Для всех специальностей и направлений обучения

 

Лысьва – 2006г.

Составил: А.Н.Селиванов. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Физика. Механика, молекулярная физика и термодинамика», 74 с.

 

 

Утверждено на заседании кафедры ЕН

«» 2006г.

 

Зав. кафедры ЕН доцент А.В. Волков

 

 

Практикум включает в себя 12 лабораторных работ. В начале каждой работы даны краткие теоретические сведения, а в конце – вопросы для самоконтроля. Приведен порядок выполнения работ.

Практикум предназначен для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения. Студенты всех форм обучения выполняют лабораторные работы в пределах учебной нагрузки.

 

Лысьвенский филиал

Пермский государственный

технический университет,

2006г

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ, НА ПРИМЕРЕ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ЦИЛИНДРА.. - 4 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРУЖИННОГО МАЯТНИКА.. - 8 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА.. - 15 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ – ПРУЖИННАЯ ПУШКА.. - 27 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
СВОБОДНОЕ ПАДЕНИЕ.. - 30 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ИЗМЕРЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ. ТЕОРЕМА ШТЕЙНЕРА.. - 34 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ С_р/С_v ДЛЯ ВОЗДУХА
ПО КЛЕМАНУ-ДЕЗОРМУ.. - 42 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ВОЗДУХА ПО ИСТЕЧЕНИЮ ИЗ КАПИЛЛЯРА.. - 47 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ
МЕТОДОМ СТОКСА.. - 54 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ.. - 58 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
ФИЗИЧЕСКИЙ МАЯТНИК.. - 63 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГОСТИ ПРУЖИН И СИСТЕМ ПРУЖИН.
КОЛЕБАНИЯ ТЕЛА НА ПРУЖИНЕ. ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ.. - 70 -

Приложение - 77 -

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ, НА ПРИМЕРЕ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ЦИЛИНДРА

Цель работы: ознакомиться с методом обработки результатов измерений.

Приборы и принадлежности: цилиндр, штангенциркуль, микрометр.

Порядок выполнения работы

1. Штангенциркулем измерить не менее 7 раз (в разных местах и направлениях) диаметр цилиндра. Результаты записать в таблицу 1.1.

2. Вычислить среднее значение диаметра:

,

где n – число измерений, i – номер измерения.

3. Вычислить , , .

4. Задавшись надежностью = 0,95, по таблице выбрать коэффициенты Стьюдента и .

5. Определить приборную погрешность .

6. Вычислить абсолютную ошибку (полуширину доверительного интервала) в определении диаметра цилиндра:

.

7. Вычислить относительную погрешность

и результат представить в виде

, , при = 0,95.

8. В таком же порядке обработать результаты для высоты цилиндра h и результаты записать в таблицу 1.1.

9. Вычислить среднее значение объема цилиндра:

.

10. Вычислить относительную погрешность определения объема:

, где .

11. Вычислить полуширину доверительного интервала:

.

12. Результаты записать в виде:

, , при = 0,95.

13. Взять микрометр и повторить пп. 1-7.

14. По результатам полученных измерений, сделать сравнительный анализ для диаметров цилиндра.

Таблица 1.1

Прибор	№ изм.	di, мм	di -< d >, мм	(di - < d >)^2, мм^2	hi, мм	hi - < h >, мм	(hi - < h >)^2, мм^2
Штанген-циркуль
Сумма
Среднее значение
Микро-метр
Сумма
Среднее значение

 

Как производить измерения штангенциркулем и микрометром см. в приложении к лабораторной работе!

ПРИЛОЖЕНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №1

Измерение штангенциркулем

На рис.1.1 изображен штангенциркуль ШЦ – 1 – 150 – 0,1 (в настоящей лабораторной работе используется штангенциркуль другого типа ШЦ – 1 – 250 – 0,05, имеющий аналогичное устройство и в два раза более высокую точность измерения).

 

Рис. 1.1. Устройство штангенциркуля: 1 – штанга; 2,4,5,6 – губки; 3 – подвижная рамка; 7 – стопорный винт; 8 – рейка.

Прибор со­стоит из штанги (1) с делениями ценой в 1 мм, на одном конце которой имеется губка (2), и подвижной рамки (3)с прикрепленной к ней губкой (4). На рамке (3)нанесена шкала нониуса, обеспечивающая точность отсчета до 0,1 мм. При сомкнутых губках первое деление шкалы нониуса совпадает с нулевым деле­нием шкалы штанги.

