Ukrayna Eğitim ve Bilim Bakanlığı

Vernadsky Taurida Ulusal Üniversitesi

fizik bölümü

Deneysel Fizik Bölümü

Laboratuvar çalışmaları genel fizik dersinde

mekanik

BölümBence

Akademik disiplin "Mekanik" çalışması için metodik talimatlar

1. sınıf öğrencileri için tam zamanlı eğitim

6.070101, 7.070107 "Fizik",

6.070203, 7.070203 "Uygulamalı Fizik"

eğitim yeterlilik seviyeleri

"Lisans", "uzman"

Simferopol, 2001

Bilimsel ve metodolojik konsey kararıyla yayınlandı

V.I. Vernadsky'nin adını taşıyan Tavrichesky Ulusal Üniversitesi

2001'den itibaren

Tanıtım

Bilimsel dünya görüşünün oluşumu sürecinde, temeli deney olan laboratuvar araştırması önemli bir rol oynamaktadır. Deney, yeni bilgi edinmenin güçlü bir yoludur. Herhangi bir deneydeki önemli adımlar şunlardır:

ilgili teori bilgisi;

deneysel bir kurulum üzerinde çalışma yeteneği;

açıkça belirlenmiş görev;

doğru ölçümler;

deneysel verilerin istatistiksel olarak işlenmesi;

gerekli fiziksel miktarın elde edilmesi;

yürütülen araştırmanın yetkin tasarımı.

Deney yapmada temel bilgi ve becerileri elde etmek için, genel kursun "Mekanik" bölümünde bir giriş laboratuvar çalışması döngüsü gerçekleştirilir. Döngü, ölçüm teorisini ve deneysel verilerin istatistiksel işlenmesini incelemeyi amaçlayan iki laboratuvar çalışmasını içerir.

Bir değeri ölçmek, onu geleneksel olarak bir ölçüm birimi olarak alınan homojen bir değerle karşılaştırmak anlamına gelir. Bazı nicelikler, örneğin cisimlerin doğrusal boyutları, kütle, zaman, uygun aletler kullanılarak doğrudan ölçülebilir. Bu tür ölçümlere denir Düz... Fiziksel niceliklerin çoğu, yalnızca doğrudan ölçülen ve tablo halindeki nicelikler aracılığıyla ilk niceliği ifade eden çalışan formüllerle belirlenebilir. Bu tür ölçümlere denir dolaylı.

Ölçüm cihazlarının ve deneycinin duyu organlarının kusurlu olması, ölçümlere her zaman bir veya daha fazla hata eşlik etmesine neden olur ve bu nedenle ölçülen değerin yanlış bir değerini verir.

Deneysel olarak belirlenen herhangi bir fizikselin sayısal değerinin bilgisi, deneyden bir sonuç çıkarmak için hala yetersizdir. Bu nedenle, deneyci yalnızca fiziksel bir niceliği ölçmekle kalmayıp, aynı zamanda ölçüm sonucunun doğruluğunu değerlendirme göreviyle karşı karşıyadır.

Laboratuarda ders yapmak, deneysel kurulumlarla ilgili çalışmalarla ilişkilidir, bu nedenle önce güvenlik talimatlarını incelemelisiniz.

ÖNSÖZ

Yayın, fizikte laboratuvar çalışmaları için yönergeler içerir. Her eserin açıklaması şu bölümlerden oluşur: eserin adı; işin amacı; cihazlar ve aksesuarlar; araştırılan modeller; gözlem yapmak için talimatlar; sonuçları işleme görevi; Kontrol soruları.

İş hazırlama görevi

Çalışmaya hazırlanırken, öğrenci şunları yapmalıdır:

1) iş tanımını inceleyin ve güvenlik sorularının cevaplarını düşünün;

2) hazırlamak raporun giriş kısmı: Giriş sayfası, işin adı, işin amacı, laboratuvar kurulumunun tanımı (şema veya eskiz) ve Kısa Açıklama araştırılan modeller;

3) bir gözlem protokolü hazırlar.

Gözlem protokolü şunları içerir: işin başlığı; çalışma sırasında doldurulan tablolar; öğrenci verileri (tam ad, grup numarası). Tabloların formu öğrenci tarafından bağımsız olarak geliştirilir.

Gözlem protokolü ve laboratuvar raporu A4 kağıdın bir yüzüne düzgün bir şekilde çerçevelenmiştir.

1) başlık sayfası;

2) giriş bölümü: çalışmanın başlığı, çalışmanın amacı, cihazlar ve aksesuarlar, "araştırılan modeller" kılavuzunun bir bölümünün özeti;

3) "sonuçların işlenmesi görevi" uyarınca hesaplanan kısım;

4) çalışma hakkında sonuçlar.

