Министерство образования Российской Федерации
Северо-Западный заочный политехнический институт Кафедра физики
ФИЗИКА Ч...
39 downloads
206 Views
1MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство образования Российской Федерации
Северо-Западный заочный политехнический институт Кафедра физики
ФИЗИКА Часть I
Методические указания к выполнению лабораторных работ Факультеты: все, кроме факультета экономики, менеджмента и автомобильного транспорта и факультета информатики и систем управления Специальности: 150200 - автомобили и автомобильное хозяйство; 060800 - экономика и управление на предприятии; 240100 - организация перевозок и управление на транспорте) 220100 - вычислительные машины, комплексы, системы и сети) Направления: все, кроме 521500 - менеджмент; 552100 - эксплуатация транспортных средств; 551400 - наземные транспортные системы; 552800 - информатика и вычислительная техника. Санкт-Петербург 2000
Утверждено редакционно-издательским советом института УДК 53(07) Физика: Ч.I. Методические указания к выполнению лабораторных работ. - СПб. СЗПИ, 2000, -54 с. Настоящая брошюра по I части курса физики содержит методические указания к выполнению лабораторных работ, разработанные в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования для студентов факультетов инженерных специальностей. Рассмотрено на заседании кафедры физики 15 марта 1999 г.; одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 30 марта 1999 г.
Рецензенты:
кафедра физики СЗПИ (и.о. зав. кафедрой физики В.А.Подхалюзин, канд.техн.наук, доц.); О.П.Матвеева, канд.физ.-мат.наук, доц. кафедры физики Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета). Составители: Н.Е.Дробышева, канд.техн.наук, доц., И.А.Обухова, канд.техн.наук, ассист.
Северо-Западный заочный политехнический институт,2000.
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Охрана труда и техника безопасности при проведении лабораторных работ Организация безопасной работы при выполнении лабораторных работ по первой части курса физики производится в соответствии со следующими Государственными стандартами: 1. ГОСТ 12.1.019—79. “ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты”. 2. ГОСТ 12.1.030—81. “ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление”. 3. ГОСТ 12.2.032—78. “ССБТ. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования”. К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, изучившие методические указания к выполнению лабораторных работ, прошедшие инструктаж по технике безопасности и обученные безопасным методам работы. О прохождении инструктажа делается запись в журнале учета прохождения инструктажа по технике безопасности, которая подтверждается собственноручными подписями студентов, прошедших инструктаж, и преподавателя или дежурного лаборанта, проводившего его. Перед проведением лабораторной работы необходимо проверить надежность заземления электроизмерительных приборов и установок. Перед включением оборудования необходимо убедиться в отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне и предупредить товарищей о начале лабораторной работы; до начала работы приборы должны быть выключены. В случае обнаружения неисправностей, связанных с токопроводящими проводниками, изоляцией, греющимися токонесущими частями необходимо немедленно прекратить работу и обратиться к преподавателю или дежурному лаборанту. После окончания лабораторной работы необходимо выключить электроизмерительные приборы. Запрещается: — находиться в помещении в верхней одежде; — оставлять без надзора включенную лабораторную установку; — выполнять работу в отсутствие преподавателя или дежурного лаборанта; — класть сумки и другие личные вещи на столы и лабораторную технику.
Студенты, не соблюдающие правила техники отстраняются от проведения лабораторных работ.
безопасности,
Требования к оформлению отчетов По каждой лабораторной работе оформляется отчет, который должен содержать: 1) номер и название работы; 2) формулировку цели работы; 3) физическое обоснование цели работы и метода измерения; 4) рабочую формулу с расшифровкой всех буквенных обозначений; 5) результаты измерений и вычислений; 6) там, где это предусмотрено работой, график; 7) формулу относительной погрешности косвенного измерения и результат расчета по этой формуле; 8) окончательный расчет искомой величины; 9) подпись студента и дату выполнения данной лабораторной работы. Литература 1. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 1.-М.: Наука, 1986. 2. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2.-М.: Наука, 1986. 3. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 3.-М.: Наука, 1986. 4.Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. −М.: Высш. школа, 1989. 5. Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- М.: Наука, 1980.
