рассчитать её абсолютную погрешность:
∆V=
2 2





















t
t
a
a
V
и относительную погрешность:



V
V
∙100%. Записать окончательный результат: V=(<V>∆V) м/с.
7. Вычислить среднее угловое ускорение блока по формуле (5).
Рассчитать его абсолютную погрешность:
2 2





 













R
R
a
a


и относительную погрешность:

20





∙100%.
Записать окончательный результат:

=(<

>
∆

) рад/с
2 8. Вычислить среднюю угловую скорость блока по формуле (7).
Рассчитать её абсолютную погрешность:
2 2





 













R
R
V
V


и относительную погрешность:





∙100%.
Записать окончательный результат:

=(<

>∆

) рад/с.
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что называется материальной точкой, твердым телом?
2. Какое движение называется поступательным? Приведите примеры поступательного движения.
3. Какое движение называется вращательным? Приведите примеры вращательного движения.
4. Дать определение скорости тела. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор скорости.
5. Дать определение угловой скорости тела. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор угловой скорости.
6. Какова связь между угловой скоростью тела и скоростями точек этого тела?
7. Дать определение ускорения тела. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор ускорения.
8. Каков физический смысл касательного и нормального ускорений точки? Записать формулы, единицы измерения. Изобразить на рисунке векторы

a

,
n
a

9. Дать определение углового ускорения. Записать формулу, единицу измерения. Изобразить на рисунке вектор углового ускорения.
10. Какова связь между угловым ускорением тела и касательным ускорением точек этого тела?
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.

21 4. Расчетные формулы: а) ускорение опускающегося груза:

a

a = б) скорость груза в конце движения:

V

V
в) угловое ускорение блока:





г) угловая скорость блока:


∆

=
5. Измерения: пройденное грузом расстояние: h=
∆h=


h
h
радиус блока:
R=
∆R=
R
R

= время опускания груза:
№ 1
2 3
4 5
t, с


t
∆t=



t
t
=
6. Расчет ускорения опускающегося груза:
<
a
>=
∆
a
=



a
a
∙100%=
Окончательный результат: a=
7. Расчет скорости груза в конце его движения:
<V>=
∆V=



V
V
∙100%=
Окончательный результат: V=
8. Расчет углового ускорения блока:
<

>=
∆

=





%
100


Окончательный результат:

=

22 9. Расчет угловой скорости блока:
<

>=
∆

=





∙100%=
Окончательный результат:

=
10. Выводы.

23
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № М3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ПРУЖИНЫ СТАТИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ
Цель работы: изучить закон Гука; определить жесткость пружины и системы пружин статическим методом.
Приборы и принадлежности: установка ЛКМ–2; две пружины
№1, №2; миллиметровая линейка; груз наборный; нить с двумя петлями (85 см).
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
В лабораторной работе используется установка ЛКМ-2 (рис.1).
На рабочем столе установки расположено основание 2, на котором установлена колонна 8. Сверху колонны укреплен двухступенчатый шкив большого диаметра 6 (50 мм) и малого диаметра 7 (30 мм).
Рис.1. Схема установки: 1 – рабочий стол; 2 – основание; 3 – крюк- зацеп; 4 – наборный груз; 5 – нить; 6 – большой шкив; 7 – малый шкив; 8 – колонна; 9 – пружина; 10 – крюк-зацеп.
Исследуемая пружина 9, жесткость которой будет определяться в работе, цепляется за крюк-зацеп 10 (или 3). К другому концу пружины прикрепляется нить 5 с двумя петлями. Нить

24 перекидывается через верхний шкив 6. Ко второму ее концу подвешивается наборный груз 4. а) б)
Рис.2 Изображение сил.
В данной работе для расчета жесткости пружины используется статический метод.
Если к пружине подвесить груз массой m
1
(рис.2а), то в результате действия на груз силы тяжести
g
m

1
и силы упругости
1
упр
F

пружина удлинится на х
1
. С помощью линейки измерим расстояние
1
h от нижнего торца груза до основания стойки
Так как система «груз - пружина» находится в состоянии равновесия, то уравнение, описывающее это состояние:
1 1
упр
F
g
m

(1)
В работе не учитывается сила тяжести, действующая на саму пружину, так как масса пружины значительно меньше массы груза.
По закону Гука:
kx
F
упр


1
. Используя это выражение, уравнение (1) примет вид:
1 1
kx
g
m

(2)
Увеличим массу груза до т
2
, при этом пружина удлиниться на
2
x
. Расстояние от нижнего торца груза т
2
до основания стойки уменьшится и станет равным h
2
(рис.2б). Уравнение, описывающее состояние равновесия в этом случае:
2 2
kx
g
m

(3)
Вычтем из уравнения (3) уравнение (2):