Hesaplamalar detaylandırılmalı ve gerekli yorumlar yapılmalıdır. Hesaplama sonuçları, uygunsa, bir tabloda özetlenir. Çizimler, grafikler, grafik kağıdına kurşun kalemle yapılır.

İŞ 1.1. BAĞIMSIZ BİR ORTAMDA BEDEN HAREKETİ ÇALIŞMASI

Cihazlar ve aksesuarlar: test sıvısı olan bir kap; sıvının yoğunluğundan daha yüksek yoğunluğa sahip toplar; kronometre; ölçek çubuğu.

Çalışmanın amacı, ortamın direncinin varlığında düzgün bir kuvvet alanındaki bir cismin hareketini incelemek ve ortamın iç sürtünme katsayısını (viskozite) belirlemektir.

İncelenen modeller

Viskoz bir sıvıda vücut hareketi. Viskoz bir sıvıya düşen oldukça küçük bir katı top üzerine üç kuvvet etki eder (Şekil 1):

1) yerçekimi mg = 4 3 r 3 πρ g, burada r topun yarıçapıdır; ρ yoğunluğudur;

2) Arşimet'in kaldırma kuvveti Fa = 4 3 r 3 πρ c g, burada ρ с sıvının yoğunluğudur;

3) ortamın direnç kuvveti (Stokes kuvveti)

burada η, sıvı viskozitesinin katsayısıdır; v - topun düşme hızı.

Formül (1.1), sıvının sınırlarına olan mesafenin topun çapından çok daha büyük olması koşuluyla, homojen bir sıvı içinde düşük hızda hareket eden katı bir topa uygulanabilir. sonuç gücü

F = 4 3 r 3 π (ρ − ρc) g -6 πηrv.

ρ> ρ c için, İlk aşama hareket, hız v küçükken, top ivme ile düşecektir. Belirli bir v ∞ hızına ulaşıldığında, elde edilen

kuvvet kaybolur, topun hareketi tek tip hale gelir. Düzgün hareketin hızı, v ∞ için veren F = 0 koşulundan belirlenir:

Hareketin tüm aşamalarında v (t) hızının zamana bağımlılığı, ifade ile tanımlanır.

topun hareket denkleminin integrali alındıktan ve yerine koyulduktan sonra elde edilen başlangıç ​​koşulları... Cismin başlangıçtaki ivmeye eşit bir ivme ile düzgün hareket eden sabit bir v ∞ hızına erişebildiği τ süresi

gevşeme süresi olarak adlandırılır (bkz. Şekil 2). Topun düzgün düşüşünün kararlı hal hızı v ∞ deneysel olarak belirlendikten sonra, sıvının viskozite katsayısı bulunabilir.

D topun çapıdır, m = π 6 ρ D 3 kütlesidir.

Viskozite katsayısı η, katmanların birim temas alanındaki bitişik sıvı veya gaz katmanları arasındaki sürtünme kuvvetine ve katmanlara dik yönde bir birim hız gradyanına sayısal olarak eşittir. Viskozite birimi 1 Pa s = 1 N s / m2'dir.

Enerji tüketen bir sistemde enerji kaybı. Sabit durumda, hareket

Sürtünme kuvveti ve yerçekimi kuvveti (Arşimet kuvveti dikkate alınarak) birbirine eşittir ve yerçekimi kuvvetinin işi tamamen ısıya döner, enerji kaybı meydana gelir. Kararlı durumda enerji dağılma oranı (güç kaybı)

P ∞ = F 0 v ∞ olarak bulun, burada F 0 = m a 0 = m v ∞ / τ; Böylece

P ∞ = m v ∞ 2 / τ.

Gözlem talimatları

Hareketi incelenen gövde çapı bilinen çelik bilye (ρ = 7,9, 10–3 kg/cm3), ortamı ise viskoz sıvılardır (çeşitli yağlar). Ölçekli silindirik bir kap, üzerinde iki enine işaret bulunan bir sıvı ile doldurulur. farklı seviyeler... Topun bir işaretten diğerine ∆ l yoluna düştüğü süre ölçülerek ortalama hızı bulunur. Bulunan değer, üst işaretten sıvı seviyesine olan mesafe, bu çalışmada gerçekleştirilen gevşeme yolu l τ = v ∞ τ / 2'yi aşarsa, v ∞ hızının kararlı durum değeridir.

1. Topun çapını, araştırılan sıvının yoğunluğunu ve topun malzemesinin yoğunluğunu gözlem protokolüne kaydedin. Topun kütlesini hesaplayın ve sonucu gözlem protokolüne kaydedin. Ölçümler için 5 top hazırlayın.

