Кинематика и динамика поступательного движения
Изучение кинематики и динамики поступательного движения на машине Атвуда. Изучение вращательного движения твердого тела. Определение момента инерции махового ко-леса и момента силы трения в опоре. Изучение физического маятника.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | методичка |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.03.2007 |
| Размер файла | 1,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
. (6.2)
Соотношения (6.1) и (6.2) дают
. (6.3)
Высоту подъема центра масс маятника можно определить из рис. 13:
,
где R-расстояние от шкалы с миллиметровыми делениями до уровня подвеса маятника.
Учитывая, что hR, получаем: 2Rh = s2. Определяя отсюда h и подставляя в (6.3), получаем рабочую формулу метода
. (6.4)
Для определения скорости пули можно применить модифицированный баллистический метод, используя физический маятник в виде стержня или деревянной рейки, подвешенной за один конец (рис. 14).
Пуля, ударившись о линейку, приводит её в движение с некоторой угловой скоростью и сообщает ей кинетическую энергию
. (6.5)
Момент инерции линейки (стержня) находится по стандартной формуле
. (6.6)
После удара линейка поворачивается на некоторый угол, причем центр ее тяжести поднимается на высоту h, которую, как и в первом опыте, можно найти из соотношений в треугольниках
. (6.7)
По закону сохранения энергии
. (6.8)
К удару пули о линейку можно также применить закон сохранения момента импульса
, (6.9)
где M - масса линейки, m -масса пули, l - длина линейки, R - расстояние от точки удара пули до оси вращения линейки.
Соотношения (6.5) - (6.9) позволяют получить окончательную формулу для вычисления скорости пули (вывод рабочей формулы выполнить самостоятельно). При выводе можно считать, что l R , т. к. выстрел обычно производиться в точку, расположенную вблизи конца линейки.
Экспериментальная установка
Используемый в данной работе баллистический маятник представляет собой обрезок трубы с пластилином, подвешенный на четырех нитях. В нижней части маятника укреплен визир. При перемещении маятника визир передвигает измерительную планку вдоль горизонтальной миллиметровой шкалы, что позволяет измерить смещение s. На некотором расстоянии от маятника укреплено пневматическое ружьё. При выстреле скорость пули направлена по прямой, проходящей через центр тяжести маятника и перпендикулярно к оси его вращения.
Для второго опыта деревянную линейку подвешивают на оси. Выстрел производиться в коробочку с пластилином, укрепленную на конце линейки.
Проведение эксперимента
Задание 1. Определение скорости пули с помощью баллистического маятника
Измерения
1. Знакомятся с конструкцией прибора, учатся пользоваться пневматическим ружьем.
2. Записывают исходные данные опыта: массу маятника М и расстояние R. Для выстрелов желательно использовать одну и ту же пулю, масса которой вместе с погрешностью ее измерения известны.
3. Производят 3 - 5 выстрелов. В каждом опыте записывают смещение s. Все полученные данные заносят в таблицу 6.1 отчета.
Обработка результатов
1. Расчет скорости пули проводится по формуле (6.4), в которую подставляется среднее по всем опытам значение s.
2. Выводят формулу для расчета погрешности измерения скорости пули. В качестве погрешностей измерения входящих в формулу масс берут заданные погрешности М и m. Погрешность R выбирают, исходя из условия измерения величины R. Инструментальная погрешность измерения смещения s равна s = 0,5 мм.
Задание 2. Определение скорости пули с помощью физического маятника.
Измерения и обработка результатов
Баллистический маятник отводят в сторону и укрепляют на оси линейку. Методика проведения опыта аналогична той, которая используется в задании 1. Все данные заносят в таблицу 6.2. отчета.
В отчете необходимо представить рабочую формулу и формулу для расчета погрешности v.
В выводе необходимо сравнить результаты, полученные в первом и втором задании.
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА
Цель работы
Изучение основных закономерностей колебательного движения физического маятника.
Идея эксперимента
В эксперименте исследуется физический маятник, представляющий собой прямой стержень, колеблющийся вокруг осей, расположенных на разном расстоянии от центра тяжести стержня.