РАБОТА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПОЛЕТА СНАРЯДА С ПОМОЩЬЮ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО КРУТИЛЬНОГО МАЯТНИКА 1. Цель работы Определение скорости полета снаряда при помощи баллистического крутильного маятника. В процессе выполнения работы требуется измерить угол отклонения маятника после взаимодействия со снарядом и период крутильных колебаний маятника. 2. Основные теоретические положения Крутильные колебания совершает тело, подвешенное на упругой нити. Период незатухающих гармонических крутильных колебаний будет равен
T=
2π
ωo
= 2π
I k
.
(1)
Если тело повернуть на некоторый угол по отношению к оси проволоки, а затем отпустить, не сообщив ему начальной скорости, то система начнет совершать затухающие крутильные колебания. Если пренебречь затуханием, то период колебаний можно выразить формулой (1). В данной работе скорость полета снаряда (пульки) определяется с помощью баллистического крутильного маятника. Баллистический крутильный маятник представляет собой стержень, подвешенный строго горизонтально на стальной проволочке (рис.1). На концах стержня находятся мисочки, наполненные пластилином. Два груза массой mo каждый в виде цилиндров высоты h могут перемещаться вдоль стержня. Снаряд массы m после выстрела застревает в мисочке с пластилином и маятник отклоняется от положения равновесия на некоторый угол αo. По закону сохранения момента импульса для системы снаряд маятник имеем mvr=I1ω , (2) где v - скорость снаряда в момент его удара в маятник; r - расстояние от точки удара снаряда до оси вращения маятника; ω - угловая скорость маятника с застрявшим в нем снарядом; I1 - момент инерции маятника относительно оси вращения. Тогда скорость полета снаряда будет равна
v=
I 1ω mr
.
(3)
Если отклонить маятник на угол αo и отпустить его, то маятник будет совершать крутильные колебания с периодом Т1. Выразим момент инерции маятника из (1)
I1 =
T 12 k 4π 2
.
(4)
Выражение для скорости полета снаряда с учетом (4) примет вид
v=
α o kT1 2πmr
.
(5)
Для определения коэффициента жесткости k изменим момент инерции маятника и определим период крутильных колебаний Т2. Для этого переместим грузы на расстояние R2 = 2R друг от друга, где R2 − расстояние от оси вращения до торца цилиндра. Момент инерции маятника в этом случае равен
T22 k I2 = . 4π 2
r V
(6)
m m0
m0
h R Рис. 1 В итоге, можно получить после преобразования расчетную формулу для скорости полета снаряда
v=
4π moα oT1( R2 − R1 )( R2 + R1 + h ) mr( T22 − T12 )
.
(7)
3. Описание лабораторной установки Описание лабораторной установки, основные расчетные данные имеются на рабочем столе, см. также выше п.2.
4. Порядок выполнения работы 1. Перемещаемые грузы максимально приблизить друг к другу (Rmin). Определить расстояние R1 от оси вращения маятника до ближайшего торца цилиндра (для этого на стержне имеются сантиметровые риски, первая риска соответствует 3 см) и записать результат. 2. Проверить установку маятника, для чего убедиться, что черта на мисочке с пластилином совпадает с чертой 0о угловой шкалы. 3. Зарядить пружинный пистолет, для чего сжать пружину, оттягивая рукоятку до упора (до фиксации). Надеть снаряд на конец стержня и поворотом рукоятки немного вниз по часовой стрелке произвести выстрел. 4. Измерить максимальный угол отклонения маятника α0, результат занести в таблицу по форме 1. 5. Включить миллисекундомер (кнопка "Сеть") и нажать кнопку "Сброс" (обнулить счетчик времени). 6. Отклонить маятник на угол α0, нажать кнопку "Cброс" и пустить маятник. 7. Измерить время десяти крутильных колебаний t1 (кнопка "Cтоп" нажимается после появления цифры 9 в окошечке "Периоды"), записать t1 в таблицу по форме 1. 8. Перемещаемые грузы максимально отдалить друг от друга (R2 max), определить расстояние R2 до ближайшего торца цилиндра и повторить действия согласно пп. 5, 6. 9. Измерить время десяти крутильных колебаний t2, записать t2 в таблицу по форме 1. 10. Измерить расстояние r от места попадания пули до оси вращения. 11. Измерения повторить 4 - 5 раз, согласно пп. 1…10, при неизменных расстояниях R1 и R2. 12. По окончании измерений выключить миллисекундомер. Пульку (снаряд) убрать в коробочку. Форма 1 № α0, ∆α0, t1, c T1, c ∆T1, t2, c T2,c ∆T2, r, м опыта град град c c Среднее значение
_
Примечание. R1 = ( ± ) мм; R2 = ( высота цилиндра h = ( масса груза mo = ( ± масса снаряда m = (
_ ± ±
) мм; ) мм;
) г;
±
) г.
