2
Южно - Российский государственный университет
экономики и сервиса
Ставропольский технологический институт сервиса
Лабораторный практикум
по физике
Механика.
Молекулярная физика.
Термодинамика
Ставрополь - 2003
Издается по решению Научно-
методического совета СТИС
от 5 декабря 2002 г.
Лабораторный практикум по физике
Механика. Молекулярная физика. Термодинамика
Ставрополь: СТИС, 2003. 24 с.
Пособие к лабораторному практикуму по физике для студентов инженерных специальностей. Содержит пять лабораторных работ, в которых студенты в форме укрупненных дидактических единиц осваивают кинематику и динамику поступательного движения, кинематику и динамику вращательного движения твердого тела, колебательное движение трех типов маятников, вязкость жидкостей и газов, изменение энтропии тела при нагревании и плавлении.
Каждая работа содержит краткое теоретическое введение, описание идеи метода измерений и экспериментальных установок, методику измерений, обработки и представления результатов. В конце работы приводится подробная схема отчета и набор контрольных вопросов и заданий. Работы насыщены заданиями, рассчитаны на 4 академических часа при условии основательной домашней подготовки.
Составители: ст. преподаватель Киселев В.В.
канд. ф.-м. н., доцент Козлов С.А.
Рецензент: доцент, канд. ф.-м. н., Пиунов И.Д.
Цель работы
Углубление теоретических представлений о кинематике и динамике поступательного движения материальной точки, экспериментальная проверка основных законов поступательного движения на специальной лабораторной установке - машине Атвуда, дальнейшее закрепление навыков оформления экспериментальных результатов.
1. Экспериментальная установка
Машина Атвуда (рис.1) состоит из легкого блока 2, через который переброшена нить с двумя наборными грузами на концах (массы обоих грузов одинаковы и равны m). Грузы могут двигаться вдоль вертикальной рейки со шкалой 1. Если на правый груз положить небольшой перегрузок m, грузы начнут двигаться с некоторым ускорением. Для приема падающего груза служит полочка 3.
Для выполнения работы машина Атвуда должна быть установлена строго вертикально, что легко проверить по параллельности шкалы и нити.
2. Теоретическая часть
Второй закон Ньютона для каждого из тел системы (рис.2) в предположении невесомости блока и отсутствия трения дает
, (1)
где Т1,2 - силы натяжения нити, m - масса каждого груза, m - масса перегрузка, а - ускорение системы.
В проекциях на вертикальную ось ОY получаем соот3ношения
. (2)
Отсюда, так как Т1 = Т2, ускорение движения системы равно
. (3)
Из выражения (3) видно, во-первых, что ускорение не зависит от времени, что доказывает равноускоренный характер движения грузов. Во-вторых, видно, что изменять ускорение системы можно, меняя перегрузки m. В случае равноускоренного движения скорость грузов v и их перемещение S за время t определяются следующим образом:
(4)
3. Экспериментальная часть
Задание 1. Проверка закона перемещений.
1. Проверьте вертикальность установки машины Атвуда и сбалансированность грузов.
2. На правый груз наложите перегрузок в 2-5 г.
3. Измерьте время прохождения грузом расстояний в 20, 40, 60 и т. д. см - всего 4-5 опытов. Полученные данные заносите в таблицу 1 отчета.
4. Зависимость S = f(t) - квадратичная функция, а ее график - парабола и ее наглядная идентификация («узнавание») невозможна. Поэтому постройте график зависимости S = f(t2). Точку (t=0, S=0) на графике не откладывать не надо.
5. Как правило, экспериментальные точки из-за погрешностей измерений не лежат на одной прямой, что затрудняет построение графика зависимости S = f(t2). Для линеаризации зависимости примените метод наименьших квадратов (МНК) (табл. 2 отчета). Проведите необходимые вычисления, запишите уравнение , где k и b - вычисленные с помощью МНК коэффициенты. Подставляя в полученное уравнение два произвольных значения t2, найдите координаты двух точек, которые отложите на графике и проведите через них прямую.
6. Значение коэффициента линейной корреляции, его близость к единице указывает на величину разброса экспериментальных точек и достоверность того, что полученный график действительно прямолинейный. Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом и прямая проходит через начало координат, то можно сделать вывод, выполняется ли закон перемещений, и если выполняется, то с каким коэффициентом корреляции.
Задание 2. Определение ускорения движения грузов
В полученном уравнении прямой коэффициент k равен половине ускорения системы: k=a/2. Это позволяет вычислить ускорение грузов (a =2k) в данном опыте и определить погрешность его измерения. Произведите необходимые вычисления и занесите результаты в отчет.
Задание 3. Определение ускорения свободного падения
(Выполняется по результатам измерений и вычислений, проведенных в первом и втором заданиях). Зная массы грузов и перегрузка, а также ускорение движения системы, из формулы (3) найдите ускорение свободного падения. Учитывая погрешности измерения масс грузов, перегрузка и ускорения грузов, определите относительную и абсолютную погрешность измерения ускорения свободного падения. Результаты занесите в отчет. В выводе сравните полученный результат с табличной величиной.
Задание 4. Проверка второго закона Ньютона
Поскольку ускорение движения является функцией двух переменных - силы и массы, то изучение второго закона Ньютона выполняется путем двух раздельных исследований
4.1.Исследование зависимости ускорения от силы при постоянной массе
1. Тщательно сбалансируйте грузы, выбрав их массы в пределах 150 - 200 г каждый.
2. Затем на правый груз наложите первый перегрузок m. В результате в системе появляется движущая сила, равная mg. При этом, конечно, общая масса системы незначительно увеличивается, но этим изменением массы по сравнению с массой грузов можно пренебречь и считать массу движущихся грузов постоянной.
3. Измерьте время равноускоренного движения системы на пути, например, 80 см. Все данные заносят в таблицу 3 отчета.
4. Пользуясь законом путей (5), вычисляют ускорениесистемы.
5. Поведите еще 4-5 опыта, увеличивая массу перегрузков. Заполните табл. 3.
6. В координатных осях [а,F] постройте график зависимости ускорения движения от действующей силы. Точку (F=0, a=0) на графике откладывать не надо. Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом и прямая проходит через начало координат, то можно сделать вывод о том, что ускорение грузов действительно прямо пропорционально действующей на них силе.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11