Порядок выполнения работы. 5. 1. Экспериментальная часть

5.1. Экспериментальная часть

Для выполнения опытов требуются:

1) штатив с машиной Обербека;

2) четыре груза с одинаковыми массами m;

3) секундомер.

На штативе имеется линейка для измерения высоты подъёма груза. Внизу установлена подставка - упор, на который опускается груз.

Нить с подвешенным грузом наматывается на малый радиус r двухступенчатого шкива, масса шкива m_шк.

На конце нити постоянно закреплён подвес для грузов массой m_o. На вращающейся втулке крестообразно ввинчены четыре стержня; каждую продольную пару стержней следует считать одним стержнем длиной _ст и массой m_ст (см. рис.3).

На стержнях установлены четыре груза массой m_гр, расстояние от оси вращения до центра каждого груза b (см. рис.3).

Внимание: 1. Проверьте балансировку грузов на стержнях, для этого снимите нить с дополнительного блока, поставьте подвес на верхнюю площадку и убедитесь, что крестовина в разных положениях находится в равновесии.

2. Перед началом опыта научитесь пользоваться секундомером и выполнять правильно отсчёт по шкале линейки: отсчёты по шкале выполняются по нижнему срезу подвеса, закреплённого на нити; высота определяется как разность нижнего и верхнего отсчётов на шкале линейки;

3. Данные о размерах и массах см. на установках и ниже.

Наименование параметра	Обозначение	Номер установки
6А
Масса подвеса, г	m0	(92,0 ±0,1)
Масса дополнительного груза, г	m	(37,8 ±0,1)
Масса стержня, г	mст	(118 ±1)
Масса постоянного груза, г	mгр	(195 ±2)
Масса шкива, г	mшк	(116 ±1)
Малый радиус двухступенчатого шкива, см	r	(2,15 ±0,05)
Большой радиус двухступенчатого шкива, см	R	(4,0 ±0,1)
Длина стержня, см	lст	(54 ±0,2)
Расстояние от оси вращения до центра основного груза, см	b	(18,5±0,1)
Высота опускания груза, см	h	(51,0 ±0,1)

Прямые измерения выполняются следующим образом:

1) опустите подставку - подвес на нити вниз и установите первый груз

m ₁ = (m ₀+ m) г;

2) вращая втулку со стержнями рукой, поднимите груз на высоту h (см. на установке), при этом нить должна наматываться на малый радиус шкива справа, т.е. идти вертикально вверх на дополнительный блок;

3) опустите груз и одновременно включите секундомер, (отпуск груза осуществляется освобождением втулки, эту операцию вместе с включением секундомера должен делать один человек). Перед пуском груза проверьте, чтобы груз не раскачивался;

4) в момент опускания груза на упор (лёгкий удар) выключите секундомер и запишите время в табл. 1;

5) после короткой остановки груза на упоре нить на шкиве автоматически перебрасывается и груз начинает подниматься вверх, останавливаясь на высоте h 1 = (h - h *) см, где h *- отсчёт по шкале линейки (для нижнего среза подвеса на нити). Занесите значение h * в табл. 1;

6) в момент остановки на первом подъёме возьмитесь рукой за втулку, чтобы предотвратить дальнейшее вращение. Затем, поворачивая втулку рукой, перемотайте нить и снова поднимите груз на высоту h;

7) повторите опыт с одним и тем же грузом 10 раз, занося данные в

табл. 1;

8) следующие опыты проведите согласно указаниям табл. 1, увеличивая массу грузов на нити;

9) условия опытов для грузов с массами m_2, m_3, m₄ такие же, как для груза с массой m₁.

Таблица 1

Колич.	m1=mo+m	m2=mo+2m	m3=mo+3m	m4=mo+4m
измер. n	tк, с	h^*, см	tk, c	h^*, см	tk, c	h^*, см	tk, c	h^*, см

После завершения прямых измерений снимите грузы с подвеса на нити и уложите их в коробку.

5.2. Обработка результатов

5.2.1. По данным табл.1 найдите среднее значение времени спуска < t_к> и показаний шкалы линейки < h^* > при подъёме каждого груза.

5.2.2. Вычислите погрешность измерения времени спуска (для каждого груза), учитывая только случайную статистическую ошибку. Значения < t_k> и Dt занесите в табл.2.