2. Topları dönüşümlü olarak giriş borusundan sıvıya sıfır başlangıç ​​hızıyla indirerek, bir kronometre ile süreyi ölçün t her topu geçmek

gemideki işaretler arasındaki mesafe ∆ l. Sonuçları tabloya girin.

3. İşaretler arasındaki ∆ l mesafesini ölçün. Sonucu gözlem protokolüne kaydedin.

Sonuç işleme görevi

1. Dinlenme süresinin belirlenmesi... Elde edilen verilere dayanarak, her top için hareket hızını v hesaplayın. a 0 = g (1 - ρ c / ρ) formülünü kullanarak ilk ivmeyi hesaplayın.

Toplardan biri (herhangi biri) için gevşeme süresini τ = v ∞ / a 0 olarak tahmin edin. Formül (1.2) kullanarak, 0 zaman aralığı için v (t) bağımlılığının bir grafiğini oluşturun.< t < 4τ через интервал 0.1 τ . Проанализировать, является ли движение шарика установившимся к моменту прохождения им первой метки, для чего оценить путь релаксации по формуле l τ = v ∞ τ .

2. Enerji Tüketimi Tahmini... Gevşeme süresi belirlenen hareketin gözlemlerinin sonuçlarına göre, top için sabit hareket durumundaki sürtünme kayıplarının gücünü hesaplayın.

3. İç sürtünme katsayısının belirlenmesi ... Her topun hareket hızından iç sürtünme katsayısını belirleyin (η ) sıvı. Ortalama ve güven hatasını hesaplayın∆η .

Kontrol soruları

1. Hangi medyaya dağıtıcı denir?

2. Enerji tüketen bir ortamda bir cismin hareket denklemini yazın.

3. Gevşeme süresine ne denir ve vücudun ve ortamın hangi parametrelerine bağlıdır?

4. Ortamın yoğunluğundaki bir değişiklikle gevşeme süresi nasıl değişecek?

İŞLEM 2.1. OBERBEK Sarkaçının Eylemsizlik Momentinin Belirlenmesi

Cihazlar ve aksesuarlar: Oberbek sarkacı, bir ağırlık seti, bir kronometre, bir ölçek cetveli.

Çalışmanın amacı: Oberbeck'in haç biçimli bir sarkaçında dönme hareketi yasalarının incelenmesi, sarkacın atalet momentinin ve sürtünme kuvvetlerinin momentinin belirlenmesi.

Oberbeck sarkacı bir masaüstü cihazıdır (Şekil 1). Taban 1'in dikey direğinde, üç

braket: üst 2, orta 3, alt 4. Dikey direk üzerindeki tüm braketlerin konumu kesinlikle sabittir. Üst brakete 2, pa'nın asılı olduğu ipliğin 6 hareket yönünü değiştirmek için bir blok 5 takılır. Blok 5, sürtünmeyi azaltmayı mümkün kılan yatak düzeneğinde 9 döndürülür. Orta dirseğe (3) bir elektromıknatıs (14) takılmıştır; bu, bir sürtünmeli kavrama yardımıyla, kendisine voltaj uygulandığında, ağırlıkları olan sistemi sabit tutar. Aynı braket üzerinde, ekseni üzerinde bir tarafına iki kademeli bir 13 kasnağının sabitlendiği bir yatak tertibatı 10 vardır (dişi 6 sabitlemek için bir cihaza sahiptir). Eksenin diğer ucunda, her 10 mm'de bir üzerlerine risk uygulanan ve göbek 12'ye birbirine dik açılarda sabitlenmiş dört metal çubuktan oluşan bir haç vardır. Her çubukta, ağırlıklar II serbestçe hareket edebilir ve sabitlenebilir, bu da sarkaç çapraz parçasının atalet momentlerini kademeli olarak değiştirmeyi mümkün kılar.

Alt brakete (4) bir fotoelektrik sensör (15) takılmıştır, bu sensör, zaman aralıklarının sayımını bitirmek için kronometreye (16) bir elektrik sinyali gönderir. Aynı brakete, durdurulduğunda yükün çarptığı bir lastik amortisör 17 takılıdır.

Sarkaç, ağırlıkların ilk ve son konumunu belirleyen bir milimetre cetveli 18 ile donatılmıştır.

