LAB instrukcje, Ćwiczenie 13, Przebieg _wiczenia:


Ćwiczenie 13

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Wstęp:

Przyspieszeniem ziemskim nazywamy przyspieszenie swobodnego spadku ciał pod wpływem ich ciężaru Q. Zgodnie z II zasadą dynamiki:

0x01 graphic
(1)

gdzie: g - przyspieszenie ziemskie,

m - masa ciała.

Przyspieszenie ziemskie zmienia się w niewielkim zakresie w różnych punktach powierzchni Ziemi ze względu na zmienność ciężaru. Ciężar jest wypadkową skierowaną do środka Ziemi siły grawitacji oraz odśrodkowej siły bezwładności spowodowanej ruchem obrotowym Ziemi wokół jej osi:

0x01 graphic
(2)

Wartość siły bezwładności oraz jej kierunek względem kierunku siły grawitacji są zależne od szerokości geograficznej. Z tego powodu ciężar ciała jest wielkością zmienną zależną od miejsca na Ziemi, w którym ciało się znajduje.

0x01 graphic

Rys.1.

0x01 graphic
(3)

gdzie: ω - prędkość kątowa ruchu obrotowego Ziemi,

T - okres obiegu Ziemi wokół jej osi,

r - promień okręgu po którym porusza się ciało.

Na biegunach siła odśrodkowa nie występuje, dlatego ciężar przyjmuje tam największą wartość równą sile grawitacji działającej na ciało. Na równiku siła odśrodkowa ma ten sam kierunek, co siła grawitacji, a jej zwrot jest przeciwny. Ciężar jest najmniejszy. Drugim czynnikiem wpływającym na zmienność ciężaru jest spłaszczenie powierzchni Ziemi na biegunach. Kształt Ziemi jest zbliżony do kształtu spłaszczonej elipsoidy obrotowej. Jej krótsza półoś przechodząca przez biegun ma długość RB = 6356,91 km, natomiast półoś równikowa RR = 6378,79 km. Fakt ten zwiększa jeszcze bardziej różnicę pomiędzy ciężarem biegunowym i równikowym.α

Pomiary przyspieszenia ziemskiego na różnych szerokościach geograficznych pozwoliły na sformułowanie następującej zależności:

0x01 graphic
(4)

gdzie: α - szerokość geograficzna.

Najmniejsza i największa wartość przyspieszenia g wynosi odpowiednio:

0x01 graphic

Innym czynnikiem wpływającym na miejscowe zróżnicowanie ciężaru jest zmienna gęstość Ziemi. W częściach Ziemi zawierających złoża mineralne, których gęstość różni się od jej średniej gęstości, obserwuje się wyraźne lokalne zmiany wartości przyspieszenia ziemskiego. Fakt ten jest wykorzystywany w badaniach geologicznych skorupy ziemskiej.

W danym miejscu powierzchni Ziemi przyspieszenia spadku swobodnego wszystkich ciał jest oczywiście takie samo. Gdyby zaniedbać ruch obrotowy Ziemi i zmienność jej promienia wówczas można przyjąć, że:

0x01 graphic
(5)

czyli:

0x01 graphic
(6)

gdzie: G - stała grawitacji,

R - średni promień Ziemi,

h - wysokość ponad powierzchnią Ziemi,

M - masa Ziemi

Przyspieszenie ziemskie zależy więc od wysokości ponad powierzchnią Ziemi. Na wysokości 300 km zmniejsza się o około 1 m/s. Przy małych wysokościach dochodzących do kilku kilometrów nad powierzchnią Ziemi, przyspieszenie ziemskie można uważać z bardzo dobrą dokładnością za stałe

Przyrządy:

Wahadło rewersyjne, stoper, przymiar z podziałką milimetrową

Wahadłem rewersyjnym (odwracalnym) nazywamy bryłę sztywną, która zawieszona kolejno na dwóch osiach równoległych leżących po przeciwnych stronach jej środka ciężkości w nierównych od niego odległościach, ma taki sam okres drgań.

Okres swobodnych drgań dowolnego wahadła fizycznego wynosi:

0x01 graphic
(7)

gdzie: l - moment bezwładności wahadła względem osi zawieszenia równoległej do osi O lecz

przechodzącej przez środek ciężkości wahadła,

m - masa wahadła

d - odległość środka ciężkości S wahadła od osi obrotów.

Powyższe równanie jest słuszne dla małych wychyleń wahadła z położenia równowagi (0x01 graphic
)

Zgodnie z twierdzeniem Steinera moment bezwładności:

0x01 graphic
(8)

gdzie: l - moment bezwładności wahadła względem osi równoległej do osi O lecz przechodzącej

przez środek ciężkości wahadła.

Na podstawie równań (7) i (8) okres swobodnych drgań można zapisać zgodnie ze wzorem:

0x01 graphic
(9)

0x08 graphic
Istnieje inna oś P leżąca na linii OS (rys.2), po przeciwnej stronie środka ciężkości o własności takiej, że okres drgań wahadła wokół tej osi jest taki sam ja dla osi O. Zgodnie z oznaczeniami na rysunku:

0x01 graphic
(10)

Porównując równania (9) i (10) wynika, że równość okresów ma miejsce, gdy:

0x01 graphic
(11)

czyli:

0x01 graphic
(12) rys.2.

0x01 graphic
(13)

0x01 graphic
(14)

Ostatnie równanie (14) określa odległość środka ciężkości wahadła od osi P.

