2. Отклоните стержень на 5 -6° и измерьте время 5-10 полных колебаний. Определите период колебаний.
3. Переместите оправу ближе к центру тяжести стержня. Измерьте расстояние l2. Снова измерьте период колебаний стержня.
4. Тем же образом необходимо провести 5-6 опытов, постепенно перемещая опорную призму к середине стержня. Все результаты измерений занесите в таблицу 2.1. отчета.
4. По результатам опыта вычислите величины l2 и (T2l).
5. Следует построить два графика. Первый график зависимости T=f(l) отображает сложную зависимость периода колебаний физического маятника от его момента инерции и расстояния до оси качания. Второй график – линеаризация той же зависимости. Если точки на втором графике ложатся на прямую с небольшим разбросом, что объясняется погрешностями измерений, то можно сделать вывод о правильности формулы (13) для периода колебаний физического маятника.
Задание 2. Определение моментов инерции тел различной формы методом
колебаний.
1. Из набора тел к работе возьмите (по указанию преподавателя) одно и измерьте период его колебаний относительно произвольной оси.
2. С помощью формулы (16) вычислите момент инерции тела относительно оси качаний.
3. Произведите необходимые геометрические измерения и, зная массу тела, вычислите момент инерции тела относительно центра масс. С помощью теоремы Гюйгенса – Штейнера рассчитайте момент инерции тела относительно оси, проходящей через ось качаний.
4. Величину моментов инерции, полученных при измерении, сравните с рассчитанными теоретически. Для корректного заключения следует оценить погрешности измеренного и вычисленного моментов инерции. Относительная погрешность измеренного момента инерции находится по формуле:
(14)
Относительная погрешность вычисленного момента инерции определяется из расчетной формулы для заданного вам тела и погрешностей, входящих в нее величин.
Контрольное задание. Определение ускорения свободного падения и длины стержня
С помощью полученного графика зависимости (T2l) = f(l2), можно определить ускорение свободного падения и длину стержня, используемого в опыте. Для этого следует определить угловой коэффициент наклона прямой и величину отрезка, отсекаемого прямой от оси OY:
(15)
При вычислении длины стержня используйте экспериментально полученное значение ускорения свободного падения.
В выводе сравните полученные величины g и d с их действительными значениями.
Часть III. Крутильный маятник
3.1. Теоретическая часть
Крутильный маятник представляет собой стержень, шнур или проволоку, один, (как правило – верхний) конец которой закреплен. К нижнему концу подвешивается тело произвольной формы. Если повернуть на некоторый угол груз с проволокой вокруг ее длинной (вертикальной) оси, и отпустить, то в системе возникнут крутильные колебания. Дифференциальное уравнение малых крутильных колебаний в отсутствие трения имеет привычный вид
(16)
По аналогии с пружинным маятником, для которого (k – коэффициент упругости, m – масса, как мера инертности), для крутильного маятника может быть записано , где f – коэффициент упругости кручения подвеса, J – момент инерции груза.
Таким образом, если масса проволоки ничтожна в сравнении с грузом, то период гармонических колебаний крутильного маятника зависит от момента инерции подвешенного тела и от упругих свойств материала подвеса:
(17)
Между коэффициентом f упругости кручения образца и модулем сдвига G материала этого образца существует следующее соотношение
, (18)
где d – диаметр цилиндрической проволоки, L – ее длина.
3.1. Экспериментальная часть
В данной работе крутильный маятник (рис 3) представляет собой шнур или проволоку длиной до 1 м, верхний конец которой закреплен в зажиме, например, прибит к верхней части проема двери. На нижнем конце имеется легкая горизонтальная платформа, в которой закрепляется груз. Грузы имеют правильную геометрическую форму (стержни) и известную массу, что облегчает расчет их моментов инерции.
Задание 1. Определение зависимости периода колебаний
крутильного маятника от момента инерции груза.
1. Штангенциркулем измерьте диаметр проволоки, а линейкой ее длину.
2. Измерьте длину стержня и, по известной массе, рассчитайте его момент инерции.
3. Укрепите стержень в платформе так, чтобы он располагался горизонтально, а центр его тяжести совпадал с линией подвеса.
4. Сообщите маятнику вращательный импульс так, чтобы он совершал крутильные колебания с небольшой амплитудой. Измерьте суммарное время 5-10 колебаний маятника. Вычислите период колебаний.
5. Проделайте подобные измерения и расчеты с другими телами из набора. Результаты занесите в таблицу 3.1 отчета.
6. Постройте график зависимости T(J) в координатных осях [J,T2].
7. По виду графика сделайте вывод о характере зависимости T(J) для крутильного маятника.
Задание 2. Определение модуля сдвига материала методом крутильных колебаний
1. Используя вычисленный ранее момент инерции стержня и период колебаний по формуле (17) рассчитайте коэффициент упругости кручения f подвеса.
2. По формуле (18) рассчитайте модуль сдвига G материала проволоки.
3. Замените проволоку (материал – по указанию преподавателя) и, проделав необходимые измерения, определите коэффициент упругости кручения f и модуль сдвига G ее материала.
4. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности измерений величин f и G.
5. Сравните полученные значения модуля сдвига с табличными значениями и сделайте вывод о точности проделанных измерений. В выводе следует также проанализировать, какая из измеряемых величин вносит наибольшую погрешность в результат измерения.
Задание 3. Определение моментов инерции тел методом крутильных колебаний
1. Подвесив исследуемое тело (кольцо с указанной на нем массой) к проволоке и известным коэффициентом упругости кручения, измерьте период колебаний.
2. По формуле 15 рассчитайте момент инерции исследуемого тела относительно оси, совпадающей с осью проволоки.
3. Рассчитайте момент инерции кольца по его массе и радиусу относительно этой же оси вращения.
4. Сравните экспериментальный и теоретический результаты.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение гармонических колебаний и приведите примеры.
2. Какие величины характеризуют гармонические колебания?
3. Запишите дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний.
4. Дайте строгое определение математического маятника и опишите закономерности его колебаний.
5. Какие упражнения были выполнены вами с этим маятником?
6. Дайте строгое определение физического маятника и опишите закономерности его колебаний.
7. Какие упражнения были выполнены вами с физическим маятником?
8. Дайте строгое определение крутильного маятника и опишите закономерности его колебаний.
9. Какие упражнения были выполнены вами с крутильным маятником?
10. Исходя из графика T= f(l) для физического маятника, определите при каком отношении (l/d) период колебаний стержня минимальный.
Отчет о выполнении лабораторной работы № 1
«Изучение колебательного движения»,
выполненной студент …...... курса, …...... Ф. И. …........
группа …. «…»…………. 200…г.
Цель работы: ……………………………………………………………………………………
Часть I. Математический маятник
Задание 1. Проверка влияния массы математического маятника на его период
колебаний
Длина маятника l =…м.
Первоначальное отклонение j =…
Таблица 1.1.
|
№ п/п |
m, кг |
N |
t,с |
T,с |
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
Вывод: …………………………………………………………………………………………….
Задание 2. Изучение зависимости периода колебаний математического маятника
от его длины
Первоначальное отклонение j =…
Таблица 1.2.
График зависимости T2=f(l)
Таблица 1.3. МНК
Обозначения: l = x , T2 = y
|
№ п/п |
xi |
yi |
||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
||||||||||||
|
= |
S = |
S = |
= |
S = |
S = |
S = |
||||||
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