Сверху на штанге (1) и на подвижной рамке (3)расположены губки (5, 6)для измерения внутренних размеров. Закрепление подвижной рамки (3) осуществляется винтом (7). На задней стороне штанги есть паз, в котором перемещается рейка (5), соединенная с подвижной рамкой (3). С помощью этой рейки (8) прово­дится измерение глубин отверстий или пазов деталей.

Для измерения размера тела грани губок штангенциркуля приводятся в соприкосновение с его поверхностью, как бы обхватывая ее. Размер определяется по шкале штанги следующим образом:

— если нулевое деление нониуса совпадает с каким-либо делением шкалы штанги, например, с двадцать первым, то это деление и показывает линейный размер изделия в целых миллиметрах;

— если нулевое деление нониуса не совпадает ни с одним из деле­ний шкалы штанги, то ближайшее слева деление на ней показывает целое число миллиметров, а число десятых долей миллиметра равно порядковому номеру деления нониуса, совпавшего с одним из делений шкалы штанги.

Измерение микрометром

На рис.2.1 изображен микрометр МК-25 во время измерения и пока­заны в увеличенном виде части шкал. Прибор состоит из двух основных узлов: скобы (1) с пяткой (2)и стеблем (3)с внутренней резьбой, а также микро­метрического измерительного винта (7) с закрепленным на нем барабаном (4). Рабочий ход микрометрического винта 25 мм, шаг резьбы 0,5 мм.

Рис. 2.1.

Устройство микрометра:

1 – скоба;

2 – пятка;

3 – стебель;

4 – барабан;

Трещотка; 6 – стопор.

 

 

Полные обороты винта отсчитываются по основной полумиллиметровой шкале, нанесенной на стебле (3). Доли оборо­та — по круговой шкале барабана, имеющей 50 делений (цена де­ления барабана — 0,01 мм). При сомкнутых торцевых измеритель­ных плоскостях пятки и микрометрического винта нулевой штрих шкалы барабана должен точно совпадать с продольным штрихом, нанесенным на стебле, а скошенный край барабана — с нулевым штрихом полумиллиметровой шкалы стебля. Измеряемое изделие зажимается между измерительными плоскостями микрометра. По­стоянство измерительного усилия обеспечивается фрикционным устройством (трещоткой) (5). При измерениях следует завинчи­вать микрометрический винт не барабаном, а трещоткой. Завинчи­вание должно совершаться медленно и плавно. Завертывание про­изводится до того момента, пока трещотка не пойдет вхолостую, то есть будет вращаться, не вызывая поступательного движения винта. Стопор (6)на скобе (1) обеспечивает закрепление микрометриче­ского винта.

Отсчет показаний микрометра ведется следующим образом. На­чалом отсчета служит нулевой штрих шкалы барабана. Барабан следует вращать только по часовой стрелке. Счет ведется в сторо­ну нарастания номеров штрихов. Кромка скоса барабана указыва­ет число целых миллиметров и полумиллиметров на основной шкале. Порядковый номер штриха барабана, совпадающего с продоль­ным штрихом основной шкалы, показывает число сотых долей мил­лиметра, которое добавляется к показанию основной шкалы.

Пусть, например, кром­ка скоса барабана указывает 7 делений на основной шкале, а по­рядковый номер штриха барабана, совпавшего с продольным штрихом основной шкалы, равен 39. Следовательно, это будет 7 мм + 0,39 мм = 7,39 мм; или кромка скоса барабана указывает 7 миллиметров и 1 полумиллиметр, а с продольным штрихом основ­ной шкалы совпал 28-й штрих барабана. Получаем: 7 мм + 0,5 мм + 0,28 мм = 7,78 мм.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРУЖИННОГО МАЯТНИКА

Цель работы: познакомиться с особенностями свободных незатухающих и затухающих колебаний.

Приборы и принадлежности: установка - пружинный маятник с набором грузов и шкалой, секундомер, сосуд с водой.

Теоретические сведения

Механические колебания - это многократно повторяющиеся движения тела, т.е. движения, при которых тело периодически (через равные промежутки времени) проходит через одно и то же положение в одном и том же направлении.

Простейшими и в то же время часто встречающимися являются гармонические колебания - такие колебания, которые происходят по закону синуса (косинуса).

