Приступая к работе необходимо
Знать определения
вектора и составляющей вектора;
координат вектора;
проекции вектора на направление;
радиус-вектора, скорости, ускорения;
системы координат и системы отсчета;
инерциальной и неинерциальной систем отсчёта;
массы тела;
силы;
импульса системы материальных точек;
кинетической энергии системы материальных точек;
центра масс.
Знать
формулировку и границы применения закона сохранения импульса;
формулировку и границы применения закона сохранения механической энергии.
Уметь
измерять расстояния с помощью линейки и рулетки;
горизонтировать установку по жидкостному уровню;
определять массу взвешиванием;
оценивать случайные погрешности прямых и косвенных измерений.
Цель работы
Экспериментальная проверка закона сохранения импульса для разных типов соударений тел на воздушной подушке.
Решаемые задачи
ü приобрести навыки обработки и анализа треков;
ü пронаблюдать упругое и абсолютно неупругое столкновения тел и зафиксировать их траектории.
Экспериментальная установка
Приборы и принадлежности:
ü Экспериментальный стол (1) со стеклянной поверхностью и резиновыми ограничивающими лентами (2) (см рисунки)
ü Регулировочные винты, для регулировки горизонтального положения поверхности стола (3).
ü Выемка для рулона металлизированной бумаги (4)
ü Переключатель выбора частоты 10/50 Hz (5) импульсов, подаваемых на пишущие электроды (13)
ü Выключатель электропитания установки с лампочкой индикации (6)
ü Гнездо(7) для кронштейна (8) подвода электропитания к шайбам (9)
ü Удерживающая полоска для металлизированной бумаги, обеспечивающая электрический контакт(10).
ü Ключ-переключатель(11), который нужно удерживать для записи траектории шайбы пишущими электродами (13)
ü Рулон металлизированной бумаги для записи траекторий (12)
ü Провода для подвода электропитания (14) к шайбам (9)
ü Шайба (9) с вентилятором для создания воздушной подушки и центральным пишущим электродом (на дне шайбы). Гнездо(15) для подключения кабеля электропитания(14) шайбы. Гнездо для подключения дополнительного пишущего электрода (16). Выключатель вентилятора (17). Выключатель центрального пишущего электрода(18).
ü Кольца(19), надеваемые на шайбы для увеличения массы. Масса кольца 500±1 г.
ü Пружинные эластичные кольца (22) с держателем(21) для дополнительного бокового электрода(13).
 
 
Рис. 1 Основные элементы экспериментальной установки
|
ü Кольца с “липучками” (20) с держателем для дополнительного бокового электрода (21).
В данной установке две шайбы двигаются по горизонтальной поверхности специального стола. Расположенный в каждой шайбе вентилятор создаёт воздушный поток, выходящий через отверстие на дне шайбы и приподнимающий её на воздушной подушке. Таким образом, сила трения существенно уменьшается. Пишущие электроды в шайбах оставляют на специальной металлизированной бумаге отметки с заданной частотой (10/50 Гц). Анализирую эти треки, можно получить информацию не только о траектории, но и о скорости движения электродов.
Порядок выполнения работы
Подготовка установки для проведения экспериментов.
1. Протрите стеклянную поверхность стола и основание шайб и подождите, пока они высохнут.
2. Поместите рулон записывающей бумаги (12) в специальную выемку (4), натяните её на стеклянной поверхности и закрепите с противоположной стороны удерживающей полоской (10).
3. Поместите шайбы на бумагу. Для каждой шайбы вставьте провод электропитания (14) одним концом в гнездо кронштейна (8), а другим – в гнездо на шайбе (15).
4. Нажмите кнопку выключателя электропитания всей установки (6). Поместите одну шайбу в центр стола и включите её вентилятор кнопкой (17). Подкручивая регулирующие винты (3) добейтесь того, чтобы шайба не соскальзывала. Выключите вентилятор шайбы.
5. Установите переключатель частоты (5) в положение 50 Hz. Внимание! Если скорости движения тел будет недостаточно, чтобы прочертить пунктирную линию, то установите переключатель частоты (5) в положение 10 Hz.
Упражнение 1. Упругое столкновение тел
6. Измерьте массы шайб и колец на весах.
7. Наденьте эластичные кольца на каждую из шайб сверху. Проследите, чтобы штырьки шайб попали в выемки на нижних частях колец. Наденьте сверху дополнительно массивные кольца (19)на каждую из шайб. Проследите за тем, что бы они легло на кольца без перекоса.