Теория
Колебания являются одним из наиболее распространенных видов движения. При достаточно малых отклонениях от положения равновесия колебания бывают обычно гармоническими.
Физическим маятником называется твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси О, не проходящей через центр масс С тела (рис. 15).
Если маятник выведен из положения равновесия на некоторый угол , то составляющаясилы тяжести уравновешивается силой реакции оси О, а составляющая стремится возвратить маятник в положение равновесия. Все силы приложены к центру масс тела. При этом
. (7.1)
Знак минус означает, что угловое смещение и возвращающая сила имеют противоположные направления. При достаточно малых углах отклонения маятника
из положения равновесия sin , поэтому F -mg. Поскольку маятник в процессе колебаний совершает вращательное движение относительно оси О, то оно может быть описано основным законом динамики вращательного движения
, (7.2)
где М - момент силы F относительно оси О, J - момент инерции маятника относительно оси О, - угловое ускорение маятника.
Момент силы в данном случае равен
M = Fl = -mgl , (7.3)
где l - расстояние между точкой подвеса и центром масс маятника.
С учетом (7.2) уравнение (7.1) можно записать в виде
(7.4)
или
, (7.5)
где
Решением дифференциального уравнения (7.5) является функция
=0cos(0t+) , (7.6)
позволяющая определить положение маятника в любой момент времени t. Из выражения (7.6) следует, что при малых колебаниях физический маятник совершает гармонические колебания (колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по законам синуса или косинуса) с амплитудой колебаний 0, циклической частотой , начальной фазой и периодом
, (7.7)
где L = J/(mg) - приведенная длина физического маятника, т.е. длина такого математического маятника, период которого совпадает с периодом физического маятника.
Формула (7.7) позволяет определить момент инерции твердого тела относительно любой оси, если измерен период колебаний этого тела относительно этой оси.
Если физический маятник имеет правильную геометрическую форму и его масса равномерно распределена по всему объему, в формулу (7.7) можно подставить соответствующее выражение для момента инерции (Приложение 3). Например, для физического маятника, имеющего вид однородного стержня, колеблющегося вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной стержню, формула (7.7) приобретает вид
, (7.8)
где d - длина стержня, l - расстояние от оси качаний до центра тяжести стержня.
Экспериментальная установка
Применяемый в данной работе физический маятник состоит из однородного металлического стержня и опорной призмы, которая может перемещаться вдоль стержня. Можно также использовать стержень с отверстиями, с помощью которых маятник одевается на горизонтальную ось. Период колебаний маятника измеряется с помощью ручного или стационарного секундомера.
Проведение эксперимента
Задание 1. Изучение зависимости периода колебаний физического маятника от расстояния между осью качаний и центром тяжести маятника.
Измерения
Измеряют периоды колебаний Т физического маятника при различных расстояниях l между центром тяжести и осью качаний. Шаг изменения расстояния l выбирают с таким расчетом, чтобы получить 8-10 экспериментальных точек. Число колебаний в каждом опыте 15-20. Полученные данные заносят в таблицу 7.1 отчета.
Обработка результатов
1. Вычисляют периоды колебаний маятника во всех опытах.
2. Строят график зависимости периода колебаний маятника от расстояния l.
3. График T = f(l) представляет собой кривую сложной формы. Для дальнейшей обработки его следует линеаризировать. В качестве новых переменных выбирают Т2l и l2, т. е. строят график зависимости (Т2l) = f(l2). Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом, то можно сделать вывод о правильности формулы периода колебаний физического маятника.
4. Производят обработку результатов с помощью метода наименьших квадратов (МНК).
5. Используя полученное уравнение прямой, находят величины и . Вычисляют погрешности измерения этих величин.
6. Вычисляют ускорение свободного падения g и погрешность его измерения.
7. Вычисляют длину стержня d и погрешность её измерения. Для вычисления используют раннее полученное значение g и погрешность его измерения.
8. Сравнивают полученное значение g с табличным значением, а величину d c длиной стержня. Делают вывод о точности проделанных измерений.
9. Для случая, когда расстояние l имеет наибольшее значение, вычисляют приведенную длину физического маятника.
Задание 2. Определение моментов инерции тел различной формы методом колебаний.
1. Из набора тел к работе берут (по указанию преподавателя) одно и измеряют период его колебаний относительно произвольной оси.
2. С помощью формулы (7.7) вычисляют момент инерции тела относительно оси качаний.
3. Производят необходимые геометрические измерения и, зная массу тела, вычисляют момент инерции тела относительно центра масс. С помощью теоремы Гюйгенса - Штейнера рассчитывают момент инерции тела относительно оси, проходящей через ось качаний. Измеренный и вычисленный результаты сравнивают в выводе.
ИЗУЧЕНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА
Цель работы
Изучение основных закономерностей колебательного движения математического маятника.
Идея эксперимента
В эксперименте исследуется колебательное движение груза, подвешенного на длинной нити. Соотношение его элементов таково, что этот физический маятник с достаточной степенью точности может считаться моделью математического маятника.
Теория
Маятник - тело, совершающее колебательное движение под действием квазиупругой
силы. Простейший маятник - массивный груз на подвесе. Если подвес нерастяжим, размеры груза пренебрежимо малы по сравнению с длиной подвеса и масса нити пренебрежимо мала по сравнению с массой груза, то груз можно рассматривать как материальную точку, находящуюся на неизменном расстоянии l от точки подвеса О. Такой маятник называется математическим.
На маятник действуют силы: натяжения нити и тяжести , которые в положении равновесия компенсируют друг друга. Для возбуждения колебаний маятник выводят из положения равновесия (рис.16). Теперь и маятник обладает избыточной потенциальной энергией mgh по отношению к положению равновесия. Эта энергия обуславливает колебание, происходящее по окружности и описываемое основным уравнением динамики вращательного движения
, (8.1)
где - результирующий вращающий момент, - угловое ускорение, J = ml2 - момент инерции шарика относительно оси ОО, проходящей через точку подвеса О, перпендикулярно плоскости колебаний (плоскости чертежа). Результирующий момент силы натяжения нити и силы тяжести равен
. (8.2)
Тогда
. (8.3)
Угол - вектор, направленный от читателя вглубь, так как отсчет угла ведется по часовой стрелке. Векторы направлены по оси вращения.
Спроецируем выражение (8.3) на ось ОО. Примем за положительное направление оси направление вектора . Тогда
, (8.4)
где - радиус-вектор точки, модуль которого равен длине подвеса .
Очевидно, что угол , а угол . Тогда
. (8.5)
Или, так как
. (8.6)
Для достаточно малых углов sin, тогда
, (8.7)
где .
Решение уравнения (8.7) представляет собой гармоническую функцию, соответствующую гармоническому колебанию
, (8.8)
где 0 - амплитуда, 0 - частота так называемых собственных колебаний, 0 - начальная фаза.
Мы видим, что 0 оказывается циклической частотой этого колебания с периодом
. (8.9)
Решение уравнения (8.6) сложнее и представляет собой колебание с непрерывно изменяющейся частотой, которой соответствует период
. (8.10)
Экспериментальная установка
Используемый маятник - шарик на бифилярном (двойном) подвесе. (рис. 17). Прибор состоит из горизонтальной планки Г, прикрепленной к стене, вертикальной шкалы Ш, подвеса П с шариком и устройства У для изменения длины маятника. Вверху прибора может быть укреплен транспортир для отсчета углов
отклонения маятника. Кроме того, угол может задаваться по первоначальному отклонению маятника: . Маятник может быть снабжен таймером, который позволяет отсчитывать время некоторого заранее заданного числа колебаний.
Проведение эксперимента
Задание 1. Проверка независимости периода колебаний математического маятника от амплитуды при малых углах отклонения
Измерения и обработка результатов
Согласно теории период колебаний математического маятника практически не зависит от амплитуды колебаний при углах отклонения менее 5 - формула (8.10). Во всяком случае, эта зависимость лежит за пределами точности измерений периода в нашем опыте - 0, 01 с. При малых углах отклонения оказывается справедливой формула (8.9). Это утверждение и подлежит проверке в данном задании.
