Физика (стр. 13 )

Таблица 3

12) определить, выполняется ли закон сохранения механической энергии в вашем исследовании; зависит ли количество тепла, выделившееся при ударе, от соотношения между массами тел;

13) прилепить на большой шар пластинку из пластилина; толщину пластинки выбрать опытным путем: маленький шар при ударе о большой должен прилипать к нему;

14) отклонить малый шар на угол и установить его на магните;

15) установить указатель отклонения шара № 2 на нулевую отметку; магнитную ловушку шара № 2 отвести на большой угол (>50°);

16) нажать кнопку «Пуск» секундомера;

17) определить угол отклонения соединившихся шаров после удара по указателю шара № 2;

18) повторить измерения пять раз; занести результаты в табл. 4;

Таблица 4

19) используя данные табл. 4, сделать вывод: выполняется ли при неупругом ударе закон сохранения импульса;

20) используя данные табл. 4, рассчитать количество тепла, выделившееся при неупругом ударе; результаты занести в табл. 5;

21) ответить на вопрос: «Как зависит количество тепла, выделившееся при неупругом ударе, от соотношения между массами шаров?»

Таблица 5

Контрольные вопросы и задания

1. Сформулируйте законы сохранения механической энергии и импульса.

2. Механическая система, исследуемая в работе, незамкнута – на тела действуют внешние силы: сила тяжести и сила натяжения нити. Объясните, на каком основании вы пользуетесь законами сохранения в незамкнутой системе?

3. Докажите, что сила гравитационного взаимодействия тел является консервативной.

4. Физический механизм перехода механической энергии в тепловую.

Работа № 6. Определение скорости пули
с помощью физического маятника

Цель: определить скорость пули, используя закон сохранения момента импульса.

Оборудование: блок механический БМ2-03 (узел «стержень»); пружинный пистолет; три пули известной массы.

Описание узла «Стержень». Узел «Стержень» 2 крепится на среднюю перекладину 3 блока БМ2-03, установленную на вертикальных стойках 1 (рис.1). Он состоит из следующих частей (рис. 2): 1 − физического маятника; 2 − мишени, закрепленной на конце маятника, и покрытой с одной стороны пластилином; 3 − грузов, которые можно перемещать вдоль стержня, меняя момент инерции маятника; 4 − угломерного устройства для измерения угла отклонения маятника от положения равновесия; 5 − пружинного пистолета, закрепленного на основании блока так, что вылетающая пуля попадает в центр мишени и застревает в пластилине (удар считается абсолютно неупругим). Кроме того, в комплект узла входят три пули известной массы.

Рис. 1 Рис. 2

При определении скорости полета пули в данной работе используется закон сохранения импульса L: если момент внешних сил относительно оси вращения равен нулю , то , где J − момент инерции системы (маятник + пуля) относительно оси в какой-то момент времени; − угловая скорость системы в тот же момент времени.

При абсолютно неупругом ударе пули о мишень на основании закона сохранения момента импульса данной системы можно записать

, (1)

где m − масса пули, принимаемая в данном случае за материальную точку; − скорость пули в момент ее попадания в мишень; l − расстояние от оси вращения стержня до застрявшей в мишени пули, − момент инерции маятника (без пули с закрепленными на стержне грузами) относительно оси вращения; − угловая скорость стержня в момент окончания взаимодействия пули с мишенью.

Левая часть равенства (1) выражает момент импульса пули и покоящегося маятника в самом начале их взаимодействия, т. е. при начальной угловой скорости маятника ; правая часть − момент импульса системы после прекращения взаимодействия, т. е. когда пуля застрянет в мишени.

С другой стороны, на основании закона сохранения механической энергии в данном случае можно записать

,

где − кинетическая энергия маятника с пулей в момент окончания взаимодействия пули с мишенью; − потенциальная энергия маятника при наибольшем угле поворота стержня на угол после попадания пули в мишень. Закон сохранения механической энергии приводит к равенству:

(2)

где − масса стержня, − масса каждого груза; – расстояние от оси вращения до центра масс стержня. Грузы установлены вплотную друг к другу по обе стороны от центра масс маятника.

Примечание. Угол , строго говоря, необходимо отсчитывать от того положения стержня, в котором он был в момент прекращения взаимодействия пули с мишенью. Но, поскольку за короткое время взаимодействия смещение стержня из состояния покоя незначительно, угол можно отсчитывать от начального неподвижного положения стержня.

Из уравнений (1) и (2) получаем:

.

Считая , получим

. (3)

Колебания маятника возникают под действием сил тяжести, момент которых равен:

.