Порядок выполнения работы. Изучение законов вращательного движения выполняется на маятнике Обербека

Изучение законов вращательного движения выполняется на маятнике Обербека. Подробное описание этого прибора можно получить у лаборанта.

Подготовка прибора к измерениям

1) При помощи регулируемых ножек основания привести колонну прибора в вертикальное положение.

2) Навесить на блок нить с грузом массой m.

3) Установить подвижный (верхний) кронштейн на заданной высоте над нижним кронштейном так, чтобы груз, опускаясь, проходил через середину рабочего окна фотоэлектрических датчиков.

4) Включить сетевой шнур измерителя в сеть.

5) Нажать клавишу “сеть”, проверяя, все ли индикаторы секундомера высвечивают нуль и светятся ли лампочки обоих фотоэлектрических датчиков.

6) Переместить груз в верхнее положение, наматывая нить на шкив заданного диаметра, и проверить, находится ли система в состоянии покоя.

7) Провести пробное измерение, нажимая клавишу “пуск”: проверить, возникло ли движение системы, измерил ли секундомер время прохождения заданного расстояния.

8) Нажать клавишу “сброс” и проверить, произошло ли обнуление показаний секундомера и освобождение электромагнитом.

9) Переместить груз в верхнее положение и отжать клавишу “пуск”, проверив, произошла ли блокировка системы.

Измерения

1) Установить грузики на стержнях маятника на определенном (заданном) расстоянии от оси вращения.

2) Измерить с помощью штангенциркуля диаметры и обоих шкивов маятника.

3) Намотать нить на один из шкивов, к другому концу нити подвесить груз массой .

4) Совместить нижний край груза с чертой на корпусе верхнего фотоэлектрического датчика.

5) Измерить по шкале на колонне прибора длину пути , проходимого грузом.

6) Нажать клавишу “пуск”. Снять показание времени, измеренного миллисекундомером.

7) Измерения повторить не менее 5 раз. Определить среднее значение времени. Данные измерений и вычислений удобно заносить в таблицу 6.1.

8) По формулам (6.3) и (6.6) вычислить и .

9) Изменить момент силы , изменяя либо массу подвешиваемого груза, либо диаметр шкива, либо то и другое. Измерения пп. 3 - 7 повторить для каждого момента силы, занося результаты в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

m, кг	d, м	h, м	t, с	tср,с	R, м	e, с-2	M, Н×м

10) По результатам вычислений и построить график зависимости . Из графика найти значение момента инерции маятника Обербека при заданном расположении грузов на стержнях (при заданном ).

Дополнительное задание. Изменить положение грузов на стержнях (другое R). Выполнить задание 1-10. Найти значение момента инерции для нового положения грузов.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель работы.

2. Как определяются угловая скорость, угловое ускорение? Укажите направления этих величин.

3. Что называется моментом силы относительно точки, относительно неподвижной оси? Как он направлен? Чему равен модуль момента силы? Что называется плечом силы? Какова единица измерения момента силы?

4. Сформулируйте основной закон динамики вращательного движения. Сопоставьте уравнение со вторым законом Ньютона . Проведите аналогию величин, характеризующих вращательное и поступательное движения.

5. Что называется моментом инерции материальной точки, тела относительно некоторой оси?

6. Как осуществляется в работе проверка основного закона динамики вращательного движения?

7. Какая сила создает вращающий момент в данной установке? Как ее можно определить? Каким образом изменяют момент этой силы при выполнении работы?

8. От чего зависит момент инерции маятника Обербека? Как его можно изменить?

9. Сделайте выводы по работе.

Лабораторная работа 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

ПО МЕТОДУ СТОКСА

Приборы и принадлежности: два стеклянных цилиндрических сосуда с жидкостями, измерительная линейка, шарики, секундомер, термометр, микрометр.

Цель работы: ознакомление с методом измерения коэффициента динамической вязкости жидкости.

Теоретическая часть

Всем реальным жидкостям присуще явление внутреннего трения или вязкости.

При относительном перемещении слоев жидкости между ее слоями возникают силы внутреннего трения (вязкости), действующие таким образом, чтобы уравнять скорости всех слоев. Возникновение этих сил объясняется тем, что слои, движущиеся с разными скоростями, обмениваются молекулами. Молекулы из более быстрого слоя передают более медленному некоторое количество движения, вследствие чего последний начинает двигаться быстрее. Молекулы из более медленного слоя получают в быстром слое некоторое количество движения, что приводит к его торможению.

Рассмотрим жидкость, движущуюся в направлении оси x (рис.5.1).

Пусть слои жидкости движутся с разными скоростями. На оси z возьмем две точки на расстоянии ∆ z

Рис. 5.1

Скорости слоев отличаются в этих точках на величину ∆υ. Отношение ∆υ/∆z характеризует изменение скорости слоев на единицу длины в направлении, перпендикулярном к поверхности слоя, и называется градиентом скорости.

В случае установившегося (стационарного) течения модуль силы внутреннего трения F между двумя слоями, согласно формуле Ньютона, пропорциональна площади их соприкосновения ∆S и градиенту скорости ∆υ/∆z

. (5.1)

Величина η называется коэффициентом внутреннего трения или коэффициентом динамической вязкости.

Величина φ, обратная коэффициенту динамической вязкости η, называется текучестью.

Если в формуле (5.1) положить численно ∆υ/∆z = 1, ∆S = 1, то F =η, т.е. коэффициент динамической вязкости - это физическая величина, численно равная силе внутреннего трения F, возникающей между двумя слоями жидкости с площадью соприкосновения ∆S, равной единице, движущимися один относительно другого с градиентом скорости ∆υ/∆z, равным единице.

В СИ размерность [η] = кг·м^-1·с^-1 и единица измерения - Па·с (Паскаль ·секунда).

Коэффициент динамической вязкости зависит от природы жидкости и для данной жидкости с повышением температуры η уменьшается. Вязкость играет существенную роль при движении жидкостей. Слой жидкости, непосредственно прилегающей к твердой поверхности, в результате прилипания остается неподвижным относительно нее. Скорость остальных слоев возрастает по мере удаления от твердой поверхности. Наличие слоя жидкости между трущимися поверхностями твердых тел способствует уменьшению коэффициента трения.

Наряду с коэффициентом динамической вязкости η употребляется коэффициент кинематической вязкости ν = η / ρ, где ρ - плотность жидкости.
В СИ [ ν ] = м²·с.