Физика. Лаб 1 семестр по физике Астахов Грищенко Иванова Машанов 2. Федеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное
 Скачать 2.04 Mb.
|
|
Федеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГБОУ ВО «СибГУТИ») В.М. Астахов, В.И. Машанов, И.В. Грищенко, А.Г. Иванова МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ МЕХАНИКА, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, МАГНЕТИЗМ, КОЛЕБАНИЯ Новосибирск 2018 2 УДК−535 (076) В.М. Астахов, И.В. Грищенко, А.Г. Иванова, В.И. Машанов. Механика, электричество, магнетизм, колебания: Методическое пособие по физике/СибГУТИ.−Новосибирск, 2018 г.−81 с. Методическое пособие предназначено для ознакомления студентов 1 курса с основными понятиями механики, электричества, магнетизма и колебаний, для ознакомления с основными электроизмерительными приборами и служит руководством к выполнению соответствующих лабораторных работ. Пособие разработано для студентов направлений 11.01.01, 11.03.02, 11.03.03, 11.03.04, 09.03.01, 09.03.02, 02.03.02, 20.03.01, 11.05.01, 11.05.02, 10.03.01, 10.05.02. Кафедра физики Рецензенты: к.ф-м.н, доцент Пинегина Т.Ю., к.ф-м.н, доцент Харламов Г.В. Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве лабораторного практикума. © Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2018г. 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 4 1.1 ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАЯТНИКА ОБЕРБЕКА 6 3.1 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 14 3.2 ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ 25 3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ИЗ МЕТАЛЛА 34 4.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА 43 4.2 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Компьютерная лабораторная работа 52 5.1 ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОНТУРЕ 62 Приложения 74 4 ВВЕДЕНИЕ 1 ЦЕЛЬ МЕТОДИЧЕСКОГО ПОСОБИЯ И ЕГО СТРУКТУРА Выполнение лабораторных работ является одним из наиболее эффективных методов развития навыков самостоятельной работы. Лабораторные работы данного цикла являются первыми работами, с которых начинается знакомство студентов с реальными проявлениями физических законов, с электроизмерительными приборами. Целью данного пособия является ознакомление студентов с методикой измерения некоторых физических величин, получение навыков работы с электроизмерительными приборами, формирование умения проверять полученные результаты на физическую разумность и формирование умения делать мотивированные выводы по результатам произведенных измерений. В данном пособии исследуются темы: Механика (работа 1.1), Электричество (работы 3.1, 3.2 ,3.3), Магнитные явления (работы 4.1, 4.3), Колебания (работа 5.1) Понимание и грамотное выполнение каждого последующего цикла лабораторных работ предполагает выполнение и защиту предыдущего, а также решение задач по данной теме. 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ 2.1 Прочитать теоретический материал по рекомендованным учебникам 2.2 Составить отчет, содержащий следующие разделы: а) титульный лист (смотрите Приложение 1) б) цель работы в) краткая теория: основные определения и изучаемые законы; использование законов для вывода расчетной формулы, вывод расчетной формулы г) рисунок или схема установки с расшифровкой названий основных элементов д) заготовить таблицы для занесения в них измеряемых и расчетных величин с указанием размерности этих величин. 2.3 Получить допуск к работе. Для этого нужно знать и уметь объяснить: а) какое явление изучается и как б) основные элементы установки. Нужно уметь идентифицировать элементы установки, приведенные на схеме, с элементами лабораторного стенда. В Приложении 2 (страница 75) приведена схема лабораторного стенда в) что измеряется, и что рассчитывается по экспериментальным данным г) какие зависимости и законы исследуются, и какие графики надо построить в данной работе. 2.4 Проделать измерения, выключить установку, и рассчитать результаты одного измерения полностью (расчеты привести после таблицы с обязательным переводом всех величин в СИ). 5 2.5 Обязательно подписать выполненную работу у преподавателя, проводившего занятие. Без подписи преподавателя работа считается невыполненной. 