8. Включите вентиляторы на шайбах. Слегка толкнув шайбы руками, приведите их в движение и пронаблюдайте столкновение. Подберите такие начальные значения и направления скоростей шайб, чтобы точка столкновения находилась ближе к середине стола и прямолинейные участки движения были достаточно длинными.
9. Включите центральный пишущий электрод (18) на каждой шайбе. Приведите их в движение по намеченной в п.7 траектории, нажимая при этом ключ (11). Подпишите карандашом или цветным маркером на бумаге начало и конец траектории каждой шайбы, а также место их соударения. Это необходимо, чтобы вы имели возможность различать все траектории. Обязательно зафиксируйте частоту, установленную переключателем (5).
10. Выключите вентиляторы на шайбах и снимите все насадки.
Упражнение 2. Абсолютно неупругое столкновение тел.
11. На обе шайбы наденьте кольца на “липучках” (20). Проследите, чтобы штырьки шайб попали в выемки на нижних частях колец. Наденьте сверху дополнительно массивные кольца (19)на каждую из шайб. Проследите за тем, что бы они легло на кольца без перекоса.
12. Повторите пп. 8-9.
13. Выключите вентиляторы на шайбах и снимите все насадки.
Окончание эксперимента
14. Отсоедините все провода от шайб, достаньте дополнительные электроды из держателя. Уберите дополнительные электроды в пакетик.
15. Снимите все кольца и аккуратно сложите их в коробку.
16. Выключите электропитания установки (6).
17. Отрежьте ножницами кусок металлизированной бумаги, на котором зафиксированы все ваши траектории.
Обработка и представление результатов
Проанализируйте каждое событие столкновения. Определите скорости движения тел до и после столкновения. Для этого на прямолинейном участке трека длины L посчитайте количество штрихов N. Величина скорости движения вычисляется по формуле
,
где f – частота ударений электрода, устанавливаемая переключателем (5).
Произвольно, из соображений удобства, выберите прямоугольную систему координат и найдите проекции скоростей на оси X, Y.
Заполните следующую таблицу, занося в нее данные для каждого столкновения из упражнений 1 и 2:
| Номер эксперимента | … | ||||
| Тип соударения | |||||
| M 1 (полная масса1-го тела) | |||||
| M 2(полная масса 2-го тела) | |||||
| До столкновения | V 1x, V 1y (проекции скоростей 1-го тела) | ||||
| V 2x, V 2y (проекции скоростей 2-го тела) | |||||
| p 1x, p 1y (импульс 1-го тела) | |||||
| p 2x, p 2y (импульс 2-го тела) | |||||
| p x, p y,где P=P1+P2 | |||||
| E кин | |||||
| После столкновения | V 1x, V 1y | ||||
| V 2x, V 2y | |||||
| p 1x, p 1y | |||||
| p 2x, p 2y | |||||
| p x, p y,где P=P1+P2 | |||||
| E кин |
Обратите внимание на то, как изменяется полный импульс и полная кинетическая энергия всей системы в результате соударения? Объясните получившиеся результаты.
Сделайте выводы о законе сохранения импульса и законе сохранения энергии.
Лабораторная работа № 142. Законы сохранения момента импульса и энергии (столкновение при вращении)
Введение
Закон сохранения момента импульса является одним из фундаментальных законов физики. Наиболее простая ситуация, когда он может проявиться при взаимодействии двух тел, реализуется в случае, если импульсы тел равны нулю.
Приступая к работе необходимо
Знать определения
вектора и составляющей вектора;
координат вектора;
проекции вектора на направление;
вектора угла бесконечно малого поворота, угловой скорости, углового ускорения;
системы координат и системы отсчета;
инерциальной и неинерциальной систем отсчёта;
массы тела, момента инерции тела;
силы, момента силы;
центра масс;
кинетической энергии;
момента импульса.
Знать
формулировку и границы применения закона сохранения момента импульса;
выражение кинетической энергии вращающегося тела.
Уметь
запускать программы в среде Windows и пользоваться стандартными элементами их интерфейса (меню, контекстные меню, окна и т.д.);
оценивать случайные погрешности прямых и косвенных измерений.
Цель работы
Проверка законов сохранения момента импульса и энергии для столкновений вращающихся тел с общей закреплённой осью вращения.
