Лабораторная работа №4

ИЗУЧЕНИЕ ПРИБОРА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА

Оборудование: прибор для изучения закона сохранения импульса (ПЗСИ), измерительная линейка, штатив, весы, разновес, динамо­метр, уровень, копировальная бумага.

Выполнение работы

Описание прибора:

Корпус прибора представляет собой пластмассовую платфор­му 3 коробчатой формы со сквозным отверстием и стопорным вин­том для фиксации его на стойке лабораторного штатива. Поперек

корпуса имеется желоб, в который укладываются снаряды 1 и 2. Внутри корпуса закреплена плоская пружина со скобой-фиксатором, кото­рая служит для установки и закрепления снарядов.

Снаряды представляют собой пластмассовые цилиндры оди­накового диаметра и одинаковой массы, но имеющие различную окраску.

В один из снарядов вставлена пружина, длину рабочей части которой можно изменять, ввертывая и вывёртывая её из внутрен­ней полости снаряда, и тем самым менять усилие сжатия. Второй снаряд имеет выступ, который при соединении снарядов входит внутрь первого и сжимает пружину.

На противоположных концах снаряда имеются стержни с резьбой, служащие для закрепления сменных грузов. Оба снаряда имеют кольцевые выточки, позволяющие осуществлять соединение снарядов на корпусе прибора в надежно зафиксированном положе­нии. При нажатии на клавишу 4 осуществляется одновременный пуск снарядов.

На корпусе прибора на осевой линии – центре приложения сил – закреплен отвес.

Для измерения силы сжатия пружины служит приспособле­ние, состоящее из скобы, которая надевается на снаряд, и дужки, за которую присоединяют динамометр. Сменные грузы имеют шаровую форму. Большой груз – металлический, два малых груза – пластмассовые. Масса грузов по­добрана таким образом, чтобы масса любого снаряда вместе с большим грузом была ≈40 г, а масса снаряда вместе с малым грузом ≈20 г.

Для проведения работ корпус прибора закрепить на лабора­торном штативе на высоте 20-30 см от поверхности стола. Уровнем проверить горизонтальность установки корпуса. Снаряды соединить друг с другом и уложить в желоб корпуса прибора.

При проведении опытов со снарядами разной массы переки­нуть нить отвеса через выступ на лицевой стенке корпуса в сторону снаряда большей массы. Нажать на клавишу и произвести пробный выстрел. В местах падения снарядов справа и слева от отвеса поло­жить листы писчей бумаги и покрыть их копировальной бумагой.

Опыт 1. Сравнение масс двух тел.

Условия опыта: m₁ = m₂, где m₁ – масса одного снаряда, m₂ –масса другого снаряда.

При взаимодействии двух тел m₁ и m₂ имеем:

,

где и – средние ускорения, полученные телами в результате взаимодействия:

t – время взаимодействия тел.

Так как время одинаково для обоих тел, следовательно

,

где v₁ и v₂ – горизонтальные составляющие скорости, полученные телами в результате взаимодействия.

Поскольку движение снарядов происходит в воздухе с малыми скоростями, то сопротивлением воздуха можно пренебречь и дви­жение тел в горизонтальном направлении принять за равномерное.

s₁ = v₁t; s₂ = v₂t,

где s₁ и s₂ дальности полета снарядов, замеренные от средней ли­нии вправо и влево, t₁ и t₂ – время их паления (t₁ = t₂).

Снаряды начинают движение с одной высоты, поэтому время падения одинаково

Следовательно

.

Таким образом, для сравнения масс двух взаимодействующих тел достаточно сравнить дальности их полета. При проведении опыта производят 3–5 выстрелов и определяют усреднённые рас­стояния s_ср.1 и s_ср.2, где s_ср.2 – расстояние от отвеса влево от сред­ней точки. По результатам измерений находят соотношение:

Затем, с помощью весов находят массы снарядов m₁ и m₂ и, определив отношение , сравнивают его со средним отношением

.Опыт повторяют не менее трех раз, меняя высоту установки прибора и силу упругости пружины*.