Korzystając z równania (13), w którym moment bezwładności wahadła wyrażony jest przez odległość r, okres drgań wahadła można przedstawić w inny sposób. Podstawiając (13) do równań (9) i (10) otrzymujemy:

0x01 graphic
(15)

gdzie: l - odległość między osiami O i P, dla których okres drgań wahadła jest taki sam.

Wzór (15) opisuje okres drgań wahadła matematycznego o długości l. Długość tą nazywamy długością zredukowaną wahadła. Jeśli dla danego wahadła fizycznego wyznaczona zostanie odległość l między osiami zawieszenia o tym samym okresie drgań oraz zmierzona zostanie wartość tego okresu T, to wówczas możliwe jest wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego zgodnie z przekształconym wzorem (15) do postaci:

0x01 graphic
(16)

0x08 graphic
Wahadło rewersyjne zastosowane w ćwiczeniu ma postać stalowej sztaby, na której znajduje się obciążnik M w kształcie dysku (rysunek obok). Obciążnik można przesuwać w odczytywać jego położenie na skali naniesionej na sztabę. Dwa pryzmaty przymocowane prostopadle do sztaby pełnią rolę osi zawieszenia O i P. Odległość osi jest zatem w doświadczeniu ustalona. Przesuwanie obciążnika wzdłuż sztaby powoduje zmianę położenia środka ciężkości wahadła względem osi. W trakcie przeprowadzania doświadczenia znajdowane jest takie położenie obciążnika, przy którym okresy wahań wahadła względem obu osi staja się takie same. Wtedy odległość między osiami staje się długością zredukowaną wahadła.

Przebieg ćwiczenia:

  1. Zmierzyć odległość pomiędzy osiami wahadła l = O1O2 i oszacować błąd tego pomiaru Δl.

  1. Zawiesić wahadło na ostrzu O1 i przesunąć masę M na środek pręta.

  1. Wykonać serię m=10 pomiarów czasu t dziesięciu drgań (n=10) bez zmiany położenia masy M. Wyniki zanotować w tab.1 i na ich podstawie obliczyć wartość średnią t i średni błąd kwadratowy St pojedynczego pomiaru skorygowany przez odpowiedni współczynnik Studenta-Fishera:

St = S'ttα,m

0x01 graphic

Tab.1.

t1 [s]

t2 [s]

t3 [s]

....

t9 [s]

t10 [s]

t [s]

S't [s]

tα,m

St [s]

  1. Przesunąć masę M do ostrza swobodnego O2 i wykonać serię pojedynczych pomiarów czasów t' dziesięciu drgań przesuwając masę M w kierunku osi wahadła, co 5 cm (kolejne położenia kn masy M zaznaczone są na pręcie liniami).

  1. Obrócić wahadło i zawiesić je na drugiej osi, po czym powtórzyć pomiary jak w punkcie 4 mierząc czasy t''.

  1. Wyniki pomiarów zanotować w tab.2 i na ich podstawie sporządzić wykresy t'=f(kn) i t''=f(kn) w tym samym układzie współrzędnych. Na każdy punkt pomiarowy nanieść "słupek" błędu o wysokości 2St i narysować gładkie krzywe zmian czasów t' =f(kn) i t''=f(kn).

  1. Z wykresu odczytać współrzędne t'0 i t''0 punktów przecięcia się krzywych t'(kn) i t''(kn).

  1. Obliczyć średni czas dziesięciu drgań t0 = (t'0 + t''0)/2 i oszacować błąd Δt0 wg wzoru :

0x01 graphic

gdzie: Δt'0 = |t'0 - t''0|/2

  1. Obliczyć okres drgań wahadła T0.

  1. Obliczyć przyspieszenie ziemskie g i błąd bezwzględny Δg ze wzorów:

0x01 graphic

0x01 graphic

  1. Wyniki obliczeń zamieścić w tab.3.

Tab.2.

kn [cm]

t' [s]

t'' [s]

Tab.3.

t'0= [s]

t''0= [s]

t0= [s]

Δt'0= [s]

Δt0= [s]

T0= [s]

l= [m]

Δl= [m]

g= [m/s2]

Δg= [m/s2]

Wymagania:

7



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Ćwiczenie 13, Przebieg _wiczenia:
LAB instrukcje, Ćwiczenie 76, Ćwiczenie 76
LAB instrukcje, Ćwiczenie 15, Ćwiczenie 15
LAB instrukcje, Ćwiczenie 80, Ćwiczenie 80
LAB instrukcje, Ćwiczenie 85, I
BIOLOGIA lab instrukcje 2012 13
LAB instrukcje, Ćwiczenie 63, Ćwiczenie 63
LAB instrukcje, Ćwiczenie 66, Równanie (1) przyjmuje wówczas posta_:
LAB instrukcje, Ćwiczenie 72, Ćwiczenie 72
LAB 2 Instrukcja wykonania cwiczenia
Lab 1 Instrukcja wykonania cwiczenia Stal weglowa i stopowa
Elektrotechnika ćwiczenie 13 - sprawozdanie, Politechnika Lubelska, Studia, Elektrotechnika, ELEKTRO
Instrukcja do ćwiczenia(13), Zespół Szkół Elektroniczno - Elektrycznych
LAB 3 Instrukcja wykonania cwiczenia ulepszanie cieplne stali
Elektrotechnika ćwiczenie 13 - protokół, Politechnika Lubelska, Studia, Elektrotechnika, ELEKTROTECH
LAB 2 Instrukcja wykonania cwiczenia

więcej podobnych podstron