Решаемые задачи
ü Знакомство с законами сохранения момента импульса и энергии вращения;
ü Измерение угловой скорости ω двух тел до, и после столкновения по затемнению световых барьеров.
Экспериментальная установка
Приборы и принадлежности:
ü Вращающиеся модели (1)
ü П-образные световые ворота (2e) и (2f)
ü Компьютерный интерфейс сенсор - CASSY 2 (3)
ü Таймер S (4)
ü Лабораторный столик II, 16 x 13 см (5)
ü Соединительные кабели
ü Компьютер с установленной программой CASSY Lab 2
Рис1
|
Вращающиеся модели представляют собой два свободно вращающихся диска с укрепленными на них непрозрачными метками и магнитами. Проходя в створах световых ворот непрозрачные метки (6) дисков перекрывают световой луч. Компьютер фиксирует время перекрытия луча T. Если знать размер метки L можно рассчитать скорость её движения. А если знать что метка движется по окружности R можно по формуле w= L /(T·R) можно вычислить угловую скорость вращения диска модели. Зная момент инерции диска I можно сделать вывод об его моменте импульса I ·w и кинетической энергии I ·w2/2. Все указанные вычисления компьютер проводит автоматически.
Важно! Имейте ввиду, что непрозрачные метки, как и П-образные ворота, идентичны друг другу. Поэтому компьютерная программа приписывает измеряемые значения угловых скоростей дискам, опираясь исключительно на то, в каком порядке метки проходят световые ворота. В этих условиях для получения корректных результатов строго следуйте инструкциям, определяющим начальное положение и направление вращения дисков.
Порядок выполнения работы
Подготовка установки для проведения экспериментов
1. Подключите интерфейс CASSY Lab 2 и компьютер к электрической сети 220 В, войдите в систему Windows;
2. С рабочего стола Windows стартуйте иконку с подписью “Измерение момента импульса …”.
3. На переднем плане возникнет окно с именем “CASSYs”. Щелкните в нем кнопку “Show measuring parameters” - в правой части основного окна программы появится окно “Settings”. Закройте окно “CASSYs”.
4. В окне “Settings” последовательно откройте ветви дерева “Sensor-CASSY 2” – “Input A1 (Timer S)”. Найдите помеченную галочкой ветвь “Torsion collision w1 (E+F)” и щелкните по ней мышкой. Справа внизу появится окно “Torsion collision w1 (E+F)” для управления режимом регистрации угловой скорости w1
5. Введите в случае необходимости моменты инерции I 1 и I 2 в таблицу на соответствующей вкладке в центре экрана (активировать ввод с клавиатуры в клетках I 1, I 2 можно с помощью мыши)
6. Установите П-образные ворота вдоль диаметра вращающихся моделей (см. рис 1.). Раздвиньте ворота так, чтобы их срезы оказались над самым краем вращающейся модели. В этом случае, ни диски, ни магниты не будут перекрывать луч ворот, и он будет фиксировать только прохождение меток.
Проведение измерений
7. Поверните модели так, чтобы обе метки оказались с вашей стороны.
8. Обнулите значения дисплеев со значениями угловых скоростей кнопкой >0< справа внизу экрана.
9. Толкните модели в разные стороны. Измерение угловых скоростей прекращается автоматически после измерения четырёх значений. Внимание! Силу толчка подбирайте так, чтобы каждая из меток до и после удара по одному разу проходила створ ворот. Если одна из меток до или после удара пересечёт створ любых ворот дважды, а другая ни разу, то измерение будет ошибочным.
10. Переместите измеренные значения в таблицу для оценки нажав клавишу F9, или кнопку 
в верхней части экрана.
11. Повторите измерения 5-6 раз.
12. Сохраните свои результаты нажав File→Save as→Документы→папка Students→Выберите папку с номером Вашей группы→ Сохраните файл под своей фамилией и номером упражнения.
Обработка и представление результатов
Данные эксперимента представьте в виде таблиц, аналогичных тем, которые представлены в CSSY Lab 2. (Перенести данные в любой документ Office можно выделив необходимый участок таблицы с помощью клавиш со стрелками при нажатой клавише “Shift”, и используя затем стандартные Ctrl-C и Ctrl-V)
Сделайте вывод о выполнении законов сохранения момента импульса и кинетической энергии вращения.
Лабораторная работа № 143. Экспериментальная проверка закона сохранения импульса при движении вдоль прямой
