WAHADŁO OBERBECKA (zakres szkoły średniej)

WAHADŁO OBERBECKA
(zakres szkoły średniej)
Data wykonania ćwiczenia:
Nazwa szkoły, klasa:
Dane uczniów:
1
4
2
5
3
6
INFORMACJE BHP
1. Układ pracuje pod napięciem. Włączenie urządzenia może nastąpić tylko pod kontrolą Nauczyciela.
2. Możliwość potłuczenia kończyn spadającym ciężarkiem. Proszę dobrze dokręcać ciężarki na krzyżaku
wahadła!
UKŁAD POMIAROWY
Przyrząd umożliwia pośredni pomiar
przyspieszenia kątowego układu (krzyżaka
z obciążnikami) obracającego się przy różnych
ustalonych wartościach momentu bezwładności
oraz momentu siły. Zarówno moment
bezwładności układu, jak i moment siły
przyłożony do krzyżaka można zmieniać w
sposób skokowy. Moment bezwładności układu
zmienia się przesuwając tulejki wzdłuż ramion
krzyżaka. Moment siły można zmienić nawijając
nitkę na jeden z dwóch krążków, lub zmieniając
liczbę ciężarków na szalce obciążnika. Koło
zamachowe (1) wykonane jest w postaci krzyżaka
(2), na którego ramionach znajdują się
przesuwane ciężarki (3) o masie m. Na osi
krzyżaka umocowany jest krążek, na który
nawinięto nić (4) przerzuconą przez bloczek (5).
Do drugiego końca nici przymocowany jest
ciężarek.
Podczas opadania szalka z ciężarkami
dwukrotnie przecina strumień świetlny złącz
optoelektronicznych (6) i (7), co powoduje
uruchomienie i następnie zatrzymanie cyfrowego
stopera (8). Współosiowo z krążkiem (1)
osadzony jest hamulec elektromagnetyczny
utrzymujący w spoczynku układ krążka, nici i
ciężarka. Przejście ciężarka przez dolne złącze optoelektroniczne (7) wyzwala impuls
włączający napięcie zasilania elektromagnesu i w konsekwencji zahamowanie ciężarka
(a także krążka z krzyżakiem). Drogę opadania ciężarka h (odległość pomiędzy złączami
optoelektronicznymi) można zmieniać, a skala
przymocowana do kolumny wspornikowej
pozwala drogę tę zmierzyć.
Na osi koła zamachowego znajdują się dwa
krążki o różnych promieniach r1 i r2. Można więc
zmieniać działający moment siły nie tylko przez zmianę
obciążenia m0. Prowadzący ćwiczenia ustala warunki
eksperymentu.
POMIARY
1. Zmierzyć następujące wielkości:
Masa ciężarka obciążnika
m0
= _______ g =_______kg
Masa ciężarka na krzyżaku
m
= _______ g =_______kg
Droga opadania ciężarka
h
= _______ cm =_______m
Promień tarczy krzyżaka
r
= _______ cm =_______m
2. Przy wciśniętym przycisku START nawinąć nić na krążek podnosząc jednocześnie
szalkę z ciężarkami. Dolna krawędź ciężarków powinna się znaleźć na poziomie kreski
wygrawerowanej na górnym złączu. Zablokować tarczę krzyżaka za pomocą
elektromagnesu, zwalniając przycisk START.
3. Nacisnąć przycisk START i zmierzyć czas opadania ciężarka.
4. Wyzerować wskazanie czasomierza przyciskiem ZER.
5. Pomiary powtórzyć pięciokrotnie.
6. Podobne pomiary wykonać dla dziesięciu różnych położeń ciężarków na ramionach
krzyżaka. Odległość d zmieniać od 8 cm (czwarta rysa) do położenia możliwie
skrajnego.
7. Sporządzić wykres zależności kwadratu czasu opadania ciężarka od kwadratu
odległości ciężarków krzyżaka od osi obrotu.
8. Narysować prostą najlepiej pasującą do zaznaczonych punktów pomiarowych.
9. Wybrać dwa oddalone od siebie punkty (x,y) narysowanej prostej:
10. Obliczyć współczynnik
równań
x1
y1
x2
y2
kierunkowy prostej (czyli wielkość a), rozwiązując układ
 y 1 = ax 1 + b

 y 2 = ax 2 + b
Odległość
ciężarków od osi
obrotu d
Lp.
d, cm
d, m
Czas opadania t, s
1
2
3
4
5
<t>, s
u(<t>)1, s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11. Obliczyć moment sił tarcia występujących w układzie wahadła2
T = m 0 gr −
8hm
.
ar
12. Obliczyć całkowity moment bezwładności krążka i ramion krzyżaka (bez ciężarków)
b
I0 = 4 m − m 0 r 2 .
a
Gliwice, dnia:
1
2
Podpis prowadzącego:
wg polecenia Nauczyciela
wszystkie wielkości muszą być wyrażone w jednostkach układu Si