ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 43.3

ВИЗНАЧЕННЯ ПРИВЕДЕНОЇ ДОВЖИНИ ФІЗИЧНОГО МАЯТНИКА

Мета роботи:вивчення законів коливанняфізичного та

математичного маятників.

Завдання:експериментально та тео­ре­тич­но знайти приведену

довжину фі­зи­чного мая­т­ника.

Прилади і обладнання: фізич­ний мая­т­ник, математичний маятник, лі­нійка, секундомір.

Експериментальна установка (рис.9.1) складається з фізичного 1 та мате­ма­тичного 2 маятників. Опорна призма 3 фізичного маятника може переміщуватись здовж стержня і фіксуватись гвин­том 4. Довжину нитки математичного маятника можна плавно змінювати, намотуючи її на котушку 5 і фіксувати її гвинтом 6.

Теоретична частина

Фізичний маятник – це тіло, яке може обертатись відно­сно довільної горизонтальної осі, що не прохо­дить через центр маси. Під дією моменту сили тяжіння mg, плече якої дорівнює a·sinα, тіло обертається навколо точки підвісу О (рис.9.2).a – відстань від точки О обертан­ня (точки підвісу) до точки С - центра маси тіла. Запишемо основне рівняння динаміки обер­тального руху

,(9.1)

I- момент інерції тіла, - кутове прискорення. Знак мінус враховує, що момент сили mg зменшує кут .Таким чином, одержуємо диференціальне рівняння незатухаючих коливань фізичного маятника

. (9.2)

При малих кутах α (менших 5^о) можна вважити, що sinα = α. Одержуємо (9.3)

Порівнюючи це рівняння із загальним рівнянням незатухаючих гармонічних коливань , (9.4)

одержуємо циклічну частоту та період коливань фізичного маятника

(9.5)

Таким чином, період коливань фізичного маятника залежить від положення точки підвісу О і форми тіла, тобто його моменту інерції відносно цієї точки.

Для математичного маятника, який уявляє собою матеріальну точку, підвішену на невагомій нерозтяжній нитці довжиною L, момент інерції , . Отже період коливань математичного маятника залежить тільки від довжини нитки

. (9.6)

Приведеною довжиною L_пр фізичного маятника називається така довжина математичного маятника, період якого дорівнює періоду коливань фізичного маятника. Із (9.5) і (9.6) при маємо

. (9.7)

Момент інерції стержня (рис.9.1) з урахуванням теореми

Штейнера дорівнює . (9.8)

Таким чином, із (9.7) і (9.8) одержуємо теоретичне значення приведеної довжини . (9.9)

Теоретичне значення періоду коливань фізичного маятника знаходимо із (9.5) і (9.8)

. (9.10)

Практична частина

1. Зняти з кронштейна фізичний маятник.
2. Лінійкою виміряти загальну довжину b стержня.
3. Установити опорну призму 3 на відстані а = 20 + N см від його середини і зафіксувати її гвинтом 4. N– номер навчальної бригади.
4. Підвісити фізичний маятник
5. Відхилити математичний і фізичний маятники на кут приблизно 5^о і відпустити.
6. Візуально слідкувати за синхронністю коливань обох маятників. У ра­зі, якщо період математичного маятника більший (менший), ніж фізичного, зменшити (збільшити) довжину нитки математичного маятника.
7. Повторювати пункти 5, 6 до співпадання періодів коливань маятників, тобто синхронного коливання протягом не менше 20 коливань..
8. Виміряти час t 20 коливань маятників і знайти період .
9. Лінійкою виміряти довжину математичного маятника від точки під­вісу до центра мас кульки. Це і буде експериментальне значення при­веденої довжини фізичного маятникаL_експ.
10. Розрахувати теоретичні значення приведеної довжини за формулою (9.8) та періоду за формулою (9.10).
11. Порівняти експериментальні і теоретичні значення приведеної дов­жи­ни та періоду, записавши їх в таблицю 9.1.

Таблиця 9.1.

12. Розрахувати похибку L_теор.

Контрольні запитання

1. Що таке фізичний маятник?

2. Що таке математичний маятник?

3. Одержати диференціальне рівняння вільних гармонічних коливань фізичного маятника.

4. Одержати період коливань фізичного маятника.

5. Одержати період коливань математичного маятника.

6. Дати означення приведеної довжини фізичного маятника.

7. Одержати вираз для приведеної довжини фізичного маятника.

Література

1. Чолпан П.П. Фізика.- К.: Вища школа, 2003.- С.77-80.

2. Лапотинський І.Е., Зачек І.Р. Фізика для інженерів.- Львів: Афіша, 2003.-С.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. - т.1, М.: Наука,1982.- С.196-199.

4. Трофимова Т.И. Курс физики.- М: Высшая школа, 1990.- С.222-223.

Інструкцію склав доцент каф. фізики ЗНТУ Манько В.К.

LABORATORY WORK № 43.3

Поиск по сайту: