Doświadczalne sprawdzenie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego za pomocą wahadła OBERBECKA.

Podobne dokumenty
PF11- Dynamika bryły sztywnej.

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyn i współczynnika sztywności zastępczej

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Doświadczalne badanie drugiej zasady dynamiki Newtona

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Bryła sztywna Zadanie domowe

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 13 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ. CZĘŚĆ 3

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Praca, moc, energia. 1. Klasyfikacja energii. W = Epoczątkowa Ekońcowa

Podstawy niepewności pomiarowych Ćwiczenia

Rys. 1Stanowisko pomiarowe

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI CIAŁ METODĄ WAHADŁA FIZYCZNEGO GRAWITACYJNEGO I SPRAWDZANIE TWIERDZENIA STEINERA ĆWICZENIE

m 0 + m Temat: Badanie ruchu jednostajnie zmiennego przy pomocy maszyny Atwooda.

Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Opis ćwiczenia. Cel ćwiczenia Poznanie budowy i zrozumienie istoty pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Henry ego Katera.

Wyznaczanie współczynnika sztywności sprężyny. Ćwiczenie nr 3

ĆWICZENIE 5. Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego przy pomocy wahadła matematycznego i fizycznego. Kraków,

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

KONKURS FIZYCZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW WOJEWÓDZTWA MAZOWIECKIEGO

PRZYRZĄD DO WPROWADZENIA POJĘCIA MOMENTU OBROTU I PARY SIŁ

(t) w przedziale (0 s 16 s). b) Uzupełnij tabelę, wpisując w drugiej kolumnie rodzaj ruchu, jakim poruszała się mrówka w kolejnych przedziałach czasu.

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

12 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ I. a=εr. 2 t. Włodzimierz Wolczyński. Przyspieszenie kątowe. ε przyspieszenie kątowe [ ω prędkość kątowa

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Bryła sztywna Przewodnik do rozwiązywania typowych zadań

Wyznaczanie prędkości lotu pocisku na podstawie badania ruchu wahadła balistycznego

Uwaga: Nie przesuwaj ani nie pochylaj stołu, na którym wykonujesz doświadczenie.

Wyniki pomiarów okresu drgań dla wahadła o długości l = 1,215 m i l = 0,5 cm.

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Bryła sztywna. Podręcznik dla uczniów

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Tutaj powinny znaleźć się wyniki pomiarów (tabelki) potwierdzone przez prowadzacego zajęcia laboratoryjne i podpis dyżurujacego pracownika obsługi

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Pracownia dydaktyki fizyki. Mechanika. Instrukcja dla studentów

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

PRACA Pracą mechaniczną nazywamy iloczyn wartości siły i wartości przemieszczenia, które nastąpiło zgodnie ze zwrotem działającej siły.

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

BADANIE STANÓW RÓWNOWAGI UKŁADU MECHANICZNEGO

BADANIE DRGAŃ TŁUMIONYCH WAHADŁA FIZYCZNEGO

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W KLASIE PIERWSZEJ GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Badanie ciał na równi pochyłej wyznaczanie współczynnika tarcia statycznego

Opis ruchu obrotowego

Drgania. O. Harmoniczny

T =2 I Mgd, Md 2, I = I o

02. WYZNACZANIE WARTOŚCI PRZYSPIESZENIA W RUCHU JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONYM ORAZ PRZYSPIESZENIA ZIEMSKIEGO Z WYKORZYSTANIEM RÓWNI POCHYŁEJ

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Lista zadań nr 6 Środek masy, Moment bezwładności, Moment siły (2h)

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

v 6 i 7 j. Wyznacz wektora momentu pędu czaski względem początku układu współrzędnych.

Ćwiczenie: "Ruch po okręgu"

Bąk wirujący wokół pionowej osi jest w równowadze. Momenty działających sił są równe zero (zarówno względem środka masy S jak i punktu podparcia O).

Ćwiczenie 1. Wyznaczanie gęstości cieczy za pomocą wagi Mohra, e-d mechanika cieczy

Plan wynikowy fizyka rozszerzona klasa 3a

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI BRYŁY METODĄ DRGAŃ SKRĘTNYCH

Kołowrót -11pkt. 1. Zadanie 22. Wahadło balistyczne (10 pkt)

R o z d z i a ł 4 MECHANIKA CIAŁA SZTYWNEGO

? 14. Dana jest funkcja. Naszkicuj jej wykres. Dla jakich argumentów funkcja przyjmuje wartości dodatnie? 15. Dana jest funkcja f x 2 a x

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

We wszystkich zadaniach przyjmij wartość przyspieszenia ziemskiego g = 10 2

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Dopasowanie prostej do wyników pomiarów.