5.2.3. Найдите высоту h₁ подъёма каждого груза:

< h₁>= h - <h^*>

и погрешность этого измерения, принимая, что начальный отсчёт h имеет постоянную ошибку Dh = 0,1 см. Погрешности измерения h^* найдите для каждого груза, учитывая случайную статистическую ошибку и систематическую ошибку шкалы D_пр = 0,1 см (ошибкой округления здесь пренебрегаем). Значения < h₁ > и Dh₁ занесите в табл.2.

При расчёте погрешностей руководствуйтесь методическим пособием

№100.

Таблица 2

масса   t(c), h1(м)	m1	m2	m3	m4
<tк >
Dt
<h1>
Dh1

5.2.4. Используя формулы из раздела 4.2, вычислите момент инерции стержневой части машины J_р, средние скорости грузов , средние кинетические энергии грузов Т_гр, вращающейся части машины Т_вр и полную кинетическую энергию Т_к для моментов спуска грузов с высоты Н. Рассчитайте потенциальные энергии П_о. Занесите результаты этих расчётов в табл. 3.

Таблица 3

Масса, г м/с,Т, Аs, к.п.д., П(Дж)	m1	m2	m3	m4
Тгр
Твр
Тк
По
Аs
к.п.д.

5.2.5. Найдите потери энергии A_s и к.п.д. машины при опускании грузов. Результаты занесите в табл.3.

5.2.6. Используя формулы из раздела 4.3 и данные таблиц 2 и 3, найдите потери энергии А_s1 и к.п.д. машины при подъёме грузов. Результаты занесите в табл. 4.

Таблица 4

Масса, г к.п.д., А s1(Дж)	m1	m2	m3	m4
A s1
к.п.д.

5.2.7. Постройте графики (рис.4) зависимостей к.п.д. и кинетической энергии Т_к по данным о спуске грузов (см. табл.3).

5.2.8. Вычислите время спуска и скорость в конце спуска каждого груза для идеальной машины Обербека при условии отсутствия потерь энергии (см. подраздел 4.4). Для сравнения с данными опыта составьте таблицу 5.

Таблица 5

t(c), м/с	Масса	m1	m2	m3	m4
о п	tк
ы т
р а с	t0k
ч ё т

5.2.9. Для одного из грузов (по указанию преподавателя) найдите погрешности определения скорости в конце спуска. Сравните результаты определения скорости с учётом найденной погрешности.

5.2.10. Для этого же груза найдите погрешность измерения коэффициента полезного действия (к.п.д.) машины Обербека.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ (ПРИМЕРНЫЕ)

6.1. Объяснить цель и методику выполнения эксперимента. Какие результаты получены способами прямых и косвенных измерений?

6.2. Понятие энергии. Общефизический закон сохранения энергии.

6.3. Потенциальные и непотенциальные силы. Понятие работы силы.

6.4. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии.

6.5. Потери механической энергии в реальных машинах. Понятие коэффициента полезного действия.

6.6. Объяснить виды потерь в машине Обербека. Дать анализ полученных в опыте результатов, в том числе - графических зависимостей.

6.7. Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия. Вывод формулы для расчёта такой потенциальной энергии вблизи поверхности Земли. Объясните, почему для расчётов потенциальной энергии вместо формулы (П-4), полученной в Приложении, используют более простое выражение: П = mgh.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

7.1. Савельев И.В. Курс общей физики.-М.: Наука. Гл.ред.физ-мат.лит., 1987-2004.-Т.1.

7.2. Савельев И.В. Курс общей физики.: 1т. С-Пб.: изд. «Лань», 2007.

7.3. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики.: Т.1, С-Пб, изд.»Лань», 2007.

7.4. Курс общей физики прод общ.ред. В.Н.Лозовского, С-Пб, изд.»Лань», 2007.

7.5. Трофимова Т.И. Курс физики, М., Высш.школа, 1999.

7.6. Бондырев Б.В., Спирин Г.Г. Курс общей физики, М. Высш.школа, 2005.

7.7. Терентьев А.Д. Введение в физику: основы физических измерений, Методическое пособие №100, КГТУ, 2006.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Дата добавления: 2015-11-26