3. ЗАЩИТА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 3.1 Результаты измерений должны быть полностью обработаны и занесены в таблицу. 3.2 Должны быть построены графики с указанием физических величин и размерностей. Если требуется сравнение с экспериментальных данных с теоретическими, то соответствующий график теоретической зависимости строится на том же графическом поле. Графики должны быть построены на миллиметровой бумаге карандашом с использованием чертежных инструментов, размер графика не может быть меньше 12 см х 12 см. Допускается построение графика на бумаге в клеточку. Правила построения графиков указаны в Приложении 6 (стр.80). 3.3 Должны быть рассчитаны погрешности полученных величин, используя формулы, приведенные в разделе «ЗАДАНИЕ». 3.4 В конце отчета должен быть записан вывод (краткое резюме по экспериментальным результатам, графическим зависимостям и результатам расчетов, полученным в данной работе). 3.5 После вывода должны быть письменно выполнены ответы на контрольные вопросы. 3.6 Должны быть решены задачи, указанные преподавателем. Как правило, номера задач соответствуют номеру бригады, выполнявшей работу. 3.7 Непосредственно защита у преподавателя результатов проделанной работы. 3.8 Обязательно подписать зачтенную работу у преподавателя, проводившего занятие. Без подписи преподавателя работа считается незащищенной. 6 Лабораторная работа 1.1 ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАЯТНИКА ОБЕРБЕКА 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить законы вращательного движения. Определить собственный момент инерции маятника Обербека (крестовины). Исследовать зависимость момента инерции грузов на крестовине от расстояния. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Вращательным движением твердого тела называется такой вид движения, при котором каждая точка тела описывает окружности вокруг некоторой прямой, называемой осью вращения. Основным законом динамики вращательного движения является связь момента силы M с моментом инерции 𝐼 и угловым ускорением 𝛽: I M , (1) Этот закон является отображением второго закона Ньютона для вращательного движения. Направление вектора углового ускорения 𝛽 совпадает с направлением момента сил М , который в свою очередь совпадает с осью вращения. Для материальной точки момент инерции определяется как произведение массы на квадрат расстояния от оси вращения до центра масс тела: 2 mR I (2) Чтобы определить момент инерции системы из N материальных точек, вращающихся относительно некоторой неподвижной оси, нужно найти сумму моментов инерции всех материальных точек относительно этой оси: N i i i r m I 1 2 , (3) где m i — масса i -й точки, r i — расстояние от i -й точки до оси вращения. Для твердого тела суммирование нужно проводить для всех точек тела, следовательно, сумма заменяется интегралом: m V dV r dm r I 2 2 , где dV dm масса малого элемента объёма тела dV, ρ — плотность, r — расстояние от элемента dV до оси вращения. 7 Момент инерции тела является мерой инертности тела во вращательном движении, аналогично тому, как масса тела является мерой его инертности при поступательном движении. Моментом силы относительно оси вращения называется векторное произведение величин: F r M , (4) где F - сила, действующая на тело, r - расстояние от оси вращения до точки приложения силы. Направление вектора M перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектора r и F в соответствии с правилом векторного произведения и совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его повороте от r к F на угол, меньший π . Значение вектора M может быть определено как (рис.1): sin r F M , (5) где l r sin плечо приложения силы F Рис. 1 Иллюстрация к определению момента силы 3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Законы вращательного движения проверяются на установке, называемой маятником Обербека‚ который представляет собой крестовину, вращающуюся вокруг горизонтальной оси (рис. 2). На шкив радиуса 𝑟 наматывается нить, к которой через блок прикреплен подвес. Подвес представляет собой цилиндр с прорезью для закрепления на нити. Подвес при опускании движется вдоль вертикальной линейки, на которой отмечаются начальная и конечная точки движения. С помощью секундомера фиксируется точное время движения между этими точками. М F r α 8 Рис. 2 Схема лабораторной установки 4. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ Перед выполнением лабораторной работы необходимо установить основные физические закономерности, наблюдаемые на маятнике Обербека. Исходя из основного закона динамики вращательного движения (1), график зависимости углового ускорения от момента силы, приложенной к маятнику, должен представлять собой прямую линию. Второй закон Ньютона, применимый к описанию движения подвеса 𝑚 𝑛 , запишется как: нат n n F g m a m Вращение маятника вызывает сила натяжения нити. a m g m F n n нат , а момент силы натяжения нити: ) ( a g m r rF M n нат нат (6) Если подвес падает из неподвижного положения с высоты ℎ, то ускорение 𝑎 определится из закона равноускоренного движения: 2 2 2 2 t h a at h (7) где 𝑡 − время опускания груза. Поскольку нить намотана на шкив, то ускорение движения подвеса, равное ускорению движения нити, является также тангенциальным ускорением для точек на ободе шкива. Тангенциальное ускорение при вращательном движении связано с угловым ускорением шкива формулой: 9 r a (8) Построив график зависимости β от М нат , получим прямую линию (см. формулу (1)). Через экспериментальные точки прямую проводят так, чтобы точки в среднем были одинаково расположены по обе стороны от проведенной линии (рис.3). Поскольку в основной закон динамики вращательного движения (1) входит равнодействующий момент сил, то прямая не будет проходить через начало координат. Она будет смещена по оси момента сил на величину момента силы трения М тр (рис.3). Рис.3 Зависимость углового ускорения от момента силы натяжения нити Момент инерции маятника Обербека определится из уравнения (1) как: тр нат M M I (9) Если на крестовине маятника не находятся грузы, то формула (9) позволяет определить собственный момент инерции маятника I 0 . Если же на крестовине маятника закреплены грузы, то по этой же формуле (9) определяется момент инерции маятника с грузами I . Исходя из формулы (2), момент инерции материальной точки прямо пропорционален квадрату расстояния от точки до оси вращения. Если считать грузы на спицах крестовины материальными точками, то график зависимости момента инерции грузов от квадрата расстояния до оси вращения должен быть линейным. Поскольку момент инерции тела – величина аддитивная, то момент инерции маятника с грузами I равен сумме момента инерции крестовины I 0 и момента инерции грузов I гр . Отсюда момент инерции грузов равен: 0 I I I гр (10) 10 5. ЗАДАНИЕ I часть работы. Определение собственного момента инерции крестовины I 0 . 1. Для числовых обработок определите заранее массу подвеса 𝑚 𝑛 , измерьте высоту опускания подвеса ℎ 2. Намотайте нить на шкив и из зафиксированного положения опустите подвес с одновременным включением секундомера. 3. Измерьте три раза время падения каждой из выбранных масс подвесов. Время движения удобно считать до удара подвеса о пол. 4. Данные измерений и расчетов ускорений движения моментов сил и моментов инерции занесите в Таблицу 1. Исходя из малых числовых значений линейного ускорения 𝑎 , следует ускорение свободного падения брать с точностью до сотых единиц: 𝑔 = 9.81 м с 2 5. Постройте график зависимости углового ускорения маятника от момента силы натяжения нити 𝛽 = 𝑓(𝑀 нат ). 6. По графику определите момент силы трения. 7. По графику, пользуясь формулой (9), определите собственный момент инерции крестовины. Таблица1. Определение собственного момента инерции крестовины. Масса подвеса m n ,кг Время падени я t,c Среднее время t, с Ускорен ие а, м с 2 Угловое ускорени е , рад с 2 Момент силы натяжени я нити, М нат , Н м Момент инерции крестовин ы I 0 , кг м 2 Среднее значение момента инерции крестовин ы I 0 , кгм2 11 II часть работы. Установление зависимости момента инерции тела от квадрата расстояния до оси вращения. 1. Выберите и зафиксируйте подвес. 2. На крестовине маятника Обербека закрепите симметрично два груза. ЗАКРЕПИТЕ СТОПОРНЫЕ ВИНТЫ НА СПИЦЕ КРЕСТОВИНЫ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИЕ СОСКАЛЬЗЫВАНИЮ ГРУЗОВ СО СПИЦЫ. 3. Намотайте нить на шкив и трижды определите время опускания подвеса для нескольких различных положений грузов на крестовине маятника. 4. Определите момент инерции маятника с грузами по формуле (9), используя значение момента силы трения, найденное в первой части работы. 