Лекции.Орг


Поиск:




Описание экспериментальной установки

Внешний вид лабораторной установки представлен на рис. 1.

 

 

Рис. 1

 

 

Лабораторная установка состоит из корпуса 1, на котором закреплен штатив 2. К штативу на тонких нерастяжимых нитях 3 длиной / подвешены металлические шары 4 (т^, я?з или я?4) и 5 массами (пь)- На лицевой панели корпуса имеются кнопки «ВКЛ» и «ПУСК» для управления электромагнитом. Характеристики установки приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

 

, кг , кг , кг , кг
0.105 0.105 0,172 0.192

 

На корпусе установлен электромагнит 6 так, что его ось проходит через центр тяжести шара 5. На штативе 2 закреплен транспортир 7, в котором имеются правая и левая шкалы. Нити 3 выполняют роль указателей при определении их углов отклонения от вертикали. В исходном положении нити обоих шаров строго вертикальны и пересекают шкалы в нулевом делении. При этом шары 4 и 5 касаются друг друга.

Подготовка у с та но в к и к работе

Включить вилку в сеть и нажать кнопку «ВКЛ», загорится индикатор в правой части прибора. Взять шар 5 рукой и поднести его к сердечнику электромагнита 6. Электромагнит захватывает и удерживает шар 5. Нить отклоняется от вертикали на угол а, который отсчитываете» по правой шкале транспортира 7. Если шар 4 при этом качается, следует остановить его рукой.

Чтобы освободить шар 5, нужно нажать кнопку «ПУСК», электромагнит отключится. Освободившись, шар 5 двигается вниз и ударяет по шару 4. В результате центрального удара шары расхо­дятся, при этом нити отклоняются на углы  и  от вертикали. В какой-то момент времени шары останавливаются, в этот момент надо измерить углы  и , которые отсчитываются по правой и левой шкалам транспортира 7.

Меняя шары, можно исследовать центральный упругий удар ша­ров одинаковой и различной массы, а добавляя к шарам пластили­новую проставку, - и неупругий удар шаров. Для повышения точ­ности рекомендуется продублировать каждый опыт не менее 5 раз.

 

 

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Методика эксперимента заключается в организации центрального упругого и неупругого соударения шаров, экспериментальном опре­делении скоростей шаров до и после удара, расчете и сравнении суммарного импульса шаров до и после соударения.

В идеальном эксперименте закон сохранения импульса в проекции на горизонтальную ось имеет следующий вид:

                                                                                                                  (5)

 

где  - импульс первого шара до удара;

 - импульс шара 5 после удара;

 - импульс шара 4 после удара.

В реальном эксперименте за счет погрешностей измерений и потерь энергии равенство не выполняется. Абсолютную погрешность эксперимента найдем по формуле

                                                                                                        (6)

 

Относительная погрешность вычисляется по формуле

 

                                                                               (7)         

 

Для определения импульса шаров требуется знать их скорости до и после соударения. Экспериментальное определение скоростей связано с некоторыми трудностями метрологического плана. Более просто можно определить скорости шаров расчетным путем на основе закона сохранения энергии. Будем рассматривать систему, состоящую из шара 4 или 5 и Земли, как изолированную, в которой действуют только консервативные силы.                                                                 

Механическая энергия ша­ра складывается из кинети­ческой К и потенциальной П и в любой точке траектории остается постоянной. В со­стоянии готовности шар 5, захваченный электромагни­том, поднят на некоторую вы­соту Л по отношению к ис­ходному положению (рис. 2). Шар массой  обладает по­тенциальной энергией, рас­считываемой по формуле

                                      (8)

Высота h связана с длиной  l нити и углом а ее отклонения от вертикали соотношением

h =                               (9)

Под действием силы тяжести шар 5 будет опускаться вниз,    двигаясь по дуге окружности радиусом /. При этом его потен­циальная энергия уменьшается, а кинетическая - растет. Кинети­ческая энергия шара                                                                                     

 