5.Вычисления и обработка результатов измерений 1. Вычислить периоды крутильных колебаний Т1 и Т2 по формуле Т = t/10. 2. Произвести обработку результатов прямых измерений αо, Т1, Т2. 3. Вычислить по формуле (7) скорость полета снаряда. 4. Вывести формулу для расчета относительной погрешности скорости полета снаряда и определить погрешность измерения скорости ∆v. Вопросы к зачету 1. Сформулируйте основной закон динамики вращательного движения тела. Сопоставьте его со вторым законом динамики для поступательного движения. 2. Что называется моментом инерции материальной точки и твердого тела? Каков его физический смысл? 3. Сформулируйте теорему Штейнера и напишите выражение для момента инерции баллистического крутильного маятника. 4. Напишите формулу для периода крутильных колебаний тела. Каков физический смысл коэффициента жесткости при кручении? 5. Сформулируйте закон сохранения момента импульса и запишите его для системы снаряд - баллистический крутильный маятник. 6. Объясните суть метода измерений скорости полета снаряда при помощи баллистического крутильного маятника. Выведите расчетную формулу. Литература: [1], §§29, 38, 39, 41; [2], §§ 10, 11.
РАБОТА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ПРИБОРА АТВУДА 1. Цель работы Ознакомление с прибором Атвуда, предназначенным для изучения законов динамики, в частности, для исследования законов прямолинейного и равноускоренного движения, и определение с помощью прибора Атвуда ускорения свободного падения. 2. Основные теоретические положения В приборе Атвуда, предназначенном для измерения ускорения свободного падения, через ролик, вращающийся с возможно малым трением, перекинута нить с двумя грузами одинаковой массы М (рис.1). Грузы могут двигаться вдоль вертикальной шкалы с делениями.
Если на один из грузов положить небольшой добавочный груз r массы m, то грузы начинают двигаться с ускорением a и за время t0 проходят путь h, к концу которого достигают скорости v, причем v = ato , (1)
at o2 h= . 2
(2)
Выражение для ускорения грузов в этом случае примет вид
a=
mg . 2M + m
(3)
На шкале укреплено кольцо, которое на ходу снимает добавочный грузик m. После этого грузы продолжают двигаться равномерно со скоростью v и за время t проходят путь Н, причем Н=vt. (4) Отсюда скорость грузов будет равна (5) v=H/t. Исключив из (1) и (2) время to , получим v 2 = 2ah . (6) Выражение (6) с учетом (3) примет вид
v2 =
2hmg . 2M + m
(7)
Подставив (5) в выражение (7), получим после преобразований расчетную формулу для определения ускорения свободного падения
2M + m H 2 g= ⋅ m 2ht 2
.
(8)
3. Описание лабораторной установки Описание лабораторной установки и основные расчетные данные имеются на рабочем столе, см. также выше п.2. 4. Порядок выполнения работы 1. Передвинуть средний кронштейн на высоту, заданную преподавателем, измерить при помощи шкалы на колонке заданные пути равноускоренного h и равномерного H движений и записать результат. Путь h измеряется от черты, нанесенной на верхнем кронштейне, до места расположения фотодатчика на среднем кронштейне. 2. Переместить правый груз массы М (М = 60 г) в верхнее положение и согласовать нижнюю грань правого груза с чертой, нанесенной на верхнем кронштейне.
3. Нажать кнопку "Сеть". При этом возникает блокировка ролика с грузами и система находится в покое. Индикаторы миллисекундомера должны высвечивать нули.
