ЛабПрактикумМеханика. Контрольные вопросы для закрепления изученного материала. Предназначен для студентов очной и заочной форм обучения
 Скачать 4.4 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» МЕХАНИКА. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Лабораторный практикум по дисциплине «Физика» Уфа 2019 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» Кафедра физики МЕХАНИКА. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Лабораторный практикум по дисциплине «Физика» Уфа 2019 Составители Л.В. Рабчук, М.Т.Хатмуллина УДК ББК Механика. Механические колебания и волны: лабораторный практикум по дисциплине «Физика» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; сост.: Л. В. Рабчук, М. Т. Хатмуллина. – Уфа: РИК УГАТУ, 2019. – 208 с. Целью лабораторного практикума по дисциплине «Физика» является ознакомление студентов с физическими явлениями и законами, приобретение навыков работы с измерительными приборами и умений обрабатывать и анализировать экспериментальные данные. Лабораторный практикум содержит описания лабораторных работ по разделу «Механика. Механические колебания и волны» включающие в себя цели и задачи, краткие сведения, требования по технике безопасности, задания, методические рекомендации выполнения работы и оформления отчета, критерии результативности и контрольные вопросы для закрепления изученного материала. Предназначен для студентов очной и заочной форм обучения УГАТУ, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров/специалистов факультетов «авиационных двигателей, энергетики и транспорта», «авионики, энергетики и инфокоммуникаций», «защиты в чрезвычайных ситуациях», « информатики и робототехники», общенаучного факультета и института авиационных технологий и материалов. Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. Трофимова Е.В. Рецензент канд. физ.-мат. наук доц. Ягафарова З.А. Рецензент канд. физ.-мат. наук. Ткачев В.И. © Оформление. РИК УГАТУ, 2019 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 4 РАЗДЕЛ I. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ, ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ................................................. 10 РАЗДЕЛ II. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО РАЗДЕЛУ «МЕХАНИКА. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ» ......................... 12 Лабораторная работа № 1. Определение моментов инерции твердых тел методом трифилярного подвеса ......................................................... 12 Лабораторная работа № 2. Определение скорости полета пули с помощью крутильного баллистического маятника ............................................. 23 Лабораторная работа № 3. Изучение законов вращательного движения твердого тела ............................................................................................ 34 Лабораторная работа № 4. Определение моментов инерции твердых тел методом крутильных колебаний ......................................................... 47 Лабораторная работа № 5. Определение моментов инерции тел произвольной формы ................................................................................................ 57 Лабораторная работа № 6. Изучение законов поступательного движения твердого тела ............................................................................................ 67 Лабораторная работа № 7. Изучение законов соударения тел ................ 80 Лабораторная работа № 8. Определение скорости звука в воздухе ....... 93 Лабораторная работа № 9. Определение ускорения свободного падения с помощью физического и математического маятников ...................... 105 Лабораторная работа № 10. Изучение колебаний пружинного маятника ................................................................................................................... 116 Лабораторная работа № 11. Изучение собственных колебаний струны ....................................................................................................................... 128 Лабораторная работа № 12. Определение ускорения свободного падения ..................................................................................................................... 137 Лабораторная работа № 13. Изучение закона сохранения энергии с помощью маятника Максвелла ........................................................................... 150 Лабораторная работа № 101. Определение момента инерции диска относительно оси и проверка теоремы Штейнера ............................................... 161 Лабораторная работа № 102. Определение скорости полета пули с помощью унифилярного подвеса ....................................................................... 