Мета роботи: визначити швидкість польоту кулі пневматичної гвинтівки динамічним і кинематическим способами.
Прилади й приналежності: стійка з електроприводом, пневматичну рушницю в прицільний верстаті, балістичний маятник, стробоскоп, два розмічених на сектора паперових диска, кулі, лінійка, транспортир.
Дана вправа служить одним із прикладів практичного використання процесу непружного удару для визначення швидкостей куль і снарядів методом балістичного маятника.
Балістичний маятник являє собою циліндричне тіло, частково заповнений пластиліном і підвішений на подвійному біфілярного підвісі, який має великий період коливань (рис.1).
За допомогою покажчика, жорстко пов'язаного з маятником, по шкалі можна фіксувати відхилення маятника від положення рівноваги.
При пострілі летить свинцева куля потрапляє в маятник і застряє в ньому. Цей процес можна описати законом збереження імпульсу при абсолютно непружного ударі:
де m - маса кулі, - швидкість кулі, М - маса балістичного маятника, 1 - швидкість маятника і кулі після удару.
Вважаючи масу кулі багато менше маятника, з (1) отримаємо:
Мал. 1. Баллистический маятник.
Швидкість маятника 1 можна визначити, використовуючи закон збереження повної механічної енергії. Отримавши в момент удару кінетичну енергію, маятник відхилиться від положення рівноваги, піднімаючись при цьому на деяку висоту H.
В крайньому положенні, коли маятник на мить зупиняється, його потенційна енергія дорівнює початковій кінетичної енергії:
Безпосередньо висоту H виміряти важко внаслідок її малості, але її можна виразити (з трикутника АОВ на рис. 1):
В умовах досвіду H< Підставляючи (6) в (4), а (4) в (2), отримаємо розрахункову формулу: де g - прискорення вільного падіння, L - відстань від центру мас маятника до точки підвісу, S - величина горизонтального відхилення маятника. 1. Визначити М масу маятника і масу кулі m зважуванням на вагах. 2. Визначити відстань L. 3. Відзначити початкове положення маятника. 4. прицілом в маятник, і, дотримуючись техніки безпеки, зробити постріл і одночасно зафіксувати відхилення маятника S по горизонталі. 5. Розрахувати швидкість польоту кулі за формулою (5). 6. Повторити досвід по пунктам 1 4 тричі, заносячи дані в таблиці. 7. Оцінити похибку досвіду. Установка для цього досвіду складається з вала, що приводиться в обертання електроприводом на який насаджені два картонних або паперових диска з розміченими секторами чорного і білого кольору і знаходяться на заданій відстані l один від одного. Диски розділені на парне число секторів (4 білих і 4 чорних) і зачерчени через один. Сектора служать для зручного визначення кутового зміщення отворів, пробитих кулею і для визначення частоти обертання дисків стробоскопічним методом. На відстані 15-20 см від першого диска в верстаті закріплюється рушницю. Якщо стріляти з рушниці в покояться диски, то при правильній установці рушниці, на обох дисках отвори розташуються на одній прямій, паралельної осі вала. Якщо ж стріляти в обертові диски, то отвори будуть зміщені. Пояснюється це тим, що за час, поки куля летить відстань від першого диска до другого, точка на другому диску, що лежить проти отвори на першому, встигає пройти дугу j. яку можна виміряти транспортиром при поєднанні дисків. Час польоту кулі між дисками для рівномірного руху кулі: де - швидкість польоту кулі. Це ж час можна виразити через кут повороту дисків на кут j і кутову швидкість обертання: де. Т - період обертання дисків. З (8) і (9) знаходимо швидкість польоту кулі (вважаємо, що вона однакова при вильоті з рушниці і між дисками): Для визначення періоду обертання дисків використовуємо стробоскопический метод, в основу якого покладено стробоскопічні освітлення, тобто освітлення короткими спалахами, такими через рівні проміжки часу. Прилади, що дозволяють отримати стробоскопічні освітлення, називаються стробоскопами і служать для спостереження і кількісного виміру часу періодичних процесів. Якщо світлові спалахи слідують через проміжки часу, точно збігаються з періодом руху тіла або кратні йому, то тіло здається зупинився. У даній роботі стробоскопом є прилад лампа-спалах якого може блимати із заданою за шкалою приладу частотою від 10 до 150 Гц. Якщо направити лампу на обертовий диск з розміченими секторами білого і чорного кольору, то можна вибрати таку частоту спалахів лампи при якій кількість секторів залишається тим же самим, що і без лампи і при цьому вони начебто не рухаються. При цьому чорний сектор за час між спалахами встигає переміститися в такий же сусідній чорний сектор (або білий переміститися в білий сектор). Це і створює ілюзію застиглого зображення. Якщо спробувати збільшувати частоту миготіння стробоскопа, то наступна частота при якій буде вийде нерухоме зображення буде в два рази більше першої. При цьому число чорних і білих секторів подвоїться (поясніть чому). Якщо перша частота дорівнює і кількість чорних (або білих) секторів одно n, то частота обертання: де - частота миготіння стробоскопа, при якій виходить нерухоме зображення. Наприклад, частота стробоскопа дорівнює 28 Гц при якій чорні або білі сектори на диску здаються нерухомими. Значить, частота обертання буде 7 Гц, якщо чорних або білих секторів на колі по чотири. Знаючи частоту обертання, можна знайти час одного обороту або період: З урахуванням (12) формула (10) набуває вигляду, який використовується при розрахунку швидкості польоту кулі кинематическим способом: 1. Встановити вал з дисками так, щоб зафарбовані сектори в напрямку вала збігалися. Диски добре закріпити. Виміряти відстань між дисками. 2. Включити стробоскоп і мотор, що обертає диски з чорними і білими секторами. Підбираючи частоту миготіння стробоскопической лампи, домогтися, щоб чорні сектора здавалися нерухомими. Зробити постріл. 3. Вимкнувши стробоскоп і двигун, відзначити зі зворотного боку дисків відповідні отвори від кулі. Записати частоту миготіння лампи стробоскопа. 4. Провести ще не менше трьох пострілів. 5. Зняти з вала диски і зробити виміри кута повороту диска j для кожного пострілу відповідно. Для цього накласти другий диск на перший так, щоб збігалися сектори і перенести відмічені точки з другого диска на перший, побудувати по точках кут і виміряти його транспортиром. 6. Розрахувати за формулою (13) швидкість польоту кулі, знайти середнє арифметичне значення швидкості. 7. Дані занести в таблицю. 8. Оцінити похибки досвіду. 9. Зробити письмовий висновок по роботі. 1. Дайте визначення пружного і непружного центрального удару. Запишіть закони збереження імпульсу і енергії для цих ударів. 2. Розповісти про динамічний і кінематичному методах визначення швидкості польоту кулі (з висновком розрахункових формул). 3. Викласти сутність стробоскопічного методу вимірювання часу для швидкоплинних періодичних процесів. 4. Поясніть відмінності в отриманих результатах. Які помилки впливають на точність виробленого досвіду? 1. Киттель Ч. Найт У. Рудерман М. Берклєєвський курс фізики. Т. 1. М. Наука. 1975. 2. Матвєєв О.М. Механіка і теорія відносності. М. Вища школа, 1976. 3. Керівництво до лабораторних занять з фізики. Під ред. Л.Л.Гольдіна. 4. Сивухин Д.В. Загальний курс фізики. Механіка. М. Наука. 1974.Схожі статті