1. Измеряют период колебаний математического маятника при постоянной длине ( 2 м) и массе маятника при углах отклонения 1, 2, 3,4и 5. Число колебаний выбирают равным 15-20. Данные заносят в таблицу 8.1 отчета.
2. Вычисление периода колебаний производят с точностью до 0,001 секунды. Если различие в периоде колебаний не превышает 0,01 с, то можно сделать вывод о практической независимости периода колебаний математического маятника от амплитуды при малых углах отклонения.
Задание 2. Проверка зависимости периода колебаний математического маятника от амплитуды при углах отклонения, больших 5.
1. Измеряют период колебаний математического маятника при постоянной длине ( 2 м) и массе маятника при больших углах отклонения от 5 до 60 с шагом 5 . Число колебаний выбирают равным 15-20. Вычисляют период колебаний с точностью до 0,001 с. Данные заносят в таблицу 8.2 отчета.
2. С помощью формулы (8.10) , используя два первых члена формулы, вычисляют теоретические значения периодов колебания математического маятника при заданной длине маятника и выбранных углах.
3. На одном графике строят теоретическую и экспериментальную зависимости периодов колебаний математического маятника от угла отклонения. Обе кривые должны если не совпадать, то, во всяком случае, иметь одинаковый ход. В выводе надо объяснить некоторое несовпадение двух кривых.
Задание 3. Проверка независимости периода колебаний математического маятника от его массы.
1. Для проверки необходимо использовать тела разной массы, но имеющие одинаковые размеры и форму, что позволяет считать силу сопротивления воздуха во всех опытах одинаковой. При этом тела не обязательно должны иметь шарообразную форму. Угол отклонения маятника из положения равновесия не должен превышать 5.
Задание 4. Изучение зависимости периода колебаний математического маятника от его длины и определение ускорения свободного падения.
1. Подвешивают на нити стальной шар. Длину подвеса изменяют в пределах от 0,8 до 2,5 м с шагом приблизительно 20 см. Число колебаний в каждом опыте 20-30. Полученные данные заносят в таблицу 8.4 отчета. Угол отклонения маятника из положения равновесия не должен превышать 5.
2. Зависимость Т=f(l) нелинейная. Поэтому для удобства экспериментальной проверки эту зависимость следует линеаризировать. Для этого можно, например, построить график зависимости квадрата периода колебаний от длины маятника. Если экспериментальные точки ложатся на прямую с небольшим разбросом, то можно сделать вывод о выполнении формулы (8.9).
3. Для определения с помощью полученного графика ускорения свободного падения сначала необходимо получить точное уравнение экспериментальной прямой. Для этого
применяют метод наименьших квадратов (МНК). Находят угловой коэффициент прямой, т.е. значение коэффициента k в полученном уравнении. Вычисляют ускорение свободного падения.
По формулам МНК определяют погрешность измерения g.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА
Цель работы
Изучение метода оборотного маятника для определения ускорения свободного падения.
Идея эксперимента
Применение оборотного маятника основано на свойстве сопряженности центра качания и точки подвеса. Это свойство заключается в том, что во всяком физическом маятнике можно найти такие две точки, что при последовательном подвешивании маятника за ту или другую из них период колебаний его остается одним и тем же. Расстояние между этими точками определяет собой приведенную длину данного маятника.
Теория и описание экспериментальной установки
Если амплитуда физического маятника мала, то период его колебаний определяется формулой
, (9.1)
где J - момент инерции физического маятника относительно оси качания, l1 -расстояние между осью качания и центром тяжести маятника, m - масса маятника.
По теореме Гюйгенса-Штейнера
, (9.2)
где J0 - момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести и параллельной оси качаний, а величины J, m и l1 те же, что и в формуле (9.1).
Если последовательно подвешивать маятник в двух точках, то периоды его колебаний определяются уравнениями
(9.3)
Отсюда имеем
(9.4)
Для величины ускорения свободного падения из последней формулы после преобразований получаем уравнение, данное Бесселем:
, (9.5)
где l=l1+l2 -приведенная длина маятника.
