При выполнении лабораторной работы

Указание по мерам безопасности

Внутри используемых в работе электроизмерительных приборов имеется переменное сетевое напряжение 220 В, 50 Гц, представляющее опасность для жизни.

Наиболее опасными местами являются сетевой выключатель, гнезда предохранителей, шнур сетевого питания приборов, соединительные провода, находящиеся под напряжением.

К выполнению лабораторных работ в учебной лаборатории допускаются обучающиеся прошедшие обучение по мерам безопасности при проведении лабораторных работ с обязательным оформлением в журнале протоколов проверки знаний по мерам безопасности при проведении лабораторных работ.

Перед выполнением лабораторной работы обучающимся
необходимо:

- усвоить методику выполнения лабораторной работы, правила ее безопасного выполнения;

- ознакомиться с экспериментальной установкой; знать безопасные методы и приемы обращения с приборами и оборудованием при выполнении данной лабораторной работы;

- проверить качество сетевых шнуров; убедиться, что все токоведущие части приборов закрыты и недоступны для прикосновения;

- проверить надежность соединения клемм на корпусе прибора с шиной заземления;

- в случае обнаружения неисправности немедленно доложить преподавателю или инженеру;

- получить у преподавателя допуск к ее выполнению, подтверждая этим усвоение теоретического материала. Обучающийся не получивший допуск к выполнению лабораторной работы не допускается.

Включение приборов производит преподаватель или инженер. Только после того, как он убедится в исправности приборов и правильности их сборки можно приступать к выполнению лабораторной работы.

При выполнении лабораторной работы обучающиеся должны:

- не оставлять без присмотра включенные приборы;

- не наклоняться к ним близко, не передавать через них какие-либо предметы и не опираться на них;

- при работе с грузиками надежно закреплять их крепежными винтами на осях.

замену любого элемента установки, присоединение или разъединение разъемных соединений производить только при отключенном электропитании под четким наблюдением преподавателя или инженера.

Обо всех недостатках, обнаруженных во время выполнения лабораторной работы, сообщить преподавателю или инженеру

По окончании работы отключение аппаратуры и приборов от электросети производит преподаватель или инженер.

ЧАСТЬ А. Определение ускорения свободного падения с помощью машины Атвуда.

I. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Изучить законы равноускоренного движения, методы измерения ускорения.

2. Экспериментально определить ускорение свободного падения с помощью машины Атвуда.

II. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПРИНЦИП ЕЕ РАБОТЫ

Рис. 1.

Машина Атвуда состоит (рис. 1): из вертикальной колонны 10 с линейкой с миллиметровой шкалой. В верхней части колонны укреплен легкий блок 8, свободно вращающийся вокруг горизонтальной оси. Через блок перекинута тонкая нерастяжимая нить 6, на концах которой закреплены цилиндрические грузы 5 и 12 одинаковой массы М. На правом грузе 12 устанавливается перегрузок 11 массой m, имеющий форму кольца с прорезью для продевания нити. На колонне установлен кронштейн со съемным кольцом 13, внутренний диаметр которого больше, чем диаметр груза 12, но меньше диаметра перегрузка 11. При движении вниз груз 12 свободно проходит сквозь кольцо 13, а перегрузок 11 снимается. До снятия перегрузка система грузов движется равноускоренно, а после снятия – с постоянной скоростью. Кронштейн со съемным кольцом можно перемещать вдоль колонны, тем самым изменяя пути равноускоренного (S) и равномерного (S₁) движений груза 12, проходимые им до и после съема перегрузка. По указателю 9 устанавливают нижний срез груза 12 в исходное состояние, в котором система удерживается благодаря электромагнитному тормозу (совмещен с блоком подшипников 7). Тормоз приводится в действие при отжатой кнопке «Пуск» на электронном приборе (кнопка 3), при ее нажатии блокировка снимается. Прибор оснащен электронным секундомером 4 для измерения времени равномерного движения груза 12 на отрезке пути S₁. Секундомер автоматически запускается в момент съема перегрузка благодаря тому, что в этот же момент нижний край груза перекрывает световой пучок в стартовом фотореле 14, выдающем на секундомер запускающий импульс. Фотореле 14 закреплено на одном кронштейне со съемным кольцом 13. Секундомер автоматически останавливается при пересечении грузом 12 светового пучка в нижнем фотореле 15. Кнопкой «Сброс» 2 обнуляется результат измерения времени движения груза на участке S₁, высвечиваемый на табло секундомера 4. Для проведения измерений используется комплект перегрузков (1). Общее включение электронного блока осуществляется кнопкой 16.

