Материал: Mekhanika_Ch2

142

Міністерство освіти і науки України

Запорізький національний технічний університет

Кафедра фізики

Методичні вказівки

до лабораторних робіт з фізикИ

Механіка. Молекулярна фізика

Частина 2

Для студентів інженерно-технічних спеціальностей

денної форми навчання

2009

Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики. Механіка. Молекулярна фізика. Частина 2. Для студентів інженерно-технічних спеціальностей денної форми навчання / Укладачі: Лоскутов С.В., Єршов А.В., Серпецький Б.О., Правда М.І., Лущін С.П., Курбацький В.П., Работкіна О.В., Денисова О.І. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2009 . - 54 с.

У к л а д а ч і: Лоскутов С.В., професор, д-р. фіз-матем. наук.; Єршов А.В. канд. техн. наук, доцент; Серпецький Б.О., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Правда М.І., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Лущін С.П., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Курбацький В.П., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Работкіна О.В., старший викладач; Денисова О.І., старший викладач.

Р е ц е н з е н т и: Корніч В.Г. канд. фіз.-матем. наук, доцент; Манько В.К., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Золотаревський І.В., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Сокол Т.О., старший викладач кафедри іноземної мови.

Затверджено на засіданні кафедри фізики ЗНТУ,

протокол № 3 від 01.12. 2008 р .

Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики. Механіка. Молекулярна фізика. Частина 2. схвалені на засіданні Методичної Ради Електротехнічного факультету ЗНТУ, протокол № 5 від ” 27 ” січня 2009 р.

Відповідальний за випуск: Єршов А.В., канд. техн. наук, доцент.

ЗМІСТ

Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………………………………......... 93

14 Лабораторна робота № 5. Вивчення основного закону динаміки

обертального руху…………………… ………………..…………94

14.1 Опис устаткування та методу вимірювання ……………............. 94 14.2 Порядок виконання роботи № 5.1 ..………………….................... 96 14.3 Порядок виконання роботи № 5.2 ..…............................................ 98 14.4 Порядок виконання роботи № 5.3 ................................................ 100

14.5 Порядок виконання роботи № 5.4 ................................................ 102

14.6 Порядок виконання роботи № 5.5 ................................................ 105

14.7 Опис устаткування та методу вимірювання роботи № 5.6 ……107

14.8 Порядок виконання роботи № 5.6 ................................................ 108

Контрольні запитання ……..……………………………………. 109 Рекомендована література ................………………………………… 110 15 Laboratory work № 5. Study of the fundamental equation of the

rotational motion dynamics ……………………………………........ 111

15.1 Description of installation and measuring method ………….......... 111

15.2 Task 5.1 ………………………….................................. 112 15.3 Task 5.2 ……………………………………………………….. 114

15.4 Task 5.3 …………………………………………………… 115 15.5 Task 5.4 …………………………...................................116 15.6 Task 5.5 …………………………………………………………118

15.7 Task 5.6 .……………………………………………………119 Control questions ………………………………..................................... 121

16 Лабораторна робота № 6. Перевірка теореми Штейнера ………. 122

16.1 Опис пристрою та методу вимірювання .....……………….........122

16.2 Порядок виконання роботи ........……………………………….. 125

Контрольні запитання …….....……………………………………….. 126

Рекомендована література…….…………………………………........ 126

17 Laboratory work № 6. Verification of the Huygens-Steiner (parallel

axis) theorem …..…………………………………………………. 127

17.1 Theory ……………………………………………………………. 127

17.2 Description of device and method of measuring ...............………. 128

17.3 Procedure and analysis …………................................…………… 130

Control questions ….……………….……...............................………… 131

18 Лабораторна робота № 7. Визначення величини співвідношення

теплоємностей C_p/C_v для газів …………………………………... 132 18.1 Опис пристрою та методу вимірювання .....................…....... 132 18.2 Порядок виконання роботи ……………................…………….. 135 Контрольні запитання ………………………................……………137 Laboratory work № 7. Determination of the ratio of the specific heat

Cp/Cv for gases ……………………………….................................. 138

19.1 The description of the device and method of measurements ............ ……. 138 19.2 Experimental part ……………..……………………................................... 139

Control questions …………………………………................................. 140

ВСТУП

Збірник містить лабораторні роботи для студентів усіх спеціальностей.

Основна спрямованість методичних вказівок з предмету фізика - дати можливість студентам за допомогою досліду вивчити важливі фізичні явища. Опис лабораторних робіт не претендує на те, щоб створити у студентів повне уявлення про явища, які вивчаються. Таке уявлення може виникнути лише внаслідок опрацювання лекцій та підручників.