5. По формуле (10) определите момент инерции грузов на крестовине. 6. Данные измерений и расчетов занесите в таблицу 2. 7. Постройте график зависимости момента инерции грузов от квадрата расстояния грузов до оси вращения 𝐼 гр = 𝑓(𝑅 2 ) Таблица 2. Зависимость момента инерции грузов от квадрата расстояния Расстояние до оси вращения, R, м Квадрат расстояния до оси вращения R 2 ,м 2 Время падения t,c Ускорение а, м с 2 Угловое ускорение , рад с 2 Момент силы натяжения нити, М, Н м Момент инерции маятника с грузами I, кг м 2 Момент инерции грузов I гр , кг м 2 III часть работы. Определение погрешности измерения моментов инерции грузов на осях маятника (Смотрите Приложение 5). 1. Выведите формулу и определите погрешность измерения момента инерции. 2. Сделайте вывод о результатах работы и точности измерений. 6. ПЕРЕЧЕНЬ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 1. 2 таблицы с экспериментальными и расчетными данными. 2. График зависимости 𝛽 = 𝑓(𝑀 нат ). 3. График зависимости 𝐼 гр = 𝑓(𝑅 2 ). 4. Результаты вычисления погрешностей. 5. Выводы. 12 7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какое движение называется вращательным? Приведите примеры. В каких случаях размером тел при рассмотрении законов движения можно пренебречь? 2. Провести аналогию между параметрами кинематики и динамики поступательного и вращательного движения. Указать единицы измерения основных величин 3. Дайте определение момента инерции твердого тела. Расскажите о теореме Штейнера. 4. Вывести формулу основного закона динамики вращательного движения. 5. Как в данной работе определить момент инерции маятника Обербека без грузов? 6. Как в данной работе можно определить массу грузов на стержнях маятника Обербека? 7. Как можно изменить момент инерции маятника Обербека? 8. Если увеличить высоту опускания подвеса, то какие величины изменяются и как (момент инерции маятника, время опускания подвеса, кинетическая энергия системы маятник-груз, угловое ускорение маятника)? Ответ обосновать. 8. ЗАДАЧИ (нумерация задач: первая цифра- номер бригады, вторая цифра- номер задачи) 1.1. Найти линейную скорость Земли при ее движении по орбите. Средний радиус земной орбиты R= 1,5×10 8 км. (2,96 10 4 м с ). 1.2. Человек находится на краю круглой горизонтальной платформы радиусом 4 м. Сколько оборотов в минуту должна делать платформа вокруг вертикальной оси, чтобы человек мог удержаться на ней при коэффициенте трения 𝜇 = 0,27? (7,7 об мин ). 2.1. Найти угловую скорость ω: а) часовой стрелки на часах; б) минутной стрелки на часах. (145,4 10 6 рад с ; 1,74 10 3 рад с ). 2.2. Совершает ли работу равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равномерно движущемуся по окружности? 3.1. Найти угловую ω и линейную скорости вращения земной поверхности на экваторе. Радиус Земли Rз= 6,4 10 6 м. (72,7 10 -6 рад с ; 465,3 м с ). 13 3.2. Мотоциклист едет по горизонтальной дороге со скоростью 74 км ч , делая поворот радиусом кривизны 100 м. На какой угол (Считая от горизонтальной поверхности) при этом он должен наклониться, чтобы не упасть на повороте? (66,7°). 4.1. Определить момент инерции сплошного однородного диска массой m и радиусом R относительно оси, проходящей через точку на краю диска перпендикулярно его плоскости. (1,5 mR 2 ). 4.2 Колесо, вращаясь равноускорено по часовой стрелке, достигло угловой скорости 30 рад с через 10 оборотов после начала вращения. Найти угловое ускорение β колеса. Показать на рисунке направление углового ускорения. (7,2 рад с 2 ). 5.1 Диск совершает 70 об мин . Где можно положить на диск тело, чтобы оно не соскользнуло? Коэффициент трения покоя 𝜇 = 0,44. (8 см). 5.2 Точка движется по окружности 𝑅 = 10 см с постоянным тангенциальным ускорением: a m . Найти тангенциальное ускорение точки, если известно, что к концу пятого оборота после начала движения скорость точки стала = 120 м мин . (1,3 м с 2 ). 6.1. Найти радиус вращающегося колеса, если известно, что линейная скорость точки на ободе в 3 раза больше линейной скорости точки, лежащей на расстоянии 4 см ближе к оси колеса. (6 см). 6.2. Определить момент инерции сплошного однородного диска массой 1кг и радиусом 50 см относительно оси, проходящей через середину радиуса диска перпендикулярно его плоскости. (0,19 кг м 2 ). |