Если периоды равны между собой (T1=T2=T), уравнение принимает вид
(9.6)
Добиться полного равенства периодов нелегко. Формула Бесселя позволяет достаточно просто и с неменьшей степенью точности определить величину ускорения при приближенном равенстве периодов колебаний.
Пусть T1 и Т2 близки друг к другу, а величины а1 и а2 сильно отличаются одна от другой. В этом случае, как видно из формулы (9.5), нет необходимости определять величины а1 и а2 с большой степенью точности (не точнее чем 1 мм).
Оборотные маятники имеют различную форму. Они обычно состоят из металлического стержня длиной свыше 1 м. По стержню могут передвигаться и закрепляться тяжелые и легкие чечевицы (грузы) и опорные призмы.
Проведение эксперимента
Измерения и обработка результатов.
1. Готовят оборотный маятник к измерениям. Опорные призмы рекомендуется расположить на расстояниях 20 - 25 см от концов маятника. Подвижную чечевицу последовательно перемещают с шагом 1-2 см от конца маятника к призме П2. В отчете выполняют чертеж маятника с указанием всех размеров, определяющих геометрию маятника.
2. Маятник приводят в колебание на опорной призме П1 и определяют период колебаний Т1. Измерение периода проводят, беря не менее 10 колебаний. Угловая амплитуда колебаний не должна превышать 4.
3. Меняют ось колебаний, подвешивая маятник на другой призме. Проводят измерения периода Т2.
4. Перемещают чечевицу А2. Снова измеряют периоды колебаний на призмах П1 и П2. И т. д. Данные измерений заносят в таблицу 9.1 отчета.
5. По полученным данным строят графики зависимостей Т1 = f1(d) и Т2 = f2(d), где d - расстояние от призмы П2 до подвижной чечевицы. Точка пересечения кривых определяет такое положение чечевицы А2, при котором значения периодов наиболее близки.
6. Для найденного положения чечевицы А2 определяют периоды колебаний Т1 и Т2 (в прямом и перевернутом положении маятника) с наибольшей тщательностью. Определяют время 40 - 60 колебаний маятника не менее трех раз, откуда вычисляют средние значения периодов колебаний и погрешности их измерений.
7. Для определения положения центра тяжести маятника его тщательно уравновешивают на трехгранной подставке. Измерение расстояний l1 и l2 производят масштабной линейкой с точностью до миллиметра.
8. По полученным данным с помощью формулы Бесселя (9.5) определяют величину ускорения свободного падения.
9. Относительная погрешность измерения ускорения свободного падения определяется по формуле
, (9.5)
где величина Т полная погрешность измерения одного из периодов.
10. В выводе сравнивают измеренное и табличное значения ускорения свободного падения.
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
К ИССЛЕДОВАНИЮ КОЛЕБАНИЙ
Цель работы
Изучить устройство, работу электронного осциллографа и генератора звуковой частоты и их применение к исследованию электрических колебаний звуковой частоты.
Идея эксперимента
При изучении механических колебаний в студенческой лаборатории возникают большие сложности при постановке и выполнении некоторых опытов. Так, например, нелегко на механических моделях провести наблюдения явлений, возникающих при сложении колебаний, или проводить измерения характеристик затухающих колебаний. Это связано с трудностями изготовления соответствующих механических приборов и проведения измерений. В данной работе механические колебательные системы заменены на электрические - колебательные контуры и электрические генераторы, а основным измерительным прибором является электронный осциллограф, который обладает уникальными возможностями для наблюдения колебательных процессов. При этом наблюдения и выводы, сделанные в этой работе для электрических колебаний применимы и для механических колебаний.
Электронный осциллограф
Блок-схема осциллографа представлена на рис.19. Основной блок осциллографа - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой возникает и фокусируется электронный луч. Там же расположены системы, с помощью которых можно управлять движением луча, отклоняя его в вертикальном и горизонтальном направлениях. Движущийся луч
оставляет на экране трубки, покрытой специальным составом, светящийся след. Осциллограф имеет два входа. Сигнал, поданный на Вход 1, поступает на усилитель У1, а затем подается на вертикально отклоняющую систему ЭЛТ. Сигнал, поданный на Вход 2, поступает на усилитель У2, а затем подается на горизонтально отклоняющую систему ЭЛТ. В дальнейшем Вход 1 будем называть Y-входом, Вход 2 - X-входом.
Различают два основных режима работы осциллографа. В первом режиме на X- и Y-входы подаются два внешних сигнала. Переключатель П устанавливается в положение 1. В результате сложения этих сигналов, действующих по двум взаимно-перпендикулярным направлениям, на экране ЭЛТ появляется линия. Во втором режиме на Y-вход подается один внешний сигнал. Переключатель П поставлен в положение 2. На усилитель У2 подается входное напряжение от генератора развертки (ГР), обеспечивающее перемещение луча в горизонтальном направлении по линейному закону. На экране ЭЛТ возникает линия, характеризующая изменение внешнего сигнала во времени.
На рис. 20 изображена передняя панель осциллографа С1-1 (ЭО-7), на которой распо-
ложены экран ЭЛТ и основные ручки управления. С помощью тумблера «Сеть» включается блок питания осциллографа. Тумблер «Луч» включает ЭЛТ. Луч, генерируемый в трубке, можно сфокусировать ручкой «Фокус» и отрегулировать ручкой «Яркость». Ручки «Ось Y» и «Ось X» смещают луч в соответствующих направлениях.
Сигнал, подаваемый на Y-вход, подводится к левым клеммам «Вход» и «Земля». Амплитуда сигнала регулируется усилителем У1, управляемым ручками «Усиление Y» (плавная регулировка) и «Ослабление» (грубая регулировка», расположенными в левой части панели.
Сигнал, подаваемый на X-вход, подводится к правым клеммам «Вход» и «Земля». Амплитуда сигнала регулируется усилителем У2, управляемым ручкой «Усиление X» (плавная регулировка), расположенной в правой части панели.
Если осциллограф работает в первом режиме, то переключатель «П» поставлен в положения 1, чему соответствует установление ручки «Диапазон частот», управляющей генератором развертки у метки «Выкл».
Если ручку «Усиление X» поставить на нуль, а ручку «Усиление Y» поставить примерно на середину шкалы, то на экране осциллографа появится вертикальная линия, длина которой пропорциональна амплитуде исследуемого сигнала (при неизменном положении ручки «Усиление Y»). Выключив усилитель У1 и включив усилитель У2 (ручка «Усиление Х»), увидим на экране горизонтальную линию.
При одновременном включении ручек «Усиление Х» и «Усиление Y» светящийся след от электронного луча на экране будет перемещаться по траектории, образующейся в результате сложения взаимно перпендикулярных сигналов, подаваемых на «Вход Х» и «Вход Y».
Если осциллограф работает во втором режиме, то переключатель П поставлен в положение 2. В этом случае на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ подается напряжение генератора развертки, имеющее «пилообразный» характер, то есть линейно нарастающее со временем, а затем также линейно убывающее. При этом время падения напряжения значительно меньше времени возрастания напряжения. И в этом случае при включении ручек «Усиление Х» и «Усиление Y» траектория следа электронного луча образуется в результате сложения сигналов, подаваемых на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины. Если отношение частот этих сигналов выражается рациональной дробью, то на экране возникает устойчивое изображение развертки во времени сигнала, поданного на Y-вход.
Чтобы согласовать частоту ГР с частотой сигнала, поданного на Y-вход, ручку «Диапазоны частот» нужно установить у метки, примерно соответствующей предполагаемой частоте исследуемого сигнала. Полное согласование частоты ГР с частотой исследуемого сигнала достигается ручкой «Частота плавно».
Для полной синхронизации сигналов, подаваемых на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины, можно использовать (при необходимости) переключатель «Синхронизация» и ручку «Амплитуда синхронизации». В левой части передней панели
осциллографа расположена клемма «Контрольный сигнал». К ней подведен источник синусоидальных колебаний с частотой 50 Гц, который можно использовать как эталонный источник колебаний.