Результаты опыта заносятся в таблицу.

Таблица 1.

№ п/п	sср.1, см	sср.2, см

*Силу упругости пружины можно изменить, вверти пружину до упора в торец внутреннего отверстия снаряда. При этом число рабочих витков пружины уменьшится и сила упругости изменится.

Опыт2. Измерение массы тела.

Для проведения опыта меняют у одного из снарядов массу, т.е. меняют съемный груз, таким образом m₁ не равно m₂. Анало­гично первому опыту определяют усредненные расстояния s_ср.1 и s_ср.2 и находят отношение

По известной массе одного снаряда находят массу другого

снаряда

Проверяют результат, определив массу взвешиванием. Опыт проводят не менее трех раз, меняя высоту установки прибора и си­лу упругости пружины аналогично первому опыту.

Опыт 3. Проверка закона сохранения импульса.

Условия опыта: m₁ = m₂.

Вначале опыта снаряды находятся в состоянии покоя, затем во время выстрела получают импульсы в горизонтальном направле­нии. Значит, закон сохранения импульса двух тел можно записать так: m₁v₁ = m₂v₂ (без учета направлений).

Так как движение снарядов в горизонтальном направлении можно считать равномерным, то

Кроме того, время падения снарядов одинаково, поэтому можно записать: m₁s₁= m₂s₂.

Измерение дальности полета снарядов производится анало­гично предыдущим опытам:s_ср.1 и s_ср.2. Массы снарядов определяют взвешиванием на весах. Опыт повторяют не менее трех раз, меняя высоту установки и силу упругости пружины.

Таблица 2.

№ п/п	sср.1, см	sср.2, см	m1∙sср.1, г∙см	m2∙sср.2, г∙см

Совпадение конечных результатов в пределах точности изме­рений подтверждает закон сохранения импульса.

Опыт 4. Сравнение импульса силы упругости пружины с из­менением импульса снаряда.

Импульс силы равен изменению импульса тела на которое

действует постоянная сила, т.е.

В данной работе сила упругости пружины действует на сна­ряд, у которого v₀ =0,т.е. выстрел производится одним снарядом, а другой в это время прочно удерживается рукой на корпусе прибо­ра. Поэтому данное соотношение можно записать так:

где F– средняя сила упругости пружины, равная F_max /2.

Максимальную силу упругости F_max и массу снаряда измеря­ют.

Скорость снаряда v вычисляют по формуле:

где g – ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с²; h – высота закрепления корпуса прибора; s_ср.1 – дальность полета снаряда, ко­торая определяется аналогично предыдущим опытам.

Время полета снаряда определяется следующим образом:

и т.е.

где х – величина деформации пружины. Для ее нахождения изме­ряют у первого снаряда длину выступающей части (l₁) пружины, у второго – длину выступающей ножки (l₂); х = l₁ + l₂.

При выполнении опыта 4 установка прибора и все измерения проводятся аналогично измерениям в опытах 1,2,3. Измерения максимальной силы упругости пружины проводят с помощью при­способления следующим образом: у одного из снарядов отворачи­вают шарик и зажимают им скобу снаряд закрепляют в параллель­ной муфте штатива. Соединяют оба снаряда аналогично соедине­нию их на корпусе прибора. За дужку приспособления закрепляют крючок динамометра. Пружину снаряда сжимают с помощью дина­

мометра. Максимальную силу упругости определяют в момент рас­цепления снарядов, имитируя момент разлета при их взаимодейст­вии при выполнении работы. Опыт повторяют несколько раз, ме­няя силу упругости пружины. Все результаты измерений заносят в таблицу 4.

Методику расчета погрешностей прибора выработать само­стоятельно.

Таблица 4.

№ п/п	Sср.1,см	v, м/с	x, м	t, с	Fср, Н	mv1, 10^-2кгм/с	Ft, 10^-2кгм/с

Дата добавления: 2014-11-07