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Ćw. nr 1. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

SZCZEGÓŁOWE CELE EDUKACYJNE

Zadanie 18. Współczynnik sprężystości (4 pkt) Masz do dyspozycji statyw, sprężynę, linijkę oraz ciężarek o znanej masie z uchwytem.

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

ZASADY DYNAMIKI NEWTONA

Mechanika. Wykład nr 2 Wypadkowa dowolnego układu sił. Równowaga. Rodzaje sił i obciążeń. Wyznaczanie reakcji.

Równania prostych i krzywych; współrzędne punktu

nawinięty był na części wahadła o średnicy 15 mm. Ciężarek po upuszczeniu przebył drogę 0,5 m w czasie 2,5 s.

13. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK ORAZ PRZEŁOŻENIA UKŁADU KIEROWNICZEGO

E-doświadczenie wahadło matematyczne

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Ekpost=mv22. Ekobr=Iω22, mgh =mv22+iω22,

Dynamika ruchu obrotowego

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

ODLEGŁOŚĆ NA PŁASZCZYŹNIE - SPRAWDZIAN

Zagadnienia na egzamin poprawkowy z matematyki w klasie III zsz. 5. Statystyka-średnia arytmetyczna, średnia ważona, mediana, dominanata.

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Wyznaczanie składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi za pomocą busoli stycznych

Ruch Demonstracje z kinematyki i dynamiki przeprowadzane przy wykorzystanie ultradźwiękowego czujnika połoŝenia i linii powietrznej.

Sprawozdanie Ćwiczenie nr 14 Sprężyna

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Test powtórzeniowy nr 1

Wektor położenia. Zajęcia uzupełniające. Mgr Kamila Rudź, Podstawy Fizyki.

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

Transkrypt:

Dowiadczalne sprawdzenie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego za pomocą wahadła OBERBECKA. Wprowadzenie Wahadło Oberbecka jest bryłą sztywną utworzoną przez tuleję (1) i cztery identyczne wkręcone w nią pręty stalowe (2). Pręty tworzą prostokątny, równoramienny krzyżak, który może się obracać dookoła osi, przechodzącej przez punkt przecięcia się ramion i prostopadłej do płaszczyzny przez nie wyznaczonej (o l). Tuleja, wyposażona na końcach w łożyska kulkowe, jest osadzona obrotowo na stalowej osi, którą można umocować (za pomocą odpowiedniego łącznika) na pręcie statywu (3). Na pręty wahadła nakładać można obciążniki (4) zaopatrzone w ruby zaciskowe. Obciążniki te można je przesuwać na prętach i unieruchamiać w dowolnej odległoci od osi obrotu, co pozwala zmieniać wartoć momentu bezwładnoci wahadła. Tuleja posiada jedno lub dwa wgłębienia, które spełniają rolę bloczków, na które nawija się żyłka w czasie dowiadczenia. Żyłkę przywiązuje się do haczyków na bloczkach mniejszych lub zaczepia w otworze na boku większego bloczka. Na drugim końcu zawiesza się ciężarki (5). Prawidłowo działające wahadło zostaje wprawione w ruch obrotowy pod wpływem ciężarka 0,5 N, gdy obciążniki są ustawione na końcach prętów krzyżaka, a wahadło ma równowagę obojętną. 2 2 3 4 4 Zgodnie z drugą zasadą dynamiki ruchu obrotowego, przyspieszenie kątowe bryły sztywnej obracającej się wokół stałej osi jest wprost proporcjonalne do wypadkowego momentu sił działających na bryłę (liczonego względem osi obrotu) i odwrotnie 1 l proporcjonalne do momentu bezwładnoci bryły (liczonego względem tej samej osi obrotu). 4 4 2 2 5 Jeżeli wszystkie pręty (2) są takie same i obciążniki (4) o identycznych masach zostaną umieszczone w tej samej odległoci od osi obrotu, to momenty siły pochodzących od ciężarów tych częci wahadła równoważą się wzajemnie. Momenty sił pochodzących od ciężaru tulei (1) i siły reakcji po umocowaniu wahadła do statywu, mają wartoci zerowe, gdyż kierunki działania tych sił przechodzą przez o obrotu. Zatem jedynym niezerowym momentem siły jest ten, który pochodzi od ciężaru (5), o ile moment sił tarcia w łożysku można zaniedbać (tzn. gdy jego wartoć jest wielokrotnie mniejsza od momentu pochodzącego od ciężaru opadającego ). Jeżeli rednica tej częci tulei, na której jest nawinięta żyłka wynosi, to wartoć momentu siły pochodzącego od (5) o masie wyraża zależnoć: Dowiadczalne badanie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego - przewodnik do ćwiczenia Strona 1

