Изучение законов вращательного движения твердого тела

Экспериментальная проверка закона является основной задачей данной лабораторной работы, выполняемой на крестообразном маятнике 0бербека (рис. 1). Маятник Обербека состоит из четырех спиц, по которым могут перемещаться ползуны массой . При перемещении ползунов изменяется момент инерции маятника. Спицы укреплены на втулке под пряным углом друг к другу. На ось втулки насажены два легких шкива различных радиусов ( и ). Вращение происходит вокруг горизонтальной оси. Установка снабжена электросекундомером, позволяющим вести отсчет времени с точностью до 0, 01 сек. В данной установке момент силы М, вызывающий вращение, создается натяжением нерастяжимой нити, навитой на один из шкивов, к которой привязан груз массой m. Под действием веса груза нить разматывается и маятник вращается с некоторым угловым уско­рением . Это ускорение будет постоянным, если пренебречь зависимостью силы трения от скорости, так как платформа с гирей создает постоянный вращающий момент с плечом , равным радиусу шкива.

Расчет вращательного момента и углового ускорения проводится по формулам (7), (8), (9) лабораторной работы 2(З).

ВНИМАНИЕ. Перед началом измерений ползуны на спицах закрепляют так, чтобы прибор был отцентрирован, т.е. находился в состоянии безразличного равновесия при любом положении спиц.

Центровку системы производить следующим образом:

1.Тумблер питания установки перевести в положение «вкл».

2.Выключить тумблер питания секундомера.

3.Нажать кнопку секундомера " Пуск", при этом сработает электромагнит тормоза, и вращающаяся система освободится от стопора.

4.Освободить систему от силы натяжения нити.

5.Проверить центровку системы. Маятник должен оставаться в покое при любом его положении. При нарушении этого условия, изменяя положения ползунов на спицах добиться его выполнения.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

1.Проверить линейную зависимость углового ускорения от враща­ющего момента М.

2.Определить по графику зависимости от :

а) момент инерции крестовины;

б) момент сил трения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.С помощью штангенциркуля найти радиус шкива и записать его значение.

2.Проверить и при необходимости отцентрировать маятник Обербека (см. центровка системы).

3.При данном положении ползунов провести измерения в соответствии с пунктами 3-7 выполнения лабораторной работы 3. Результаты измерений занести в таблицу (использовать таблицу, приведенную в работе №3).

4.Дважды изменить положения ползунов на спицах (т.е. изменить момент инерции системы) и каждый раз повторить операции, указанные в пунктах 2-3 настоящей работы.

5.По найденным экспериментальным данным, полученным для различных значений момен­тов инерции, рассчитать значения угловых ускорений и соответствующих им вращательных моментов по формулам (7), (8), (9).

6.Исходя из формул (7), (8), (9) получить выражения для относительной и абсолютной погрешностей измерений углового ускорения и вращательного момента и рассчитать их значения для всех экспериментальных точек.

7.По найденным значениям и построить графики зависимости углового ускорения от вращательного момента в одной системе координат, отклады­вая по оси абсцисс момент силы натяжения нити , по оси ординат - угло­вое ускорение .

6.По графикам, в соответствии с пунктами 14, 15 выполнения лабораторной работы №3, найти значения моментов сил трения и моментов инерции системы для трех различных положений ползунов на спицах.

7.В соответствии с пунктами 16, 17 выполнения лабораторной работы №3 найти зависимость углового ускорения от момента инерции и построить график этой зависимости.

Вопросы для " допуска" к работе N 4.

1.Какова цель данной лабораторной работы?

2. Как проверить центровку системы?

3.Как отцентрировать систему?

4.Как вычислить момент силы натяжения ?

5.Как вычислить линейное ускорение а?

6.Как вычислить угловое ускорение ?

7.Как изменить момент инерции системы ?

10.Какие графики в данной работе надо построить и что опреде­лить по ним?

Вопросы для защиты работ №3 и 4:

1. Какое движение называется вращательным? Какими кинематическими величинами характеризуется вращательное движение твердого тела? Дайте их определение и укажите связь между ними, Какими единицами они измеряются?

2. Что называется моментом силы? Направление вектора момента силы. Единицы измерения.

3. Что называется моментом инерции материальной точки и твер­дого тела? В чем состоит свойство аддитивности момента инерции? Теорема Штейнера. Каково физическое содержание понятия момента инерции? Единицы измерения.

4. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела.

5. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела.

6. Выведите формулу для относительной погрешности линейного и углового ускорений.

7. Момент импульса материальной точки и момент импульса твердого тела. Закон сохранения момента импульса.

ЛИТЕРАТУРА

1.И.В.Савельев. Курс общей физики, 1966, т.1, стр. 103-117, 36-39.

2.Б.М.Яворский и др. Курс физики, 1963, т.1.