Описание установки и метода измерений

Автономная некоммерческая организация высшего образования

«СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Дисциплина: " Физика "

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ (ПРАКТИЧЕСКОЙ) РАБОТЕ

Упругий удар

Ф.И.О. студента Куриков Андрей Андреевич

(Фамилия, Имя, Отчество полностью)

Направление подготовки:

13.03.02. « Электроэнергетика и электротехника.»

Шифр студента:150082

Дата выполнения работы 28.12.2015г.

(число, месяц, год)

Руководитель работы:

доктор технических наук, профессор Цаплев Валерий Михайлович

 

(Ф.И.О. преподавателя)

Санкт-Петербург

2015 г.

Тема: Определение силы и продолжительности упругого удара.

Цель работы: определить силу и продолжительность упругого удара.

Используемые материалы: компьютерная модель физического явления, разработанная средствами визуального проектирования Visual Basic.

 

Описание установки и метода измерений

Рассмотрим удар металлического шарика о неподвижную металлическую массивную стену. Согласно второго закона Ньютона,

, (1)

где, F – средняя сила удара, t – продолжительность удара, m – масса шарика, v и u – скорости шарика соответственно до (непосредственно перед соприкосновением тел) и после удара.

Если считать шарик и металлическую плиту абсолютно упругими телами и учесть, что масса плиты значительно больше массы шарика и что плита неподвижна, то по законам механики (закон сохранения энергии и закон сохранения импульса) скорости шарика v и u будут равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. В этом случае уравнение (1) примет вид

,

Откуда

, (2)

Скорость шарика в начальный момент удара определяется по известному закону физики

, (3)

где g – ускорение свободного падения, h – высота падения шарика (рис. 1).

Длину отрезка АВ можно получить из прямоугольного треугольника АВС: . Следовательно,

.

Подставим значение h в формулу (3), получим расчётную формулу для скорости

. (4)

Продолжительность удара t определяется методом баллистического гальванометра. Как известно из теории, угол поворота рамки гальванометра и связанный с ним, так называемый баллистический отброс светового зайчика по шкале пропорциональны количеству электричества q, протекающему через рамку (подвижную катушку) гальванометра:

, (5)

где – постоянная гальванометра, n – максимальный отброс гальванометра.

Электрическая цепь гальванометра составлена так, что она замыкается только на время соприкосновения шарика с плитой, т.е. на время, равное продолжительности удара. В этом случае через гальванометр пройдет количество электричества

, (6)

где .

Решив уравнение (5) и (6) относительно t, получим

.

По закону Ома для полной цепи

,

где E – величина ЭДС, R – полное сопротивление цепи гальванометра.

Тогда

. (7)

Схема реальной экспериментальной установки приведена на рис.2. Установка состоит из металлического шарика, подвешенного на тонкой проволоке, металлической плиты П, укрепленной на стене, баллистического гальванометра G, магазина сопротивлений R, источника питания E, ключа K и шкалы Ш.

Работа выполняется следующим образом. Шарик отводят на некоторый угол, замыкают ключ K и отпускают шарик. После отскока шарика от плиты ключ К размыкают. Таким образом, электрическая цепь окажется замкнутой только на время удара, то есть время протекания тока по цепи равно продолжительности удара. Заряд q, протекший по цепи за время удара, измеряется баллистическим гальванометром (измеряется максимальный отброс гальванометра n).

Ход выполнения лабораторной работы:

1. Выберем угол отклонения шарика (от 0⁰ до 45⁰).

2. Выберем величину сопротивления цепи (от 50 Ом до 100 Ом).

3. Щелкнем на кнопке ПУСК. При этом шарик ударяется о плиту и отскакивает. Показания гальванометра увеличиваются и достигают максимального значения и затем уменьшаются. Заметим максимальный отброс гальванометра.

4. В поле ВЫВОД РЕЗУЛЬТАТОВ отображаются значения максимального отброса n, силы удара F и продолжительности удара t.

5. По измеренному значению n вычислим продолжительность удара по формуле (7), скорость шарика по формуле (4) и затем силу удара по формуле (2).

6. Для расчета используем следующие данные:

Масса шарика – кг.

Длина подвеса – м.

Ускорение свободного падения – м/с².

ЭДС источника – В.

Постоянная гальванометра – Кл/дел.

Угол отклонения шарика - .

Сопротивления цепи - Ом.

7. Все результаты измерений и расчетов занесем в таблицу 1.

8. Для учета погрешности выполним измерения при одном угле отклонения несколько раз.

 

Таблица 1. Результаты измерений и расчетов

№ опыта	n	t, с	, м/с	F, Н
	140,8		4,1	1816,9
	139,4		4,1	1836,0
	138,8		4,1	1843,0
среднее	139,7			1832,0

 

Вычислим погрешность измерения F:

Вывод: во время выполнения лабораторной работы мы научились определять силу и продолжительность упругого удара. Проведя три опыта на компьютерной модели мы получили результаты с небольшой погрешностью, следовательно, данная модель является рабочей для вычисления силы и продолжительности упругого удара при разных углах отклонения и диапазонах сопротивления цепи.