Moment bezwładnoci wahadła jest sumą momentów bezwładnoci pochodzących od tulei, prętów (2) i obciążników (4). Opis sposobu przeprowadzenia dowiadczenia D1. Wyznaczanie przyspieszenia kątowego wahadła i przyspieszenia liniowego opadającego. Zmierz za pomocą suwmiarki rednicę tulei, na której nawinięta jest żyłka. Zapisz wynik pomiaru w tabeli 1. Jeżeli w chwili początkowej obciążnik (5) był nieruchomy i znajdował się na wysokoci na podłożem, to po jego puszczeniu, zacznie się on opadać ruchem jednostajnie przyspieszonym. Z kolei wahadło zacznie się obracać ruchem jednostajnie przyspieszonym. Mierząc czas ruchu (5), szukaną wartoć przyspieszenia liniowego można wyznaczyć następująco: Wartoć przyspieszenia kątowego można wyznaczyć ze wzoru: Zmierz początkową odległoć użytego od podłogi (pomiar nr 1). Następnie, przy ustalonej masie (5) i stałym rozkładzie mas obciążników (4) na prętach (2), zmierz pięciokrotnie czas opadania (5). Wartoć każdego z pomiarów czasu zaokrąglij do 0,1 sekundy. Zmień początkową odległoć od podłogi i powtórz pomiary czasu opadania (pomiary nr 2 i 3). Wyniki pomiarów zamieć w tabeli 1. D2. Badanie zależnoci przyspieszenia kątowego wahadła od wypadkowego momentu sił działających na wahadło. Z drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego wynika, że wartoć przyspieszenia kątowego bryły jest wprost proporcjonalna do wypadkowego momentu sił działających na bryłę liczonego względem osi obrotu. To znaczy: Aby zbadać powyższą zależnoć należy dla ustalonego, stałego momentu bezwładnoci wahadła (jednakowej odległoci obciążników (4) od osi obrotu wahadła) i ustalonej, stałej odległoci (5) od podłoża, zmieniać wartoć momentu siły pochodzącego od ciężaru (4). Wartoć przyspieszenia kątowego można wyznaczyć w sposób opisany powyżej. Dlatego wartoć tego przyspieszenia będzie dana wzorem: Dowiadczalne badanie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego - przewodnik do ćwiczenia Strona 2

Wartoć zmienianego momentu wypadkowego sił działających na wahadło (przy zaniedbaniu momentu sił tarcia w łożyskach) dana jest w rozpatrywanej sytuacji zależnocią: Dowiadczenie należy wykonać dla pięciu różnych mas opadających obciążników, przy zachowaniu stałego momentu bezwładnoci wahadła i stałej odległoci (5) od podłogi. Dla każdej z użytych mas wykonujemy trzy pomiary czasu opadania. Wyniki pomiarów zamieszczamy w tabeli 2. Opracowanie wyników pomiarów D1 1. Oblicz redni czas ruchu w dół dla każdej z jego początkowej odległoci (wysokoci) od podłogi. Wartoci te zapisz w tabeli 1. Za maksymalną niepewnoć bezwzględną redniego czasu ruchu przyjmij największe odchylenie od wartoci redniej (dla każdej z odległoci oddzielnie!). Obliczone wartoci maksymalnych niepewnoci pomiaru czasu zamieć w sprawozdaniu. 2. Oblicz wartoci redniego przyspieszenia liniowego opadającego i redniego przyspieszenia kątowego wahadła. Posłuż się wzorami: Przyjmij, że maksymalna niepewnoć pomiaru rednicy tulei stanowi 2% zmierzonej wartoci, natomiast niepewnoć bezwzględna pomiaru odległoci od podłoża wynosi 2 cm (. Oblicz wartoci maksymalnej niepewnoci bezwzględnej pomiaru obu przyspieszeń - zaokrąglij te wartoci do drugiej cyfry znaczącej. Dopiero teraz zaokrąglij wyznaczone na podstawie dowiadczenia wartoci rednie obu przyspieszeń. Zapisz te wartoci w tabeli 1. Obliczone wartoci maksymalnych niepewnoci pomiaru zamieć w sprawozdaniu. 3. Sprawdź czy przedziały wartoci wyznaczonych dowiadczalnie przyspieszeń liniowych mają częć wspólną. Jeżeli tak, to o czym to wiadczy? Sprawdź to także dla wyznaczonych przedziałów wartoci przyspieszeń kątowych. Czy można było wnioskować przed przeprowadzeniem dowiadczenia, że tak będzie - uzasadnij swoją odpowiedź. Dowiadczalne badanie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego - przewodnik do ćwiczenia Strona 3