Звуковой генератор ГЗ-33
Генератор ГЗ-33 предназначен для получения синусоидальных электрических колебаний звуковой частоты от 20 до 200000 Гц. Амплитуда колебаний регулируется усилителем мощности. На выходе колебания подаются на вольтметр и делитель напряжения (аттенюатор), которой позволяет изменять выходное напряжение в широких пределах.
Ручки управления звуковым генератором выведены на его переднюю панель (рис.21). Частота колебаний устанавливается поворотом ручек «Множитель» (ступенчатая регулировка) и поворотом лимба (плавная регулировка). Для определения частоты генератора в герцах нужно отсчет по шкале лимба умножить на показания переключателя «Множитель». Вращением ручки «Расстройка, %» можно плавно изменять частоту в пределах 1,5% от установленной.
Возбуждаемые в генераторе колебания подаются на клеммы «Выход». Напряжение на выходе регулируется плавно с помощью ручки «Рег. выхода» и ступенчато (через каждые 10 дБ) при помощи переключателя аттенюатора, имеющего гравировку «Пределы шкал - ослабление».
Переключение пределов шкал в зависимости от выходного сопротивления производится переключателем «Вых. сопротивление». При работе с сопротивлением нагрузки значительно больше 600 Ом для правильного отсчета выходного напряжения следует включить внутреннюю нагрузку тумблером «Внутр. Нагрузка».
Теория
Сложение двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний
Рассмотрим плоское движение материальной точки под действием двух взаимно перпендикулярных квазиупругих сил F1 и F2. В прямоугольной декартовой системе координат x0y, начало которой совпадает с положением равновесия материальной точки, а оси 0x и 0y направлены вдоль линий действия соответственно силы F1 и силы F2,, уравнения движения имеют вид:
, (10.1)
где k1 и k2 - коэффициенты квазиупругих сил F1 и F2. Зависимость координат от времени имеет вид:
, (10.2)
где и - собственные циклические частоты.
Таким образом, движение точки является результатом сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний. Траектория точки заключена внутри прямоугольника, стороны которого параллельны осям 0x и 0y и соответственно равны 2А1 и 2А2, а центр совпадает с точкой 0. В случае рационального отношения частот 1 и 2 траектории замкнуты и называются фигурами Лиссажу. Вид фигур Лиссажу зависит от отношений 2/1, А2/А1 и разности фаз (2 - 1) (рис.22) (при неизменном отношении А2/А1).
|
Отношение частот |
Сдвиг фаз |
|||||
|
|
0 |
45 |
90 |
135 |
180 |
|
|
1:1 |
||||||
|
1:2 |
||||||
|
2:3 |
Отношение частот 2/1 равно отношению числа касаний фигуры Лиссажу с горизонтальной и вертикальной сторонами прямоугольника, в который он вписывается.
Если 1=2, то фигуры Лиссажу имеют форму эллипса:
. (10.3)
Такие колебания называются эллиптически поляризованными. На рис. 22 в верхней строке показаны частные случаи эллиптически поляризованных колебаний. Если, кроме того A1 = A2 , то траектория точки имеет вид окружности. Такие колебания называются циркулярно поляризованными (поляризованными по кругу). Если 2 -1) = k (k=0; 1;2; ...), то эллипс вырождается в отрезок прямой и колебания называются линейно поляризованными.
Сложение колебаний одного направления
При сложении колебаний одного направления с одинаковой амплитудой А и близкими частотами и + () возникают сложные колебания, называемые биениями. Запишем уравнения колебаний:
(10.4)
Сложив эти выражения, получим
(10.5)
(во втором множителе пренебрегаем членом /2, который значительно меньше ).