169 Лабораторная работа № 107. Изучение законов сохранения импульса и энергии при столкновениях кареток Флетчера с помощью устройства CASSY .............................................................................. 180 Лабораторная работа № 108. Моделирование движения тела в вязкой среде в неинерциальной системе отсчета………………….…………189 ПРИЛОЖЕНИЕ. Перечень методических указаний по лабораторным работам по теме «Механика. Механические колебания и волны» .…………. 205 3 ВВЕДЕНИЕ Цель лабораторного практикума – закрепление и совершенствование знаний студентов по дисциплине «Физика» и формирование умений применятьих для решения научно- технических задач в теоретических и прикладных аспектах, возникающих в последующей профессиональной деятельности выпускников технического университета. Одной из важных физических характеристик любого макроскопического или микроскопического движущегося тела, а также волн различной природы является скорость (величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения тела (волны) относительно выбранной системы отсчета). Классическая или ньютоновская механика рассматривает закономерности движения тел со скоростями, во много раз меньшими скорости света в вакууме. Закономерности движения тел со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, являются предметом релятивистской механики, а закономерности движения микрочастиц (электронов в атомах, молекулах, кристаллах и т.д.) – квантовой механики. Скорость света в вакууме является максимальной скоростью движения частиц и распространения взаимодействий. Она одинакова во всех инерциальных системах отсчета и равна 299792458 м/с или 1079252848,8 км/ч. Улитка в среднем движется со скоростью 1,5 мм/с или 5,4 м/ч. Пешеход двигается со скоростью от 2 до 8 км/ч, а максимальная скорость самого быстрого человека на планете Усейна Болта равна 44,72 км/ч. Начальная скорость пули при стрельбе из пистолета Макарова равна 320 м/с, из пистолета Beretta 92 KWC – 955 м/с, из автомата Калашникова АК-108 910 м/с. Рекорд скорости полета шайбы в хоккее составляет 190,4 км/ч. Максимальная скорость самолета Boeing 747-400ER достигает 988 км/ч, а самолета Су-27 – 2500 км/ч. Самая высокая скорость в мире на наземном управляемом транспортном средстве была показана на реактивном автомобиле Thrust SSC и составила 1227,986 км/ч. Скорость распространения звуковых волн в воздухе при нормальных условиях (на уровне моря при температуре 0 ºС) равна 331 м/с. В бетатроне электроны можно ускорить до скоростей, 4 близких к скорости света в вакууме (0,9995 с, где с – скорость света в вакууме). Лабораторные работы № 2 и № 102 знакомят студентов с методикой определения скорости полета пули с помощью крутильного баллистического маятника и унифилярного подвеса. Данные работы способствуют пониманию, усвоению и умению применять фундаментальные законы физики (закон сохранения момента импульса и закон сохранения механической энергии) для решения практических задач. Механика изучает закономерности механического движения, под которым понимают изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей в пространстве. В кинематике изучают характеристики и законы механического движения, не рассматривая причины, вызывающие то или иное движение. Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение. В лабораторной работе № 6 с помощью машины Атвуда проверяются основные законы кинематики и динамики поступательного движения. В работе № 9 определяется ускорение свободного падения с помощью математического и физического маятников, сравниваются экспериментально полученные значения ускорения свободного падения с известным значением ускорения свободного падения для данной местности. Лабораторная работа № 12 посвящена определению ускорения силы тяжести при свободном падении тела, а также знакомит студентов с силами инерции. В лабораторной работе № 107 изучается движение тела брошенного под углом к горизонту в вязкой среде в неинерциальной системе отсчета (Земля). Ударом (соударением) называют кратковременное взаимодейст- вие тел при столкновении. Промежуток времени, в течение которого длится удар, обычно составляет 10 -5 –10 -6 с. Например, попадание пули в мишень, столкновение шаров, удар молота о наковальню и т.