Opracowanie wyników pomiarów D2 1. Zmierz ustaloną dla wszystkich pomiarów początkową odległoć obciążników od podłoża. Załóż, że wartoć maksymalnej niepewnoci bezwzględnej pomiaru odległoci od podłoża wynosi 2 cm (. Ponadto przyjmij, że masa każdego z użytych obciążników ma maksymalną niepewnoć bezwzględną o wartoci równej 4% jego masy, natomiast niepewnoć bezwzględną wartoci przyspieszenia ziemskiego wynosi ; przy czym. Jeżeli użyta została ta sama częć tulei, na której nawinięta jest żyłka, to wykorzystaj wczeniejsze pomiary. W przypadku użycia innej częci tulei wykonaj pomiar jej rednicy. 2. Oblicz redni czas ruchu w dół dla każdej z mas użytych obciążników. Wartoci te zapisz w tabeli 2. Za maksymalną niepewnoć bezwzględną redniego czasu ruchu przyjmij największe odchylenie od wartoci redniej (dla każdej z mas oddzielnie!). 4. Oblicz wartoci redniego przyspieszenia kątowego wahadła dla każdej z użytych mas. Posłuż się wzorami: Przyjmij, że maksymalna niepewnoć pomiaru rednicy tulei stanowi 2% zmierzonej wartoci, nato miast niepewnoć bezwzględna pomiaru odległoci od podłoża wynosi 2 cm (. Oblicz wartoci maksymalnej niepewnoci bezwzględnej pomiaru przyspieszenia kątowego - zaokrąglij te wartoci do drugiej cyfry znaczącej. Dopiero teraz zaokrąglij wyznaczone na podstawie dowiadczenia wartoci tego przyspieszenia. Zapisz te wartoci w tabeli 2. Obliczone wartoci maksymalnych niepewnoci pomiaru przyspieszeń kątowych zamieć w sprawozdaniu. 5. Oblicz wartoć wypadkowego momentu sił działających na wahadło dla każdej z użytych mas. Wykorzystaj zależnoć: Oblicz wartoci maksymalnej niepewnoci bezwzględnej pomiaru każdego z momentów sił - zaokrąglij te wartoci do drugiej cyfry znaczącej. Dopiero teraz zaokrąglij wyznaczone na podstawie dowiadczenia wartoci tych momentów sił. Zapisz te wartoci w tabeli 2. Obliczone wartoci maksymalnych niepewnoci pomiaru zamieć w sprawozdaniu. Dowiadczalne badanie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego - przewodnik do ćwiczenia Strona 4

6. Narysuj wykres zależnoci: Wyskaluj odpowiednio osie układu współrzędnych. Nanie wszystkie punkty pomiarowe oraz narysuj ich prostokąty niepewnoci. Poprowadź prostą najlepszego dopasowania. Metodą graficzną wyznacz wartoć współczynnika kierunkowego tej prostej oraz wartoć jego maksymalnej niepewnoci bezwzględnej. 7. Jaki jest sens fizyczny wyznaczonej wartoci współczynnika kierunkowego prostej. Korzystając z jego wartoci oblicz wartoć momentu bezwładnoci wahadła oraz wartoć maksymalnej niepewnoci bezwzględnej momentu bezwładnoci. Dowiadczalne badanie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego - przewodnik do ćwiczenia Strona 5

Tabela 1. Dowiadczalne wyznaczanie przyspieszenia liniowego i przyspieszenia kątowego. Numer pomiaru Początkowa odległoć od podłogi Zmierzony czas spadania Średni czas opadania Wyznaczona na podstawie dowiadczenia wartoć przyspieszenia liniowego Wyznaczona na podstawie dowiadczenia wartoć przyspieszenia kątowego Stałe dane wyjciowe ----- 1. j=4 Masa użytego : m =... g =... kg j=5 2. j=4 Średnica tulei, na której nawinięta jest żyłka: d =... mm =... m 3. j=5 j=4 Odległoć obciążników na prętach wahadła od tulei, w której są zamocowane pręty: l =... cm j=5 Dowiadczalne badanie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego - przewodnik do ćwiczenia Strona 6

Tabela 2. Dowiadczalne badanie zależnoci przyspieszenia kątowego wahadła od wypadkowego momentu sił działających na wahadło. Numer pomiaru Masa opadającego Zmierzony czas spadania Średni czas opadania Wyznaczona na podstawie dowiadczenia wartoć przyspieszenia kątowego Wartoć Wypadkowego momentu sił działających na wahadło Stałe dane wyjciowe ----- 1. Średnica tulei, na której nawinięta jest żyłka: 2. d =... mm =... m 3. Odległoć użytych obciążników od podłoża (wysokoć położenia początkowego) h =... cm 4. 5. Odległoć obciążników na prętach wahadła od tulei, w której są zamocowane pręty: l =... cm Dowiadczalne badanie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego - przewodnik do ćwiczenia Strona 7