В зависимости от характера воздействия, оказываемого на колеблющуюся систему, различают свободные (собственные) колебания, вынужденные колебания, автоколебания и другие. Рассмотрим свободные колебания.

Свободными называются колебания, которые происходят системе, предоставленной самой себе, после того, как она однажды была выведена из положения равновесия. Различают незатухающие и затухающие свободные колебания, хотя, строго говоря, незатухающих свободных колебаний в природе не бывает. Рассмотрим свободные колебания на примере пружинного маятника, представляющего собой тело (материальную точку), подвешенное на пружине (рис. 2.1).

В состоянии равновесия сила тяжести тела Р = m g (m - масса тела, g - ускорение свободного падения) уравновешивается упругой силой, действующей на тело со стороны пружины (k - коэффициент жесткости пружины, x ₀ - равновесное удлинение пружины).

Таким образом,

(2.1)

Если тело вывести из состояния равновесия (например, оттянуть вниз), а затем отпустить, то оно начнет колебаться. Это и есть свободные колебания. Выясним характер этих колебаний, пренебрегая пока силами трения.

На колеблющееся тело по-прежнему действуют сила тяжести mg и упругая сила , где x ₁ - общее удлинение пружины (см. рис.2.1), разное для различных моментов времени. Знак минус указывает на то, что упругая сила направлена в сторону, противоположную смещению. Следовательно, уравнение движения запишется так:

(2.2)

Или, учитывая равенство (2.1),

(2.3)

Обозначив х ₁- х ₀ = х - смещение тела от положений равновесия перепишем выражение (2.3) в виде

или (2.4)

k и т - величины сугубо положительные, поэтому их отношение можно представить в виде квадрата некоторого числа , тогда уравнение (2.4) запишется как

(2.5)

Решение уравнения (2.5) имеет вид

(2.6)

Выражение (2.6) называют уравнением колебаний. Здесь А и a – постоянные зависящие от начальных условий; А называют амплитудой колебаний, a- начальной фазой, - фазой колебаний; циклическая частота колебаний, т.е. число колебаний за секунд.

Часто для характеристики колебаний указывают период колебаний – Т (время одного полного колебания) и частоту колебаний n (число колебаний за единицу времени).

Очевидно что,

(2.7)

Выражение (2.6) показывает, что при данных условиях колебания являются гармоническими и незатухающими (рис.2.2).

Как уже отмечалось, строго незатухающих свободных колебаний не бывает. Дело в том, что энергия колеблющейся системы постепенно расходуется на преодоление сил трения, которые всегда имеют место, поэтому амплитуда колебаний уменьшается. Говорят, что колебания носят затухающий характер.

При небольших скоростях движения тела сила трения пропорциональна :

(2.8)

Уравнение движения маятника с учетом сил трения запишется так:

Или, введя обозначения и перенеся все слагаемые влево от знака равенства, получим

(2.9)

Решением уравнения (2.9) является выражение

(2.I0)

где - циклическая частота свободных затухающих колебаний;

- амплитуда колебаний. Она, очевидно, убывает с течением времени по экспоненте, A ₀ - начальная амплитуда. График уравнения

(2.10) представлен на рис. 2.3. Величина характеризует скорость затухания. Она называется коэффициентом затухания.

Легко видеть, что , где t_e время колебаний, за которое амплитуда уменьшилась в е раз.

Скорость затухания характеризуют и двумя другими величинами: декрементом затухания , равным отношению. двух соседних (отстоящих по времени на период Т) амплитуд. Логарифмическим декрементом затухания, равным, по определению, натуральному логарифму от декремента затухания:

(2.11)

Оказывается, , где N_е - число колебании, за которое амплитуда уменьшается в е раз.

 

Описание установки, метод определения

Установка (рис. 2.4) представляет собой штатив 1, на кронштейне которого закреплена пружина 2. К нижнему концу пружины подвешена платформа 3 со съемными грузами 4. Верхний конец платформы снабжен указателем 5, который при смещении маятника скользит вдоль масштабной линейки 6 с зеркалом.

Для получения быстро затухающих колебаний платформу с грузами помещают в сосуд с водой. Коэффициент затухания определяют из следующих соображений при затухающих колебаниях амплитуда N -го колебания связана с начальной амплитудой А ₀ соотношением

,

где t_N - время N колебаний, за которое амплитуда уменьшилась от А ₀ до А_{N .} Отсюда

(2.12)

Порядок выполнения работы