МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Лабораторный практикум
«МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА»
Под редакцией А.А. Плясова
Рекомендовано к изданию УМО "Ядерные физика и технологии"
Москва 2015
УДК 531(076.5) ББК 22.37я7 Л 12
Лабораторный практикум «Механика твердого тела»: Учебное пособие /
Под ред. А.А. Плясова. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. – 164 с.
Авт.: А.Б. Акимов (работы 1.17, 1.17а); С.Г. Бежанов (работа 1.22а); Н.Н. Взоров (работа 1.22); Н.В. Горбачева (работа 1.22); Ф.Н. Маркун (работа 1.17б); Д.А. Морозов (работа 1.18); А.А. Плясов (введение, работы 1.16, 1.16а, 1.18, 1.20, 1.21, 1.21а); В.Д. Попов (введение, работы 1.17, 1.17а, 1.19, 1.20, 1.21, 1.23, 1.24);
А.И. Романов (работы 1.18, 1.18а, 1.18б); И.С. Ромченко (работа 1.16); В.В. Светозаров (работа 1.18); В.В. Сурков (работа 1.18а); А.Н. Тюлюсов (работа 1.19); В.В. Флоренцев (работы 1.16, 1.18); О.Ю. Цупко (работа 1.24); О.В. Щербачев
(работа 1.23).
Практикум содержит описание девяти лабораторных работ, выполняемых студентами 1-го курса в течение 1-го семестра в лабораториях «Механика» кафедры общей физики МИФИ. Основное содержание работ – изучение основных законов динамики твердого тела (на примере поступательного, вращательного и плоского движения тел), измерительных методов и точных измерительных приборов, распространенных в физических лабораториях. Описание каждой работы состоит из теоретического введения с кратким изложением основных понятий и закономерностей, подробного описания измерительных приборов и методов измерений, контрольных вопросов.
Цель практикума – привить студентам навыки исследовательской работы, научить пользоваться современными измерительными приборами и аппаратурой, ознакомить с методами измерения физических величин и методами обработки результатов измерений. Большое значение придается также возможности самостоятельного наблюдения и изучения физических явлений и закономерностей.
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент канд. физ.-мат. наук В.Г. Байдулов
ISBN 978-5-7262-2140-3 |
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2015 |
|
Редактор Е.Н. Кочубей |
Подписано в печать 20.11.2015. Формат 60х84 1/16.
Печ. л. 10,25. Уч.-изд. л. 10,25. Тираж 1700 экз.
Изд. № 1/10. Заказ № 7.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., 31.
ООО «Баркас». 115230, Москва, Каширское ш., 4.
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие...................................................................................................... |
4 |
Лабораторная работа 1.16(1.16а). Определение ускорения свободного |
|
падения с помощью оборотного маятника................................................ |
5 |
Лабораторная работа 1.17(1.17а). Изучение динамики |
|
вращательного движения физических тел .............................................. |
18 |
Лабораторная работа 1.17б. Изучение динамики |
|
вращательного движения физических тел .............................................. |
38 |
Лабораторная работа 1.18(1.18а, 1.18б). Определение моментов |
|
инерции тел методом крутильных колебаний ...................................... |
47 |
Лабораторная работа 1.19. Определение эллипсоида инерции |
|
твердого тела методом крутильных колебаний...................................... |
73 |
Лабораторная работа 1.20. Изучение динамики поступательного |
|
движения тел с помощью машины Атвуда ............................................. |
88 |
Лабораторная работа 1.21(1.21а). Изучение динамики плоского |
|
движения физических тел ....................................................................... |
99 |
Лабораторная работа 1.22(1.22а). Изучение гироскопа......................... |
120 |
Лабораторная работа 1.23. Экспериментальное определение |
|
коэффициента трения качения с помощью наклонного маятника..... |
140 |
Лабораторная работа 1.24. Определение скорости пули с помощью |
|
баллистического маятника...................................................................... |
155 |
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Работы, содержащиеся в данном пособии, связаны с изучением одной из важнейших тем механики – динамики вращательного движения твер- дого тела. Эта тема является ключевой в курсе общей физики для студен- тов в первом семестре.
Лабораторные работы, вошедшие в практикум, создавались сотрудни- ками кафедры «Общей физики» НИЯУ МИФИ на протяжении всей исто- рии ее существования.
Данное издание содержит переработанное и дополненное в рамках мо- дернизации лаборатории «Механика» описание лабораторных работ по механике твердого тела, предназначенных для студентов факультетов А, КиБ, Ф, ЭТФ НИЯУ МИФИ. В издание вошли усовершенствованные опи- сания работ, ранее представленных в учебных пособиях: Лабораторный практикум «Механика твердого тела». Учебное пособие./ Под ред. В.Д. Попова. М.: МИФИ, 2008; Лабораторный практикум курса общей физики. Раздел «Механика». Учебное пособие. /Под ред. А.А. Плясова. М.: НИЯУ МИФИ, 2011.
Для подготовки к выполнению лабораторных работ настоящего прак- тикума рекомендуются следующие учебники и учебные пособия:
1.Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. М: Астрель АСТ, 2003. Гл. 5 «Механика твердого тела».
2.Иродов И.Е. Основные законы механики. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. Гл. 5 «Закон сохранения момента импульса».
3.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 1. Механика. М.: Физматлит, 2006. Гл. 7 «Механика твердого тела».
4.Светозаров В.В. Элементарная обработка результатов измерений.
М.: МИФИ, 2008.
4
Лабораторная работа 1.16 (1.16а)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА
Цель: изучение колебательного движения тел на примере обо- ротного маятника; определение ускорения свободного падения тел.
Оборудование: оборотный маятник, фотодатчик, электронный секундомер, штангенциркуль.
ВВЕДЕНИЕ
Физическим маятником называется твердое тело, способное совершать колебания около неподвижной точки, не совпадающей с центром масс этого тела.
Если покоящийся маятник отвести в сторону и отпустить (т.е. создать начальное смещение), то он начнет совершать колебания около положения равновесия. Время, за которое маятник совершает движение из одного крайнего положения в другое и возвращается обратно в первоначальное положение, называется
периодом колебаний маятника.
При плоском движении маятника его положение в каждый мо- мент времени можно задать с помощью одной переменной – угла отклонения ϕ из положения равновесия в плоскости колебаний. Величина наибольшего угла отклонения маятника из положения равновесия, достигаемая в ходе его колебаний, называется угловой
амплитудой колебаний.
Из-за наличия силы трения в оси, вообще говоря, колебания маятника будут затухающими, т.е. с течением времени максимальное отклонение маятника от положения равновесия (амплитуда) будет уменьшаться.
Частным случаем физического маятника является математиче- ский маятник. Математическим маятником называется идеализи- рованная система, состоящая из невесомой и нерастяжимой нити,
5