Расстояние S измеряется между уровнем указателя 9 и уровнем фотодатчика 14, а S₁ – между уровнями фотодатчиков 14 и 15 (отсчеты на линейке производят по нижнему срезу проемов в муфтах соответствующих кронштейнов).

Нить 6 с грузами следует перемещать по расторможенному блоку 8 (при нажатой кнопке 3 – «Пуск») до исходного положения груза 12, после чего блок затормозить (отжать кнопку 3). Окончательную подгонку системы в исходное положение аккуратно произвести в заторможенном состоянии блока. Неверная установка груза 12 в начальное положение приводит к систематической погрешности измерений. Перегрузок 11 устанавливают без перекосов в проточку в верхнем основании цилиндрического груза 12. Колонна должна занимать вертикальное положение и кронштейны должны быть укреплены на ней так, чтобы груз 12 свободно проходил через кольцо 13 и фотореле 14 и 15.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ЗАДАНИЕ

1. Включить питание электронного блока нажатием кнопки 16.

2. Установить средний кронштейн так, чтобы расстояние S₁ (между уровнями среднего и нижнего кронштейнов) было равно в пределах 15-20 см. Выбранное Вами конкретное значение S₁ следует записать в предлагаемую ниже таблицу.

3. Установить на груз 12 перегрузок с массой m = (7,80 ± 0,05) г.

4. Установить систему грузов в начальное положение, как описано выше.

5. Обнулить кнопкой «Сброс» показания секундомера.

6. Запустить установку кнопкой «Пуск»

7. Записать показания секундомера в таблицу.

m, г	№ изм.	S= см, S1≈ 20 см	S= см, S1≈ 30 см
t1, с	Δt1, с	g, м/с2	Δg, м/с2	t1, с	Δt1, с	g, м/с2	Δg, м/с2
7,80
ср.
10,50
ср.
12,00
ср.

8. Повторить измерения времени t₁ 5 раз.

9. Провести такие же серии измерений для масс перегрузков m = (10,50 ± 0,05)г и m = (12,00 ± 0,05)г.

10. Установить средний кронштейн на отметку 30 см и повторить все измерения для этого значения S₁.

11. Рассчитать средние значения времени t₁ и его абсолютную случайную погрешность в каждой серии измерений.

12. По рабочей формуле

определить ускорение свободного падения в каждой серии измерений.

13. Вывести формулу для абсолютной погрешности определения ускорения свободного падения и рассчитать эту погрешность в каждой серии измерений.

*Значения S и S₁ определите по линейке на колонне, учтите возникающую при этом приборную погрешность; масса грузов М = (64,25 ± 0,05)г.

ЧАСТЬ Б. Определение скорости полета пули с помощью крутильного баллистического маятника.

I. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Изучить методы измерения скорости быстродвижущихся тел.

2. Экспериментально определить скорость пули из пружинного пистолета с помощью крутильного баллистического маятника

Рис. 2 а.	Рис. 2 б.

II. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПРИНЦИП ЕЕ РАБОТЫ

Принципиальная схема баллистического крутильного маятника приведена на рис. 2 а, а на рис. 2 б дана его фотография. На закрепленной в станине стальной струне 1 перпендикулярно к ней укреплены два стержня 2 с нанесенными через равные интервалы засечками. На концах стержней установлены две мисочки 3, заполненные пластилином. На стержнях в засечках с помощью прижимных винтов крепятся два перемещаемых груза 4, которые располагают симметрично относительно оси вращения маятника. Для отсчета угла поворота маятника прибор имеет шкалу 5, нанесенную на защитный чехол из оргстекла 7. На левой мисочке нанесена вертикальная черта, которая в исходном положении маятника должна быть установлена на нулевую отметку угломерной шкалы. При необходимости установка на нуль достигается поворотом струны в кронштейне 8. Пуля массы m выстреливается устройством 6, установленным напротив правой мисочки. Попадая при выстреле в мисочку и застревая в пластилине на расстоянии r от оси маятника, пуля сообщает маятнику момент импульса, в результате чего маятник начинает совершать крутильные колебания. По угломерной шкале определяют угол α амплитудного отклонения маятника. Этот угол тем больше и, соответственно, тем меньше относительная приборная погрешность его измерения, чем меньше расстояния R₁ от грузов до оси маятника при выстреле. Далее при этом же положении грузов с помощью электронного секундомера измеряют период колебаний маятника Т₁. Секундомер запускается автоматически после нажатия кнопки «Сброс» импульсом с фотореле 9, генерируемым при пересечении светового луча стержнем 10, укрепленным на струне. Для остановки секундомера следует нажать кнопку «Стоп», после чего секундомер останавливается автоматически при совершении маятником целого числа колебаний. На малом табло секундомера высвечивается число полных колебаний маятника, на большом табло – время этих колебаний. Период колебаний находится делением времени на число колебаний. Аналогично определяют период Т₂ колебаний крутильного маятника для максимально удаленного положения грузов от оси маятника (расстояние R₂). Скорость пули определяют по формуле:

(1)

Значения входящих в рабочую формулу параметров:

M = (200,00 ± 0,05)г; m = (2,00 ± 0,05) г.

Расстояние r измеряют миллиметровой линейкой от оси до места попадания пули в мисочке с пластилином, расстояния R₁ и R₂ также измеряют миллиметровой линейкой от оси до центра груза.

Внимание: во избежание ошибки при определении периода колебаний маятника следите, чтобы стержень, пересекающий световой луч в фотореле, был правильно установлен на струне, т.е. так, чтобы во время колебаний маятника он полностью пересекал луч при отклонении в обе стороны.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ЗАДАНИЕ

1. Установить грузы симметрично на минимальное расстояние R₁ от оси маятника, измерить это расстояние и занести значение R₁ в таблицу.

2. Перед каждым выстрелом проверять установку маятника на нулевую отметку угломерной шкалы.

3. Произвести выстрел, зафиксировать угол амплитудного отклонения маятника α, занести значение α, выраженное в радианах, в таблицу.

4. Пока маятник колеблется запустить работу секундомера кнопкой «Сброс» и после 4 или 9 колебаний нажать кнопку «Стоп». Секундомер после остановки покажет соответственно время 5-ти или 10-ти полных колебаний. Определить период Т₁ и записать в таблицу.

5. Остановив колебания, замерить расстояние r от оси до места попадания пули в мисочку с пластилином и записать результат в таблицу.

6. Повторить пункты 3 – 5 5 раз.

7. Развести грузы на максимальное удаление от оси (симметрично). Измерить расстояние R₂.

8. Аналогично п. 4 определить период колебаний Т₂ (по серии из 5-ти измерений)

R1 =	R2 =	M = (200,00 ± 0,05)г	m = (2,00 ± 0,05)г
№ изм.	α, рад	Δα, рад	Т1, с	ΔТ1, с	r, м	Δr, м	Т2, с	ΔТ2, с	v, м/с	εv, %	Δv, м/с
средн.

9. По формуле (1) определить среднее значение скорости пули и вписать его в таблицу.

10. На основании рабочей формулы (1) вывести формулы для расчета относительной и абсолютной погрешностей определения скорости пули, рассчитать их и внести в таблицу.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 7

1. Что такое средняя и мгновенная скорость?

2. Что такое ускорение? Что такое нормальное и тангенциальное ускорение?

3. Сформулировать три закона Ньютона.

4. В чем суть рассмотренного в работе метода измерения ускорения свободного падения?

5. Как создается равномерное движение двух грузов на машине Атвуда?

6. Какие упрощения были сделаны при выводе расчетной формулы для ускорения свободного падения?

7. Почему ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела?

8. Что представляет собой крутильный баллистический маятник?

9. В чем суть рассмотренного в работе метода определения скорости быстролетящего тела (пули)?

10. Какие законы сохранения лежат в основе работы крутильного баллистического маятника?

11. Чему равен период колебаний крутильного маятника?

12. Как рассчитывается момент инерции маятника? Какое при этом делается упрощение?

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2003. -541 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Учеб. пособие. В 3-х т. Т.1 Механика. Молекулярная физика. М.: Наука. Гл.ред. физ.мат. лит., 1987. – 432 с.

3. Петровский И.И. Механика. Мн.: Изд-во Белорус. ун-та, 1973.– 352 с.

4. Сивухин Д.В. Механика: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука. Гл.ред. физ.мат. лит., 1989. – 576 с. – (Общий курс физики; Т. I)