В нижней точке траектории потенциальная энергия переходит в кинетическую:

                                                                         (11)

Шар 5 ударяет по неподвижному шару 4, имея скорость, которую найдем по формуле

                                                                                                             (12)

В результате соударения шары отскакивают друг от друга, имея начальные скорости , и  (рис. 3), и спустя некоторое время останавливаются. При этом нити отклоняются на углы и  от вертикали. Начальные скорости шаров и углы отклонения нитей также связаны законом сохранения энергии. Скорость шара 4 после соударения определим по формуле

                                                                                                               (13)

 

 

 

Скорость шара 5 после соударения найдем по формуле

                                                                                                                     (14)

Подсчитаем импульс шара 5 до удара по формуле:

                                                                                                                                         (15)

Импульс шара 5 после удара определим по формуле

                                                                                                                                         (16)

Подсчитаем импульс шара 4 после удара по формуле

                                                                                                                                     (17)

 

Таким образом, измеряя длину нитей и углы отклонения нитей до и после соударения шаров по формулам (12)-(14) и (15)-(17), можно подсчитать скорости и импульсы шаров, а также абсолютную и относительную погрешности эксперимента. Если относительная погрешность не превышает 5%, можно считать, что закон сохранения импульса выполняется.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Упругий удар шаров одинаковой массы

1. Подвесить на установке шары 4 и 5 одинаковой массой  и

2. Измерить длину нити l от точки подвеса до центра шаров, занести полученные данные в табл. 2.

3. Зафиксировать шар 5 электромагнитом, измерить угол а, об­разованный нитью с вертикалью. Записать значение угла в табл. 2.

4. Нажать кнопку «ПУСК» и привести шар 5 в движение. После соударения шаров измерить  углы  и , на которые отклоняются нити шаров 5 И 4. Значение углов записать в табл. 2. Повторить опыт 5 раз.

5. Подсчитать средние значения углов  . Записать в табл. 2.

6. По этим значениям подсчитать скорости шаров

7. Подсчитать но формулам (15)-(17).значения импульсов ша­ров: - до удара,  и  - после удара. Записать в табл. 2.

8. Подсчитать абсолютную  и относительную  ошибку экспе­римента по формулам (6) и (7). Оценить полученные значения. Все данные записать в табл. 2.

 

Задание 2. Упругий удар шаров различной массы

1. Подвесить на установке шары 4 массой   и 5 массой

2. Измерить длину нити l занести полученные данные в табл. 3.

3. Зафиксировать шар 5 электромагнитом, измерить угол , об­разованный нитью с вертикалью. Записать значение угла в табл. 3.

4. Нажать кнопку «ПУСК» и привести шар 5 в движение. После соударения шаров измерить утлы  и , на которые отклоняются нити шаров 5 и 4. Значение углов записать в табл. 3. Повторить опыт 5 раз.

5. Подсчитать средние значения углов ,  и . Записать в табл. 3.

6. Подсчитать скорости шаров по формулам (12)-(14). Под­считать по формулам (13)-(17) значения импульсов шаров: - до удара,  и  - после удара.. Записать в табл. 3.

7. Подсчитать абсолютную Ар и относительную б ошибку экспе­римента по формулам (6) и (7). Все данные записать в табл. 3.

 

Задание 3. Неупругий удар шаров одинаковой массы

1. Подвесить на установке шары 4 и 5 одинаковой массой  и . На шаре 4 в точке касания его с шаром 5 прилепить маленький пластилиновый шарик.

 2. Измерить длину нити l. занести полученные данные в табл. 4.

3. Зафиксировать шар 5 электромагнитом, измерить угол , об­разованный нитью с вертикалью. Записать значение угла в табл. 4.

4. Нажать кнопку «ПУСК» и привести шар 5 в движение. После соударения шаров измерить утлы  и , на которые отклоняются нити шаров 5 и 4. Значение углов записать в табл. 4. Повторить опыт 5 раз.

5. Подсчитать средние значения углов ,  и . Записать в табл. 4.