д. Удар часто используют в технике для изменения формы изделия (ковка, штамповка, клепка) или для перемещения тел в среде с большим сопротивлением (забивание свай, дюбелей). В лабораторной работе № 7 изучается выполнение закона сохранения импульса в случае столкновения двух шаров, рассчитываются потери механической энергии при соударении, определяется средняя сила, 5 с которой шары действуют друг на друга во время удара. В работе № 107 законы сохранения импульса и энергии изучаются при центральном ударе двух кареток Флетчера, рассчитываются коэффициенты восстановления скорости и энергии. Движение твердого тела можно представить как результат суперпозиции поступательного и вращательного движений. При поступательном движении все точки тела движутся по одинаковым траекториям, поэтому поступательное движение твердого тела описывается теми же уравнениями, что и движение любой материальной точки этого тела. Поступательно движутся относительно Земли тело малого размера, брошенное под углом к горизонту, движущийся на автостраде автомобиль, резец токарного станка и т.д. При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения. Такое движение относительно Земли совершают различные роторы турбин, электромоторов и генераторов, установленных на Земле неподвижно. При изучении динамики вращательного движения используются такие физические величины, как момент импульса, момент силы, момент инерции. Момент инерции является мерой инертности тела при вращательном движении. Он зависит от массы тела и распределения ее относительно оси вращения. Момент инерции тел правильной геометрической формы можно рассчитать теоретически. Для неоднородных твердых тел произвольной формы такой расчет сложен, поэтому моменты инерции тел определяют опытным путем. Имеются различные методы экспериментального определения моментов инерции, основанные на применении к вращающемуся телу основного закона динамики вращательного движения или закона сохранения энергии. Лабораторные работы № 1, № 4, № 101 посвящены усвоению понятия момента инерции твердого тела относительно оси. В работе № 1 с помощью трифилярного подвеса определяются моменты инерции сплошного цилиндра и параллелепипеда относительно различных осей. В работах № 4 и № 101 с использованием метода крутильных колебаний определяются соответственно моменты инерции параллепипеда и сплошного диска относительно различных осей. В работах № 1 и № 101 также экспериментально проверяется теорема Штейнера. 6 В лабораторной работе № 5 определяются моменты инерции математического и физического маятников, изучается зависимость момента инерции тела произвольной формы от распределения массы относительно оси вращения. Лабораторная работа № 3 посвящена изучению и экспериментальному подтверждению основного закона динамики вращательного движения с помощью маятника Обербека. В работе № 13 экспериментально проверяется выполнение закона сохранения механической энергии с помощью маятника Максвелла. Закон сохранения энергии является фундаментальным законом природы, он применим как в физике элементарных частиц, так и в астрофизике. Колебательным движением (колебанием) называют движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени. Это определение объединяет множество непохожих на первый взгляд процессов: колебания различных маятников, движение планет вокруг Солнца, движение поршня в двигателе внутреннего сгорания, биение сердца, колебания струны, колебания напряжения между обкладками конденсатора в контуре радиоприемника, смену времен года, колебания численности популяций животных, колебательные химические реакции. Характеристики колебаний связаны с параметрами, определяющими состояние системы, поэтому, исследуя колебания, можно делать выводы о строении и свойствах различных систем. На этой идее основаны такие методы исследования вещества, как оптическая спектроскопия, акустическая спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и т.д. Несмотря на огромное разнообразие колебательных процессов в природе и технике для их описания существует единый подход. В лабораторной работе № 10 изучаются колебания пружинного маятника и определяются характеристики колебательного процесса (коэффициент жесткости пружины, логарифмический декремент затухания, коэффициент сопротивления воздуха). При наложении в пространстве двух или нескольких волн одинаковой частоты с постоянной разностью фаз во времени в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей амплитуды колебаний в зависимости от соотношения между фазами волн. Это явление называется 7 интерференцией. Частным случаем интерференции волн являются стоячие волны. Стоячая волна образуется в результате наложения двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами. Примерами стоячей волны могут служить волны, возникающие в натянутой струне, в воздушном столбе в трубе ограниченной длины (духовых музыкальных инструментах), в воде вблизи вертикальных преград, например, плотин. В лабораторной работе №8 изучаются стоячие волны в трубе, и