Начало движения
h m
M
H M
Конец движения
Рис. 1 4. На правый груз положить один из дополнительных грузиков массы m (масса выгравирована на грузе) и убедиться в согласовании нижней грани правого груза с чертой, нанесенной на верхнем кронштейне. 5. Нажать кнопку "Пуск" (система придет в движение и дополнительный грузик будет задержан на среднем кронштейне) и измерить время t прохождения правым грузом пути Н. Результат занести в таблицу по форме 1. 6. Обнулить счетчик времени, нажав кнопку "Сброс" (при этом одновременно освобождается блокировка электромагнитом ролика с грузами). 7. Переместить правый груз в верхнее положение и отжать кнопку "Пуск" (при этом возникает повторная блокировка ролика). 8. Измерения повторить 5 − 6 раз, согласно пп. 4…7.
9. По окончании измерений выключить миллисекундомер (кнопка "Сеть"). Форма 1. tср = ,с Время t, c ∆t, c
∆tср =
Примечание. Путь h = ( ± ) мм; путь Н = ( ± ) мм; ± масса груза М = ( ) г; масса дополнительного грузика m = (
±
,с
) г.
5. Вычисления и обработка результатов измерений 1. Произвести обработку измерения времени t, т.е. вычислить tср.и
∆tср.
2. Вычислить по формуле (8) ускорение свободного падения. 3. Определить погрешность измерения g по формуле
ε=
gT − g . 100% , gT
где g − измеренное ускорение свободного падения; gT − теоретическое значение. 4. Вывести формулу и рассчитать погрешность измерения ∆g. Вопросы к зачету 1. Сформулируйте основной закон динамики для поступательного и вращательного движений. 2. Дайте определение момента силы относительно точки и относительно оси вращения. 3. Что называется моментом инерции материальной точки и твердого тела? Каков его физический смысл? 4. Что представляет собой простейшая машина Атвуда? Выведите формулу для ускорения, с которым движутся грузы в приборе Атвуда. 5. Напишите выражение для скорости и пути при прямолинейном равноускоренном движении. 6. Объясните суть метода измерений ускорения свободного падения при помощи прибора Атвуда. Выведите расчетную формулу. Литература: [1], §§3,4,7...10,29,39.
РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА 1. Цель работы Определение модуля Юнга материала путем измерения прогиба стержня при нагрузке. 2. Основные теоретические положения Если к телу приложить силу, оно деформируется. Деформация называется упругой, если она исчезает после прекращения действия силы, и пластической, если она остается после снятия нагрузки. При упругой деформации по закону, установленному Гуком, величина деформации ∆l пропорциональна действующей силе F: ∆ l = kF , (1) где k − постоянная величина для данного образца. Рассмотрим простейшую деформацию продольного растяжения (или одностороннего сжатия). Пусть к концам однородного стержня длиной l и площадью поперечного сечения S приложена сила F. В результате стержень растягивается на ∆l, т.е. удлиняется. Для характеристики деформации важно не абсолютное удлинение ∆l, а относительное удлинение ∆l/l. Если взять стержни разного поперечного сечения S, то при действии одной и той же растягивающей силы относительное удлинение ∆l/l будет тем меньше, чем толще стержень, т. е. чем больше S. Отсюда следует, что относительное удлинение ∆l/l пропорционально величине (F/S). Тогда для ∆l/l имеем ∆l/l=αF/S, (2) где α − постоянная, называемая коэффициентом упругости, зависит только от свойств материала стержня. Величиной, обратной α, называется модуль упругости или модуль Юнга E: E=l /α . (3) Подставив (3) в (2), получим F / S = E( ∆ l / l ) . (4) Величина F/S=σ называется нормальным напряжением, измеряемым силой F, приходящейся на единицу площади поперечного сечения. Поскольку ∆l/l − безразмерная величина, то размерность модуля Юнга совпадает с размерностью нормального напряжения и модуль Юнга в системе СИ измеряется в H/м2.
Согласно формуле (4), закон Гука формулируется следующим образом: при упругой деформации нормальное напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела. Из выражения (4) легко уяснить физический смысл модуля Юнга: он численно равен нормальному напряжению, при котором вдвое увеличивается длина растягиваемого образца. Это определение условно, поскольку только немногие материалы способны выдерживать без разрушения такие нагрузки. Для подавляющего большинства материалов зависимость (4) справедлива только при малых деформациях ∆l