6. Подсчитать скорости и значения импульсов шаров: - до удара,  и  - после удара. Записать в табл.

7. Подсчитать абсолютную  и относительную  ошибку экспе­римента по формулам (6) и (7). Все данные записать в табл. 4.

8. Выключить  установку.

 

 

Задание 4   Выполнение лабораторной работы на компью­тере.

1. Нажмите клавишу «Enter», после чего в режиме меню с помощью «мыши», нажав на ее левую кнопку, выберите задание №1.

2. В поля ввода введите из заданных интервалов начальные данные: массу обоих шаров, длину нити от точки подвеса до центра шаров, угол отклонения нити

3. Приведите систему в движение, нажав дважды па кнопку «Пуск», при этом величины углов, полученные после соударения шаров, занесите в табл. 2. Опыт проделать три раза.

4. Чтобы выйти в меню, нажмите кнопку «Выход». Выберите задание.№ 2.

5. Введите начальные данные: массу большего и меньшего шаров, длину и угол отклонения нити.

6. Нажмите кнопку «Пуск». При этом система придет в дви­жение. Полученные углы отклонения занесите в табл. 3.

7. Повторите п.4 и выберите задание №3.

8. Для изучения неупругого удара введите массу обоих шаров, длину нити и угол отклонения нити.

9. Приведите установку в начальное положение и запустите систему двойным нажатием кнопки «Пуск». Опыт проделайте три раза, результаты вычисленных углов внесите в табл. 4.

10. По полученным результатам рассчитайте скорость г, им­пульс шара р,  энергию П, К, определите потери энергии при упругом и неупругом ударах и внесите результаты вычислений в соответствующие табл. 2, 3 и 4.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

 

Результаты экспериментов представлены в табл. 2-4.

Таблица 2

 

L,м

, %

, кг м/с , м/с , кг м/с

, м/с , кг м/с
1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2    

 

3    

 

4    

 

5    

 

     

 

                         

 

Таблица 3

 

L,м

, %

, кг м/с , м/с , кг м/с

, м/с , кг м/с
1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2    

 

3    

 

4    

 

5    

 

     

 

                         

 

Таблица 4

 

L,м

, %

, кг м/с , м/с , кг м/с

, м/с , кг м/с
1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2    

 

3    

 

4    

 

5    

 

     

 

                         

 

 

Выводы:

 

1.

2.

3.

 

Контрольные вопросы

1.  Что такое удар? Какие виды ударов существуют в природе?

2. Что называется абсолютно упругим ударом?

3. Какое столкновение называется абсолютно неупругим ударом?

4. Что называется импульсом тела? Единицы его измерения.

5. Что называется импульсом силы? Единицы его измерения.

6. Что представляет собой время соударения шаров?

7. Закон сохранения импульса тела. Закон сохранения полной механической энергии. Что такое консервативные силы?

8. Запишите законы сохранения энергии и импульса при упругом ударе шаров.

9. Запишите законы сохранения энергии и импульса при неупругом ударе шаров.

10. Объясните причины перехода механической энергии в тепловую.

11. Вычислить потери механической энергии при неупругом ударе.

12. Приведите примеры использования понятия удара в науке и технике.

13. Какие превращения энергии происходят при соударении шаров?

14. Что такое кинетическая энергия? Как ее найти? В каких единицах она измеряется?

15. Что такое потенциальная энергия? Как найти потенциальную энергию деформированного тела, тела в гравитационном поле? В каких единицах она измеряется?

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Детлаф A.A., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989.

2. Лабораторный практикум по физике: Учебное пособие для студентов втузов /Под ред. К.А. Барсукова и Ю.И.Уханова. - М: Высшая школа, 1988.

3. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 2000.



<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Исследование упругого соударения шаров | Исследование электрической прочности диэлектриков
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2018-10-15; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 241 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Студент всегда отчаянный романтик! Хоть может сдать на двойку романтизм. © Эдуард А. Асадов
==> читать все изречения...

845 - | 663 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.011 с.