Kurulum, dönme hareketi M = I ε dinamiklerinin temel yasasını deneysel olarak doğrulamayı mümkün kılar. Bu çalışmada kullanılan sarkaç bir salıncaktır.

haç şekli verilen fiğ (Şek. 2). Birbirine dik dört çubuk üzerinde, m f kütleli ağırlıklar hareket edebilir. Ortak bir eksen üzerinde bir makara vardır, üzerine bir iplik sarılır, ek bir bloğun üzerine atılır, ucuna bir takım ağırlıklar bağlanır. Düşen ağırlığın etkisi altında m ben

iplik gevşer ve volanı eşit şekilde hızlandırılmış harekete sürer. Sistemin hareketi aşağıdaki denklemlerle tanımlanır:

a, yükün indirildiği ivmedir; I 1 - r 1 yarıçaplı ek bir bloğun atalet momenti; M Tr 0 - ek bloğun eksenindeki sürtünme kuvvetlerinin momenti; I 2 - bir yük, iki kademeli bir kasnak ve bir çapraz parça patronu ile çapraz parçanın toplam atalet momenti; M tr - kasnak eksenindeki sürtünme kuvvetlerinin momenti; r 2, ipliğin sarıldığı kasnağın yarıçapıdır (r 1 = 21 mm, r 2 = 42 mm); ε 1, ε 2 - bloğun açısal ivmesi ve

ε 2'nin farklı değerleri, iplikten asılı olan bir dizi ağırlık tarafından sağlanır.

Böylece deneysel noktaları elde ettikten Doğrusal ilişkiε 2'den M, (2.3) kullanılarak hem I 2 hem de M tr değerini bulmak mümkündür. I 2 ve M tr doğrusal regresyon formülleri ile belirlenir (yöntemle en küçük kareler).

Gözlem yapmak için talimatlar

1. Ağırlıkları, çubukların uçlarından aynı uzaklıkta, birbirine dik dört çubuk üzerine yerleştirin.

Ayar ayaklarını kullanarak, ana ağırlığı çekül çizgisi olarak olan bir ipliği kullanarak tabanın konumunu ayarlayın (ağırlıklar, fotosensörün çalışma penceresinin ortasına düşerek milimetre cetveline paralel hareket etmelidir).

3. Çapraz parçayı saat yönünün tersine çevirerek, ipliği daha büyük yarıçaplı bir diskin etrafına sararak ana ağırlığı üst konuma getirin.

4. Kronometrenin ön panelinde bulunan “AĞ” düğmesine basın (bu durumda, kronometrenin fotosensör lambaları ve dijital göstergeleri yanmalı ve elektromanyetik kavrama çalışmalıdır) ve çarpı işaretini sabitleyin.

v verilen pozisyon.

5. "RESET" düğmesine basın ve göstergelerin sıfıra ayarlandığından emin olun.

6. “BAŞLAT” düğmesine basın (ana yük hareket etmeye başlar) ve basılı durumda tutarken elektromıknatısın enerjisinin kesildiğinden, çapraz parçanın dönmeye başladığından, kronometrenin zamanı geri saydığından ve ana yük fotosensörün optik eksenini geçtiği anda, zaman sonlarını sayar. Zaman sayımını durdurduktan sonra "BAŞLAT" düğmesine geri dönün

v ilk pozisyon... Bu durumda elektromanyetik kavrama çalışmalı ve çapraz parçayı frenlemelidir.

7. "BAŞLAT" düğmesine basarken, ipliği daha büyük yarıçaplı bir diske sararak ağırlığı üst konuma yükseltin. "BAŞLAT" düğmesini orijinal konumuna getirin ve cetvel ölçeğinin değerini yazın h 1, buna karşı ana alt kenarın

kargo. Fotosensörün optik ekseninin konumu, cetvel ölçeğinde h 0 = 495 mm değerine karşılık gelir. “RESET” düğmesine basarak kronometre göstergelerini sıfırlayın.

8. Madde 6'daki talimatları izleyerek yükü indirme süresini geri sayın. Sonuçları tabloya kaydedin.

9. PP'ye göre ölçümler. 7 ve 8'i 3 kez çizin.

10. Ana yüke ilave olarak, asılı yüklerin kütlesinin her bir değeri için 3 kez ölçün S ve t: S = h 0 - h 1.

11. PP'ye göre ölçümler. 8..10 kurşun, ipliği daha küçük yarıçaplı bir diske sarın.

12. Tablonun türünü kendiniz geliştirin.

Sonuç işleme görevleri

(2.3) denkleminden, en küçük kareler yöntemini (OLS) kullanarak, belirleyin

ben 2 ve M tr.

a) Bunu yapmak için, formül (2.4) ve (2.5) ile tüm m i ve I 2 değerleri için M k ve ε 2 k (toplam 18 çift değer) değerlerini hesaplayın;

b) Y = aX + b doğrusal bağımlılığını ve denklem (2.3) karşılaştırarak, elde ederiz

X = ε 2, Y = M, a = I 2, b = M tr.

Normal lineer regresyon formüllerini kullanarak buluruz , ∆ bir ve , ∆ b belirli bir güven düzeyi için.