определяется скорость звука в воздухе, в работе № 11 рассматриваются стоячие волны в струне и находятся собственные частоты колебаний струны. Лабораторный практикум разработан с использованием лабораторных работ, перечень которых указан в приложении. Предлагаемый практикум предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Физика» по разделу «Механика. Механические колебания и волны» дисциплины «Физика» на всех направлениях подготовки бакалавров и специалистов. В целях облегчения восприятия студентами информации в представленных лабораторных работах не использована сквозная нумерация формул, рисунков и таблиц. В результате выполнения лабораторной работы формируются следующие компетенции: – способность демонстрировать базовые знания в области общенаучных дисциплин и готовность использовать основные законы в профессиональной деятельности; – способность проводить эксперименты по заданной методике, обрабатывать результаты, оценивать их погрешность и достоверность; – способность сопоставлять экспериментальные данные с теоретическими положениями; – способность оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы; – способность применять полученные теоретические знания в экспериментальной работе. Перечисленные компетенции формируются через умения: – работать с измерительными приборами; – рассчитывать физические величины по экспериментальным данным; 8 – анализировать результаты опыта; – оформлять отчет; – использовать знания, полученные в опыте для подтверждения теоретических знаний. Перечисленные компетенции формируются через владения: – теоретическим материалом; – навыками измерений физических величин по приборам; – технологией графической обработки экспериментальных данных. 9 РАЗДЕЛ I. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ, ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Выполнение каждой лабораторной работы состоит из пяти основных этапов: 1. Предварительная подготовка к работе. 2. Получение допуска к работе. 3. Выполнение лабораторной работы. 4. Оформление отчета. 5. Защита лабораторной работы. Первый этап. При предварительной подготовке к лабораторной работе необходимо изучить теорию и методику работы по руководству к лабораторной работе, рекомендуемой литературе, лекциям. В рабочую тетрадь записать: – номер и название работы; – цель и задачи; – приборы и оборудование; − краткую теорию по лабораторной работе; − таблицы для записи результатов. Второй этап. Получить допуск к работе. Для этого необходимо знать физические законы, используемые в лабораторной работе, иметь представление об исследуемом физическом явлении, знать методику измерений и ожидаемый характер зависимостей между измеряемыми физическими величинами. (Допуск сдается перед началом работы). Третий этап. Выполнить измерения и записать результаты измерений в заготовленные на первом этапе таблицы в рабочую тетрадь. Четвертый этап. После выполнения лабораторной работы студент обязан представить отчет, форма которого должна быть следующей: 1. Сведения о лабораторной работе: – номер лабораторной работы; – название лабораторной работы; – цель и задачи работы; – приборы и принадлежности. 2. Краткая теория по лабораторной работе. 3. Методика эксперимента: 10 – схема установки; – расчетные формулы. 4. Результаты измерений: – номер таблицы; – таблица с указанием в графах физических величин, единиц их измерения, погрешностей полученных величин; – расчет косвенных измерений. 5. Графическое представление результатов (если таковые имеются): – указать физические величины, отложенные по осям координат, и единицы их измерения; – построить график. 6. Оценка погрешностей: – вывод расчетных формул для вычисления погрешностей косвенных измерений; – вычисление погрешностей косвенных измерений. 7. Выводы: – краткое изложение полученных результатов; соответствие или несоответствие полученных результатов физическим законам, причины несоответствия; – сравнение результатов со справочными данными. Классификация видов измерений и источников погрешностей, алгоритмы оценки погрешностей прямых и косвенных измерений, дифференциальный и логарифмический методы расчета погрешностей, рекомендации по построению графиков и записи конечного результата изложены в учебном пособии В. В. Лазарева и Д. Ю. Васильева «Физические измерения и их обработка» (УГАТУ – Уфа, 2014. – 81 c.). Пятый этап. Для успешной защиты лабораторной работы необходимо знать теорию исследуемого явления, давать ответы на контрольные вопросы, уметь объяснять методику проведенных измерений, продемонстрировать умение грамотно пользоваться приборами, которые применялись в работе, представить грамотно оформленный отчет. 11 |