Методические указания к выполнению лабораторных занятий по дисциплине «физика» Алмалык 2020

Описание установки
Для определения ускорения свободного падения тел пользуется установкой, состоящей из вертикальной опоры. На опоре установлены два кольца, которые свободного перемещаются по ней. На верхнем кольце прикреплен электромагнит ”M“, а нижнее кольцо снабжено приспособлением для улавливания падающих шариков и пластинкой К₂ (рис.1.3). При размыкании цепи K₁ срабатывает электросекундомер, шарик падает вниз. При ударе шарика на пластику К₂, цеп размыкается и электросекундомер останавливается. Хотя движение шарика происходит в воздухе, но из-за малости силы Стокса и Архимеда ею можно пренебречь. Поэтому на маленьком расстоянии, движение шарика можно считать равноускоренным движением. Таким образом, движение шарика – это равноускоренное движение без начальной скорости. Ускорение такого движения определяется следующим выражением:

g=2h/t². (1.9)
Порядок выполнения работы:
1. Движением кольца в верх устанавливают расстояние между электромагнитом и пластиной К₂ (h=1,22 м).
2. Показание электросекундомера с помощью кнопки приводится в нулевое положение.
3. Электромагнит и электросекундомер подсоединяются к источнику тока. При приближении стального шарика к электромагниту, шарик прилипает к нему.
4. С помощью ключа K₁ размыкаем электромагнит от источника тока. В это время электросекундомер начинает работать и считает время свободного падения шарика. Когда шарик ударяется о пластинку K₂ она разгибается и размыкает цепь и электросекундомер выключается.
5. Опыт повторяют 10 раз, измерение заносятся в таблицу №1.

Таблица №1

№	h, м	t, с	t^2, с^2	g, м/с^2	gcp, м/с^2	g	gср	, %
1.
2.
3.
4.
5.

6. В проведенном опыте измеренная высота и время свободного падения шарика подставляется в формулу (1.9) и определяется ускорение свободного падения.

7. Делают расчет абсолютной и относительной погрешности допущенной при выполнении работы.


Контрольные вопросы:
1. Что такое свободное падение и ускорение свободного падения?
2. Объясните закон всемирного тяготения.
3. Что такое сила тяжести и вес тела?
4. Что такое невесомость и перегрузка?
5. Как зависит ускорение свободного падения от высоты и географической местности?


Лабораторная работа №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ГРУЗА НА МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА


Цель работы: Определение момента инерции твердого тела с помощью маятника Обербека и изучение законов динамики вращательного движения.


Приборы и принадлежности: маятник Обербека, набор гирь по 100 г., секундомер, штангенциркуль.


Теоретическое введение

Вращательным движением твердого тела называется такое движение, при котором все точки тела описывают окружности с центрами, лежащими по одной прямой, называемой осью вращения.

Ось вращения перпендикулярна плоскостям, в которых лежат эти окружности. Вращательное движение характеризуется следующими величинами: угловой скоростью , угловым ускорением , моментом силы М и моментом инерции I.
При вращательном движении (равномерном) угловая скорость определится углом поворота тела в единицу времени
t. (2.1)
Если тело вращается неравномерно, то угловая скорость равна первой производной от угла поворота по времени.
  . (2.2)

Вектор направлен вдоль оси вращения. Для определения его направления пользуются правилом буравчика (рис. 2.1). Если вращать головку буравчика по направлению вращения тела, то поступательное движение острия покажет направление вектора . Если вращение будет равномерным, то угловую скорость можно определить через период вращения Т.
  2n. (2.3)
В этой формуле n – число оборотов в единицу времени, Т – период вращения, т.е. время одного оборота. Период обращения и число оборотов в единицу времени связаны соотношением
T , или n .
Линейная скорость точки равна первой производной от пути по времени
v . (2.4)
Угловая скорость связана с линейной скоростью соотношением
vR,
где R – радиус вращения.
Линейная скорость направлена по касательной к окружности. Изменение угловой скорости характеризуется угловым ускорением. Угловым ускорением называется векторная величина, численно равная первой производной от угловой скорости по времени
 . (2.5)
При равноускоренном вращении  равно изменению угловой скорости за единицу времени. Вектор углового ускорения направлен вдоль оси вращения в ту же сторону, что и вектор при ускоренном вращении и в противоположную сторону при замедленном вращении. Действие силы, которая приводит тело во вращательное движение, зависит от того, на каком расстоянии от оси вращения она приложена.
Одна и та же сила может сообщить телу различные угловые ускорения , если она приложена на различных расстояниях от оси вращения. В связи с этим вводят понятие ”момент силы“. Моментом силы М относительно точки (центра вращения) называется векторная величина, численно равная произведению силы на плечо l:
MFl. (2.6)

Плечом называется перпендикуляр l (рис. 2.2), опущенный из центра вращения на линию действия силы. Если на тело действует сила F, то вращение относительно оси ОО, может вызвать лишь проекция этой силы на плоскость, перпендикулярную к оси вращения F₁.
Момент проекции силы, лежащей в плоскости перпендикулярной к оси вращения, относительно точки пересечения ОО с плоскостью, называется моментом силы относительно оси (рис. 2.3). Моментом инерции материальной точки относительно оси вращения называется произведение массы точки на квадрат её расстояния от оси вращения:
Imr². (2.7)
Моментом инерции тела относительно оси вращения называется сумма произведений масс отдельных элементов твёрдого тела (рис. 2.4), которые можно считать за материальные точки, на квадрат их расстояний до оси вращения.
I , (2.8)
где, n – число элементов твердого тела.
Размерность момента инерции в системе СИ: |I|кгм².
Во вращательном движении тела с одной и той же массой, но различно расположенные по отношению к оси вращения, получают под действием одного и того же момента М различные ускорения .
Инертность тела во вращательном движении определяется моментом инерции. Связь между моментом силы и ускорением даётся основным законом динамики вращательного движения
I , (2.9)
или
I , (2.10)
где угловое ускорение  .

Описание прибора и метод работы

Законы вращательного движения можно изучить при помощи прибора, изображенного на рис. 2.5.
Крестовина состоит из шкива радиуса r, закрепленного на оси O, четырех стержней, расположенных под углом 90 друг к другу, и четырех одинаковых грузов m, которые можно перемещать вдоль стержней и закреплять на определенном расстоянии от оси. Грузы закрепляют симметрично так, чтобы система была в различном равновесии.
К рестовина приводится во вращательное движение силой натяжения нити T, которая возникает в результате действия груза на нить. Момент этой силы MTr, где T – сила натяжения нити, r – радиус шкива.
Силу натяжения определяют по второму закону Ньютона для поступательного движения груза, подвешенного к нити:
P–Tma,
где, a – ускорение груза.
Груз P, находящийся на высоте h, обладает некоторой потенциальной энергией равной mgh, где g –ускорение свободного падения, m – масса груза. При падении груза P потенциальная энергия его переходит в кинетическую энергию поступательного движения груза и кинетическую энергию вращательного движения крестовины , где I – момент инерции крестовины.
На основании закона сохранения энергии
mgh  A_ТР. (2.11)
В данной работе трение мало, и работой против силы трения можно пренебречь. При равноускоренном движении vat, а величина ускорения . Угловая скорость связана с линейной скоростью
vr.
Подставляя v и  в формулу (2.11), получим расчётную формулу в виде:
Imr² (2.12)