Первый способ проверки закона

Описание установки. На вертикальной оси OO’ прибора жестко закреплен блок Б1 (см. рис 7), который можно привести в движение (вращение) с помощью намотанного на него шнура и груза m. На этой же оси закреплен стержень с массивными грузами m1 и m2, положение которых относительно оси можно изменять по желанию. Второй блок Б2, расположенный горизонтально, служит для изменения направления действующей силы. Путь H1, пройденный грузом m, можно измерять с помощью вертикальной шкалы. Установка снабжена тормозом Т. Описанное устройство называется инерционным маятником. Его параметры имеют следующие значения: m1=m2=(0.431±0.001)кг; P=mg=(1.506±0.005) H; lст=(0.510±0.005)м; mст=(0.111± 0.001) кг; r=(10-2± 5·10-5) м.

Описание эксперимента. Экспериментальная проверка основного закона динамики для вращающегося тела заключается в том, чтобы из экспериментальных данных определить независимо друг от друга величины M, I и i и сравнить полученное значение момента силы M со значением произведения I·i.

Первый способ проверки закона - student2.ru

1. Определение углового ускорения вращающегося стрежня

с грузами

Пусть груз m опускается с высоты H1, ускоренно раскручивая при этом стержень с грузами. Угловое ускорение стержня можно определить из формулы, связывающей угловое и линейное ускорения:

Первый способ проверки закона - student2.ru , (1)

где a — линейное ускорение, с которым падает груз m и, следовательно, движется любая точка нити, сматывающейся с блока Б1; r — радиус блока Б1.

Линейное ускорение a можно найти из уравнения

Первый способ проверки закона - student2.ru , (2)

где H1 — высота, на которую опустился груз m за время падения; t — время падения груза. Из этой формулы получаем:

Первый способ проверки закона - student2.ru , (3)

Подставляя (3) в (1), получаем формулу для расчета углового ускорения:

Первый способ проверки закона - student2.ru , (4)

2. Определение момента инерции стержня с грузами

Момент инерции стержня с грузами складывается из момента инерции грузов m1 и m2 и момента инерции стержня:

Первый способ проверки закона - student2.ru . (5)

Моментом инерции легких блоков Б1 и Б2, ввиду их малости, можно пренебречь.

3. Определение момента силы, вызывающей раскручивание
стержня с грузами

На груз m при падении действуют две силы (см. рис. 8) — сила тяжести Первый способ проверки закона - student2.ru и сила натяжения нити Первый способ проверки закона - student2.ru . Под действием этих сил груз движется с ускорением a, существенно меньшим ускорения свободного падения:

Первый способ проверки закона - student2.ru

На блок Б1 действуют силы натяжения нити Первый способ проверки закона - student2.ru и сопротивления Первый способ проверки закона - student2.ru . Их равнодействующая равна Первый способ проверки закона - student2.ru . Так как радиус блока является плечом силы, момент силы, вызывающей раскручивание, равен:

Первый способ проверки закона - student2.ru

Можно принять Первый способ проверки закона - student2.ru , так как ускорение a мало.

Сила сопротивления находится на основании закона сохранения энергии. Падая с высоты H1, груз, после достижения наинизшего положения, поднимается на высоту H2. Часть потенциальной энергии mg(H1-H2) переходит при этом в работу против сил сопротивления при раскручивании и закручивании нити на блок Б1:

Первый способ проверки закона - student2.ru

Отсюда

Первый способ проверки закона - student2.ru ,

Тогда

Первый способ проверки закона - student2.ru

и

Первый способ проверки закона - student2.ru (6)

Определив M, I и i, можно сравнить величину момента силы M с величиной произведения I·i.

Рекомендуется проводить эксперименты при максимально возможной высоте падения груза H1 и при двух расстояниях от центров грузов m1 и m2 до оси вращения (R1 = 20 см и R2 = 10 см).

Порядок выполнения работы

1. Поставить грузы m1 и m2 так, чтобы расстояние от их центров до оси вращения было равно 20 см. Грузы должны быть надежно закреплены с помощью винтов. Измерить высоту падения (H1) груза m.

2. Установить верхний край груза m напротив деления 0 на шкале.

3. Открыть тормоз, одновременно включив секундомер.

4. Измерить время падения груза t, выключив секундомер в тот момент, когда груз опустится на всю длину нити.

5. Отметить деление шкалы, напротив которого остановится верхний край груза m при его подъеме вверх. Вычитая номер этого деления из H1, найти высоту H2, на которую поднялся груз m.

6. Опыт повторить пять раз при расстоянии до оси вращения R1 = 20 см и еще пять раз — при R1 = 10 см. Полученные результаты для H1, t и H2 занести в таблицу 1. Вычислить приближенные значения величин и абсолютные погрешности.

7. Вычислить величины i, I и M для R1 = 20 см и R1 = 10 см по формулам (4), (5), (6) соответственно, используя приближенные значения величин из таблицы 1. Полученные результаты занести в таблицу 2. Все расчеты проводить в системе СИ с точностью до трех значащих цифр.

8. Найти абсолютные и относительные погрешности для M и произведения (I·i) по формулам:

Первый способ проверки закона - student2.ru ,

где

Первый способ проверки закона - student2.ru ;

Первый способ проверки закона - student2.ru ,

где

Первый способ проверки закона - student2.ru ,

принимая ΔI = 0,001 кг∙м2; ΔH1=ΔH2=5·10-3 м; ΔP=5·10-3 Н; Δr=5·10-5 м.

Расчеты провести один раз для случая R1 или R2.

9. Записать окончательный результат в виде:

Моп = М + ΔМ

(I∙i)оп = I∙i ± Δ (I∙i)

10. Сравнить доверительные интервалы, в которых лежат M и I·i, отложив эти интервалы на числовой оси. Если доверительные интервалы перекрываются, т.е. разность значений M и I·i по абсолютной величине меньше полусуммы доверительных интервалов, значения M и I·i совпадают в пределах погрешностей и закон подтверждается.

Таблица 1

Результаты измерений

№ п/п H1 R1 = 0,2 м R2 = 0,1 м
t, с H2, м t, с H2, м
         
         
         
         
         
Приближенное значение          
Абсолютная погрешность          

Таблица 2

Результаты вычислений

  i I I·i M
R1 = 20 см        
R2= 10 см        

Наши рекомендации