Движение, описываемое формулой (10.5), можно рассматривать как гармоническое колебание частоты с переменной амплитудой (рис. 23). Величина амплитуды определяется модулем множителя, стоящего в скобках. Частота пульсаций амплитуды (частота биений) равна разности частот колебаний, а период биений равен
(10.6)
Затухающие колебания
Затухающими колебаниями называются колебания, энергия которых уменьшается с течением времени вследствие действия на колебательную систему сил сопротивления (трения). Если принять, что сила трения пропорциональна скорости колеблющегося тела , где r - коэффициент трения, то дифференциальное уравнение затухающих колебаний системы имеет вид
, (10.7)
где - коэффициент затухания, - частота свободных колебаний системы в отсутствие трения. Коэффициент затухания для данной колебательной системы и данной среды, в которой происходят затухания, является величиной постоянной. Промежуток времени =1/, в течение которого амплитуда затухающих колебаний уменьшается в е (2,72) раз, называется временем релаксации.
Если 0 , то система совершает затухающие колебания:
, (10.8)
где A0 и 0 - постоянные, называемые начальной амплитудой и начальной фазой соответственно, . Величина
А(t)=A0e-t (10.9)
называется амплитудой затухающих колебаний и убывает по экспоненциальному закону (рис. 24). Опытная проверка (10.9) сводимая к графическому изображению зависимости А от t, связана с трудностью идентификации («распознавания») закономерности.
Задача упрощается переводом зависимости (10.9) в линейную путем замены переменных. Действительно, прологарифмируем (10.9)
lnA = lnA0 - t (10.10)
или . (10.11)
Теперь в координатах ln(A0/А), t получается прямая, изображенная на рис.25. Нетрудно видеть, что угловой коэффициент ее определяется соотношением
Подобные документы
Механика твёрдого тела, динамика поступательного и вращательного движения. Определение момента инерции тела с помощью маятника Обербека. Сущность кинематики и динамики колебательного движения. Зависимость углового ускорения от момента внешней силы.
контрольная работа [1,7 M], добавлен 28.01.2010Экспериментальное изучение динамики вращательного движения твердого тела и определение на этой основе его момента инерции. Расчет моментов инерции маятника и грузов на стержне маятника. Схема установки для определения момента инерции, ее параметры.
лабораторная работа [203,7 K], добавлен 24.10.2013Сущность механического, поступательного и вращательного движения твердого тела. Использование угловых величин для кинематического описания вращения. Определение моментов инерции и импульса, центра масс, кинематической энергии и динамики вращающегося тела.
лабораторная работа [491,8 K], добавлен 31.03.2014Применение машины Атвуда для изучения законов динамики движения тел в поле земного тяготения. Принцип работы механизма. Вывод значения ускорения свободного падения тела из закона динамики для вращательного движения. Расчет погрешности измерений.
лабораторная работа [213,9 K], добавлен 07.02.2011Основной закон динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси. Изучение методических рекомендаций по решению задач. Определение момента инерции системы, относительно оси, перпендикулярной стержню, проходящей через центр масс.
реферат [577,9 K], добавлен 24.12.2010Применение стандартной установки универсального маятника ФПМО-4 для экспериментальной проверки теоремы Штейнера и определения момента инерции твердого тела. Силы, влияющие на колебательное движение маятника. Основной закон динамики вращательного движения.
лабораторная работа [47,6 K], добавлен 08.04.2016Два основных вида вращательного движения твердого тела. Динамические характеристики поступательного движения. Момент силы как мера воздействия на вращающееся тело. Моменты инерции некоторых тел. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося тела.
презентация [258,7 K], добавлен 05.12.2014Определение коэффициентов трения качения и скольжения с помощью наклонного маятника. Изучение вращательного движения твердого тела. Сравнение измеренных и вычисленных моментов инерции. Определение момента инерции и проверка теоремы Гюйгенса–Штейнера.
лабораторная работа [456,5 K], добавлен 17.12.2010Динамика вращательного движения твердого тела относительно точки, оси. Расчет моментов инерции некоторых простых тел. Кинетическая энергия вращающегося тела. Закон сохранения момента импульса. Сходство и различие линейных и угловых характеристик движения.
презентация [913,5 K], добавлен 26.10.2016Определение вязкости глицерина и касторового масла, знакомство с методом Стокса. Виды движения твердого тела. Определение экспериментально величины углового ускорения, момента сил при фиксированных значениях момента инерции вращающейся системы установки.
лабораторная работа [780,2 K], добавлен 30.01.2011