Велика увага в методичних вказівках з фізики для студентів технічних спеціальностей приділяється обробленню результатів вимірювання. Для успішного виконання робіт необхідна попередня самостійна підготовка, в першу чергу теоретична.

Кожна лабораторна ро­бота розрахована на дві академічні години занять у лабораторії. Перед заняттям студент повинен підготувати протокол ла­бораторної роботи, вивчивши відповідний теоретичний матері­ал.

Під час заняття студенти проводять необхідні виміри, виконують розрахунки, доводять звіт до висновку. Результати вимірювання обговорюються з викладачем і затверджуються.

Повністю оформлений звіт по лабораторній роботі потрібно подати виклада­чу до кінця заняття. Він повинен містити: титульний лист, номер лаборато­рної роботи та її назву, перелік приладів і приладдя, мету робо­ти, схему установки, розрахункові формули, таблицю результа­тів вимірів і розрахунки, висновки за результатами роботи. Графіки повинні бути виконані на мі­ліметровому папері.

Якщо студент не встигає захистити лабораторну роботу до кінця заняття, дозволяється оформити звіт (графіки) з використанням комп’ютерних програм (Excel, Origin) до наступного заняття.

Лабораторна робота вважається виконаною після успішно проведеного захисту шляхом співбесіди студента з викладачем (захист звіту + оцінка за теоретичний матеріал).

Захист звіту: мета роботи + експериментальна методика + висновки.

Теоретичний матеріал: знання фізичних явищ, які вивчалися у даній лабораторній роботі (закони, формули).

14 Лабораторна робота № 5. Вивчення основного закону динаміки оберталь­ного руху

14.1 Опис устаткування та методу вимірювання

Основний закон динаміки обертального руху має вигляд.

(14.1)

де М – момент, діючих на тіло сил; І – момент інерції тіла відносно осі, навколо якої відбувається обертання;  – кутове прискорення обертання тіла.

У цій роботі використовується хрестоподібний маятник – маятник Обербека, який дозволяє визначити параметри обертального руху. Схема устаткування представлена на рисунку 14.1.

1 - стержні; 2 – втулка; 3 - шківи; 4 - тя­гарі; 5 – обруч; 6 - ва­нтаж m₀; 7 - дер­жак.

Рисунок 14.1 - Маятник Обе­рбека

Хрестоподібний мая­тник складається з 4 стержнів (1), закріплених на втулці (2). Втулка яка переходить у шківи (3) з різними радіусами r, що знаходяться на осі маятника. Вісь закріплена так, що вся система обертається навколо горизонтальної осі. На стержнях установлені тя­гарі m, які можна переміщувати на різні відстані від осі обертання. Стержні скріпленні обручем (5). На один із шківів намотується шнур з вантажем m₀ (6). При падінні m₀ шнур розмотується з шківа. В устат­куванні застосована система механічного гальма яка дозволяє держаком (7) керувати початком руху m₀, та його зупинкою. Шлях h, пройдений m₀, вимірюють лінійкою.

Вимірюючи час t, протягом якого вантаж опускається на відстань h, можна знайти прискорення a:

. (14.2)

Прискорення a пов`язане с кутовим прискоренням  співвідношен­ням:

, (14.3)

де r – радіус шківа, з якого розмотується шнур. Таким чином:

(14.4)

При рухові вантажу m₀ на нього діють дві сили: сила ваги m₀g та натяг шнура N, під дією яких вантаж падає з прискоренням а. Згідно дру­гого закону Ньютона:

, (14.5)

звідки

, (14.6)

де g – прискорення вільного падіння. Під дією натягу шнура маятник виконує прискорене обертання. Момент сили, діючий на маятник

(14.7)

для устаткування, використаного у даній роботі

,

(0,003 м/с²  9,8 м/с² ) тому значенням можна знехтувати. Тоді

. (14.8)

Використовуючи (14.1), (14.4), (14.8) одержуємо:

. (14.9)

З основного закону динаміки обертального руху (14.1) витікає, що кутове прискорення  прямо пропорційне моменту сили при умові I=const

. (14.10)

Щоб змінити момент сили потрібно до шнура підвішувати вантажі ­з різними масами, або переносити шнур з одного шківа на інший. Якщо момент сили постійний (M=const), то кутове прискорення обернено пропорційне моменту інерції:

. (14.11)