जड़ता का भौतिक पेंडुलम. पेंडुलम की जड़ता के क्षण का निर्धारण

उपकरण और सहायक उपकरण: विनिमेय रिंगों के साथ मैक्सवेल पेंडुलम, स्टॉपवॉच, स्केल रूलर, कैलीपर।

कार्य का उद्देश्य: ऊर्जा संरक्षण के नियम का अध्ययन करना और पेंडुलम की जड़ता के क्षण का निर्धारण करना।

मैक्सवेल पेंडुलम एक डिस्क 6 है जो एक रॉड 7 पर स्थापित है, जो बाइफ़िलर सस्पेंशन 5 पर एक ब्रैकेट 2 पर निलंबित है। बदली जाने योग्य रिंग 8 डिस्क से जुड़ी हुई हैं। ऊपरी ब्रैकेट 2, एक ऊर्ध्वाधर स्टैंड 1 पर स्थापित, एक इलेक्ट्रोमैग्नेट और एक है बाइफ़िलर सस्पेंशन को समायोजित करने के लिए डिवाइस 4। बदली जा सकने वाली रिंगों वाला पेंडुलम एक इलेक्ट्रोमैग्नेट का उपयोग करके ऊपरी प्रारंभिक स्थिति में तय किया जाता है।

ऊर्ध्वाधर स्टैंड 1 पर एक मिलीमीटर स्केल होता है जिस पर पेंडुलम का स्ट्रोक निर्धारित किया जाता है। निचले ब्रैकेट 3 पर एक फोटोइलेक्ट्रिक सेंसर 9 है। ब्रैकेट फोटोकेल को ऊर्ध्वाधर पोस्ट के साथ ले जाने और 0-420 मिमी स्केल के भीतर किसी भी स्थिति में तय करने की अनुमति देता है। फोटोसेंसर को उस समय मिलीसेकंड घड़ी 10 पर विद्युत संकेतों को आउटपुट करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जब प्रकाश किरण पेंडुलम डिस्क को काटती है।

    1. वर्टिकल स्टैंड 2. ऊपरी ब्रैकेट 3. निचला ब्रैकेट 4. बाइफ़िलर सस्पेंशन एडजस्टमेंट डिवाइस 5. बाइफ़िलर सस्पेंशन 6. डिस्क 7. रॉड 8. रिप्लेसमेंट रिंग्स 9. फोटोइलेक्ट्रिक सेंसर 10. मिलीसेकंड घड़ी

मैक्सवेल के पेंडुलम का संचालन सिद्धांत इस तथ्य पर आधारित है कि द्रव्यमान एम का एक पेंडुलम, पेंडुलम रॉड पर निलंबन धागे को घुमाकर ऊंचाई एच तक उठाया जाता है, इसमें ईपी = एमजीएच होगा। इलेक्ट्रोमैग्नेट को बंद करने के बाद, पेंडुलम खुलना शुरू हो जाता है, और इसकी संभावित ऊर्जा ईपी अनुवादात्मक गति की गतिज ऊर्जा ईके = एमवी2/2 और घूर्णी गति की ऊर्जा ईबीपी = आईडब्ल्यू2/2 में बदल जाएगी। यांत्रिक ऊर्जा के संरक्षण के नियम के आधार पर (यदि घर्षण हानियों की उपेक्षा की जाती है)

एम जी एच = एम वी2/2 + आई डब्ल्यू2/2 (1)

जहां h पेंडुलम का स्ट्रोक है; v फोटोसेंसर के ऑप्टिकल अक्ष को पार करने के समय पेंडुलम की गति है; I पेंडुलम की जड़ता का क्षण है; w एक ही समय में लोलक का कोणीय वेग है।

समीकरण (1) से हम प्राप्त करते हैं:

I = m v2 w -2 (2g h v -2 - 1)

यह मानते हुए कि v = RST w, v2 = 2ah, जहां RST छड़ की त्रिज्या है, a वह त्वरण है जिसके साथ पेंडुलम को नीचे उतारा जाता है, हम पेंडुलम की जड़ता के क्षण का प्रयोगात्मक मूल्य प्राप्त करते हैं:

IEXP = m R2ST (0.5 g t2 h -1 - 1) = m R2ST a -1 (g - a) (2)

जहां t पेंडुलम का स्विंग समय है।

पेंडुलम की धुरी के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता के क्षण का सैद्धांतिक मूल्य सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है: (3)

आईटी = आईसीटी + आईडीआईएससी + आईरिंग्स = 0.5

जहाँ mCT छड़ का द्रव्यमान है, mCT = 29 ग्राम; एमजी रॉड पर लगी डिस्क का द्रव्यमान है,

एमजी = 131 ग्राम; एमकेआई प्रतिस्थापन रिंग का द्रव्यमान है; आरजी डिस्क की बाहरी त्रिज्या है; आरके रिंग की बाहरी त्रिज्या है।

घर्षण बलों के विरुद्ध पेंडुलम द्वारा किए गए कार्य को ध्यान में रखते हुए, समीकरण (1) का रूप लेगा:

एम जी एच = एम वी2/2 + आई डब्ल्यू2/2 + ए

जहाँ A घर्षण बलों के विरुद्ध कार्य है।

इस कार्य का आकलन लोलक के प्रथम उत्थान की ऊँचाई में परिवर्तन से किया जा सकता है। यह मानते हुए कि अवतरण और आरोहण के दौरान कार्य समान है, हम प्राप्त करते हैं:

जहाँ Dh पहले अवतरण-आरोहण चक्र में पेंडुलम की उच्चतम स्थिति की ऊँचाई में परिवर्तन है। फिर, यह मानते हुए कि DI उस मूल्य का एक अनुमान है जिसके द्वारा IEXP के प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित मूल्य को घर्षण के कारण ऊर्जा हानि को ध्यान में रखे बिना अधिक अनुमानित किया जाता है, हम प्राप्त करते हैं:

डीआई / आईईएक्सपी = डीएच / 2एच + 1 / (1 - (ए / जी)) (4)

गणना, संबंधित गणना और डेटा:

आरसीटी = 0.0045 [एम] एमसीटी = 0.029 [किग्रा]

आरडीआईएससी = 0.045 [एम] एमडीआईएससी = 0.131 [किग्रा]

रिंग्स = 0.053 [एम] एमआरिंग्स = 0.209 [किग्रा]

नंबर 1 2 3 4 के = टीजीजे = एच / टी2सीपी = 0.268 / 9.6 "0.028 [एम/एस2]

टीसीपी, एस 3.09 2.73 2.46 3.39 ए = 2के = 2 0.028 = 0.056 [एम/एस2]

टी2सीपी, सी2 9.6 7.5 6.1 11.5

के, एम/एस2 0.028 0.029 0.027 0.027

IEXP = (mCT + mDISC + mRINGS) R2CT a -1 (g - a)

आईईएक्सपी = [(0.029 + 0.131 + 0.209) · (0.0045)2 · (9.8 - 0.056)] / 0.056 » 0.0013 [किलो एम2]

आईटी = 0.5

आईटी = 0.5 » 0.0006 [किलो एम2]

एच = 0.5

एच = 0.5 = 0.028 [एम]

गणना सूत्र का आउटपुट

भौतिक पेंडुलम एक कठोर पिंड है, जो गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में एक निश्चित क्षैतिज अक्ष के चारों ओर दोलन करता है। के बारे में, मासटेल केंद्र बिंदु से नहीं गुजर रहा है साथ(चित्र 2.1)।

यदि पेंडुलम को एक निश्चित कोण से उसकी संतुलन स्थिति से बाहर ले जाया जाता है जे, तो गुरुत्वाकर्षण घटक अक्ष के प्रतिक्रिया बल द्वारा संतुलित होता है के बारे में, और घटक पेंडुलम को संतुलन स्थिति में लौटा देता है। सभी बल पिंड के द्रव्यमान के केंद्र पर लागू होते हैं। जिसमें

. (2.1)

ऋण चिह्न का अर्थ है कि कोणीय विस्थापन जेऔर बल बहाल करना विपरीत दिशाएँ हैं। संतुलन स्थिति से पेंडुलम के विक्षेपण के पर्याप्त छोटे कोणों पर सिंज » जे, इसीलिए एफ टी » -एमजीजे. चूंकि पेंडुलम, दोलन की प्रक्रिया में, अक्ष के सापेक्ष एक घूर्णी गति करता है के बारे में, तो इसे घूर्णी गति की गतिशीलता के मूल नियम द्वारा वर्णित किया जा सकता है

कहाँ एम- शक्ति का क्षण फुटअक्ष के सापेक्ष के बारे में, मैं– अक्ष के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता का क्षण के बारे में, लोलक का कोणीय त्वरण है।

इस मामले में बल का क्षण बराबर है

एम = एफ टी×एल =एमजीजे×एल, (2.3)

कहाँ एल-निलंबन बिंदु और पेंडुलम के द्रव्यमान केंद्र के बीच की दूरी।

(2.2) को ध्यान में रखते हुए समीकरण (2.3) लिखा जा सकता है

(2.4)

कहाँ .

अवकल समीकरण (2.5) का समाधान एक फ़ंक्शन है जो आपको किसी भी समय पेंडुलम की स्थिति निर्धारित करने की अनुमति देता है टी,

j=j 0 × cos(w 0 t+a 0). (2.6)

अभिव्यक्ति (2.6) से यह पता चलता है कि छोटे दोलनों के लिए भौतिक पेंडुलम दोलन आयाम के साथ हार्मोनिक दोलन करता है ज 0, चक्रीय आवृत्ति , पहला भाग एक 0और अवधि सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है

कहाँ एल=आई/(मिलीग्राम)- भौतिक पेंडुलम की कम लंबाई, यानी ऐसे गणितीय पेंडुलम की लंबाई, जिसकी अवधि भौतिक पेंडुलम की अवधि के साथ मेल खाती है। सूत्र (2.7) आपको किसी अक्ष के सापेक्ष एक कठोर पिंड की जड़ता के क्षण को निर्धारित करने की अनुमति देता है यदि इस अक्ष के सापेक्ष इस पिंड की दोलन अवधि को मापा जाता है। यदि भौतिक पेंडुलम का ज्यामितीय आकार सही है और इसका द्रव्यमान पूरे आयतन में समान रूप से वितरित है, तो जड़ता के क्षण के लिए संबंधित अभिव्यक्ति को सूत्र (2.7) (परिशिष्ट 1) में प्रतिस्थापित किया जा सकता है।

प्रयोग नामक भौतिक पेंडुलम की जांच करता है बातचीत योग्यऔर शरीर के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र से अलग-अलग दूरी पर स्थित अक्षों के चारों ओर दोलन करने वाले शरीर का प्रतिनिधित्व करता है।

प्रतिवर्ती पेंडुलम में एक धातु की छड़ होती है जिस पर समर्थन प्रिज्म निश्चित रूप से लगे होते हैं ओ 1और ओ 2और दो चलती दालें और बी, जिसे स्क्रू का उपयोग करके एक निश्चित स्थिति में तय किया जा सकता है (चित्र 2.2)।

एक भौतिक पेंडुलम संतुलन स्थिति से विचलन के छोटे कोणों पर हार्मोनिक दोलन करता है। ऐसे दोलनों की अवधि संबंध (2.7) द्वारा निर्धारित की जाती है

,

कहाँ मैं– घूर्णन अक्ष के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता का क्षण, एम– पेंडुलम का द्रव्यमान, डी- निलंबन बिंदु से द्रव्यमान के केंद्र तक की दूरी, जी-गुरुत्वाकर्षण का त्वरण.

कार्य में प्रयुक्त भौतिक पेंडुलम में दो सहायक प्रिज्म हैं ओ 1और ओ 2फांसी के लिए. ऐसे लोलक को उत्क्रमणीय लोलक कहते हैं।

सबसे पहले, पेंडुलम को एक सहायक प्रिज्म का उपयोग करके ब्रैकेट पर निलंबित कर दिया जाता है ओ 1और दोलन की अवधि निर्धारित करें टी 1इस अक्ष के सापेक्ष:

(2.8)

फिर पेंडुलम को एक प्रिज्म O 2 द्वारा निलंबित कर दिया जाता है और T 2 निर्धारित किया जाता है:

इस प्रकार, जड़ता के क्षण मैं 1और मैं 2 ओ 1और ओ 2, क्रमशः और के बराबर होगा। पेंडुलम द्रव्यमान एमऔर दोलन की अवधि टी 1और टी 2उच्च स्तर की सटीकता के साथ मापा जा सकता है।

स्टीनर के प्रमेय के अनुसार

कहाँ मैं 0– गुरुत्वाकर्षण के केंद्र से गुजरने वाली धुरी के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता का क्षण। इस प्रकार, जड़ता का क्षण मैं 0जड़त्व के क्षणों को जानकर निर्धारित किया जा सकता है मैं 1और मैं 2.

कार्य के निष्पादन की प्रक्रिया

1. पेंडुलम को ब्रैकेट से हटा दें, इसे त्रिकोणीय प्रिज्म पर रखें ताकि समर्थन से प्रिज्म तक की दूरी हो जाए ओ 1और ओ 2एक दूसरे के बराबर नहीं थे. दाल को छड़ के साथ घुमाते हुए, पेंडुलम को संतुलन की स्थिति में सेट करें, फिर दाल को स्क्रू से सुरक्षित करें।

2. दूरी मापें घ 1संतुलन बिंदु (द्रव्यमान का केंद्र) से साथ) प्रिज्म को ओ 1और घ 2- से साथप्रिज्म को ओ 2.

3. पेंडुलम को सहायक प्रिज्म से लटकाना ओ 1, दोलन अवधि निर्धारित करें, कहाँ एन- दोलनों की संख्या (और नहीं 50 ).

4. इसी प्रकार दोलन काल ज्ञात कीजिए टी 2प्रिज्म के किनारे से गुजरने वाली धुरी के सापेक्ष ओ 2 .

5. जड़त्व के क्षणों की गणना करें मैं 1और मैं 2सहायक प्रिज्म से गुजरने वाली अक्षों के सापेक्ष ओ 1और ओ 2, सूत्रों का उपयोग करके और , पेंडुलम के द्रव्यमान को मापना एमऔर दोलन की अवधि टी 1और टी 2. सूत्र (2.10) और (2.11) से, गुरुत्वाकर्षण के केंद्र (द्रव्यमान) से गुजरने वाली धुरी के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता का क्षण निर्धारित करें मैं 0. दो प्रयोगों से औसत ज्ञात कीजिए < I 0 > .

प्रयोगशाला कार्य संख्या 112

भौतिक पेंडुलम

कार्य का लक्ष्य:भौतिक पेंडुलम को दोलन करने की विधि द्वारा मुक्त गिरावट के त्वरण का प्रायोगिक निर्धारण। भौतिक पेंडुलम की जड़ता के क्षण का निर्धारण।


उपकरण और सहायक उपकरण:
यूनिवर्सल पेंडुलम एफपी-1, स्टॉपवॉच, रूलर।


सैद्धांतिक परिचय

दोलन के सिद्धांत में, एक भौतिक पेंडुलम एक निश्चित क्षैतिज अक्ष पर स्थापित एक कठोर पिंड है जो अपने द्रव्यमान के केंद्र से नहीं गुजरता है और इस अक्ष के चारों ओर दोलन करने में सक्षम है (चित्र 1)।


यह दिखाया जा सकता है कि एक पेंडुलम एक छोटे कोण से विक्षेपित होता हैसंतुलन स्थिति से, हार्मोनिक दोलन करेगा।

आइए हम इसे निरूपित करें जेO अक्ष के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता का क्षण। माना बिंदु C द्रव्यमान का केंद्र है। गुरुत्वाकर्षण बल को दो घटकों में विघटित किया जा सकता है, जिनमें से एक अक्ष की प्रतिक्रिया से संतुलित होता है। पेंडुलम किसी अन्य घटक के प्रभाव में चलना शुरू कर देता है, एक मात्रा जो:

छोटे कोणों के लिए पाप » और अभिव्यक्ति (1) हम लिखते हैं:

ऋण चिह्न का अर्थ है कि बल संतुलन स्थिति से पेंडुलम के विचलन के विपरीत दिशा में निर्देशित है।

एक भौतिक पेंडुलम के लिए घूर्णी गति की गतिशीलता के लिए मूल समीकरण लिखा जाएगा:

O अक्ष के सापेक्ष बल का क्षण (2) को ध्यान में रखते हुए:

कहाँ एल- द्रव्यमान C के केंद्र से O अक्ष तक की दूरी।

पेंडुलम का कोणीय त्वरण:

(4) और (5) को समीकरण (3) में डालने पर, हमें मिलता है:

कहाँ

नामित होना

हम पाते हैं:

संरचना में, समीकरण (6) चक्रीय आवृत्ति के साथ हार्मोनिक दोलनों का एक अंतर समीकरण हैडब्ल्यू . एक भौतिक लोलक का दोलन काल बराबर होता है:

इसलिए भौतिक पेंडुलम की जड़ता का क्षण:

परिमाण

एक भौतिक लोलक की घटी हुई लंबाई कहलाती है, जो एक गणितीय लोलक की लंबाई के बराबर होती है जिसकी दोलन अवधि भौतिक लोलक के समान होती है, अर्थात।

बिंदु O 1 निलंबन बिंदु O और द्रव्यमान C के केंद्र से होकर दी गई लंबाई की दूरी पर खींची गई एक सीधी रेखा पर स्थित हैएल 0 घूर्णन अक्ष से पेंडुलम के झूले का केंद्र कहा जाता है (चित्र 1)। झूले का केंद्र हमेशा द्रव्यमान के केंद्र के नीचे होता है। निलंबन बिंदु O और स्विंग केंद्र O 1 एक दूसरे के साथ संयुग्मित हैं, अर्थात। निलंबन बिंदु को झूले के केंद्र पर ले जाने से पेंडुलम के दोलन की अवधि नहीं बदलती है। निलंबन बिंदु और स्विंग केंद्र प्रतिवर्ती हैं, और इन बिंदुओं के बीच की दूरी कम लंबाई हैएल 0 भौतिक पेंडुलम के प्रकारों में से एक, तथाकथित प्रतिवर्ती पेंडुलम।

आइए हम इसे निरूपित करें जे 0 एक पेंडुलम के द्रव्यमान के केंद्र से गुजरने वाली धुरी के चारों ओर जड़ता का क्षण। स्टीनर के प्रमेय के आधार पर, जड़ता का क्षणजेपहले के समानांतर किसी अक्ष के सापेक्ष:

कहाँ एम– पेंडुलम का द्रव्यमान,एल– अक्षों के बीच की दूरी.

फिर, जब पेंडुलम को निलंबन बिंदु O से निलंबित किया जाता है, तो दोलन की अवधि होती है:

और जब स्विंग केंद्र O 1 द्वारा निलंबित किया जाता है, जब पेंडुलम उलटी स्थिति में होता है, तो अवधि होती है:

कहाँ एल 2 और एल 1 - द्रव्यमान के केंद्र और कंपन के संगत अक्षों के बीच की दूरी।

समीकरण (9) और (10) से:

कहाँ:

सूत्र (11) तब वैध रहता है जब पेंडुलम दो मनमानी अक्षों O और O/ के सापेक्ष दोलन करता है, जो आवश्यक रूप से संयुग्मित नहीं होते हैं, लेकिन पेंडुलम के द्रव्यमान केंद्र के विपरीत किनारों पर स्थित होते हैं।

ऑपरेटिंग सेटअप और माप विधि का विवरण.

गुरुत्वाकर्षण के त्वरण को निर्धारित करने के लिए, FP-1 उपकरण का उपयोग किया जाता है (चित्र 2),


इसमें एक दीवार ब्रैकेट 1 होता है, जिस पर 2 सपोर्ट प्रिज्म कुशन लगे होते हैं और एक भौतिक पेंडुलम, जो एक सजातीय धातु की छड़ 11 होती है, जिस पर दाल 5 और 9 जुड़े होते हैं। दाल 9 कठोरता से तय होती है और गतिहीन होती है। रॉड के अंत में स्थित लेंटिल 5, वर्नियर 4 के साथ स्केल 3 के साथ चल सकता है और स्क्रू 6 के साथ वांछित स्थिति में तय किया जा सकता है। पेंडुलम को समर्थन प्रिज्म 7 और 10 पर निलंबित किया जा सकता है। डिवाइस में एक शामिल है पेंडुलम के द्रव्यमान केंद्र की स्थिति निर्धारित करने के लिए विशेष स्टैंड। लेंटिल 5 को हिलाने से, पेंडुलम के दोलन की अवधि की समानता प्राप्त करना संभव है जब इसे समर्थन प्रिज्म 7 और 10 पर लटकाया जाता है, और फिर दोलन अक्ष संयुग्मित हो जाते हैं, समर्थन प्रिज्म के बीच की दूरी कम लंबाई के बराबर हो जाती है भौतिक पेंडुलम का.

गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण का परिमाण सूत्र (11) के आधार पर निर्धारित किया जाता है। प्रयोग मात्राओं को मापने के लिए आता है टी 1 , टी 2 , एल 1 , एल 2 . सूत्र (8) भौतिक पेंडुलम की जड़ता के क्षण को निर्धारित करने के लिए प्रारंभिक बिंदु है।

प्रगति

1) गुरुत्वाकर्षण त्वरण का निर्धारण .

1. पेंडुलम को सपोर्ट प्रिज्म 7 पर लटकाएं, इसे एक छोटे कोण पर विक्षेपित करें और स्टॉपवॉच से समय मापेंटी 1 30-50 पूर्ण कंपन. प्रयोग को कम से कम 5 बार दोहराया जाता है और औसत समय मान ज्ञात किया जाता है < टी 1 > दोलनों की चयनित संख्या.

2. दोलन की अवधि निर्धारित करें:

कहाँ एन– दोलनों की संख्या.

3. पेंडुलम के द्रव्यमान के केंद्र की स्थिति जानने के लिए, इसे सहायक प्रिज्म कुशन से हटा दें और इसे टेबल पर लगे प्रिज्म के क्षैतिज किनारे पर तब तक संतुलित करें जब तक पेंडुलम के दाएँ और बाएँ भागों पर कार्य करने वाले गुरुत्वाकर्षण के क्षण होंगेबराबर। संतुलन की स्थिति में, पेंडुलम के द्रव्यमान का केंद्र आधार के विपरीत छड़ में स्थित होगा। प्रिज्म के किनारे से पेंडुलम को हटाए बिना, एक रूलर से दूरी मापेंएल 1 समर्थन 7 और द्रव्यमान के केंद्र के बीच।

4. पेंडुलम को पलटते हुए, इसे सहायक प्रिज्म 10 पर लटका दें। दोलनों की समान संख्या का चयन करेंएनऔर प्रयोग को कम से कम 5 बार दोहराएँ, दोलन की अवधि ज्ञात करें:

इस मामले में, अवधि टी 1 और टी 2 के मापा मूल्यों में 5% से अधिक का अंतर नहीं होना चाहिए

5. दूरी ज्ञात करेंएल 2 सहायक प्रिज्म 10 के किनारे और द्रव्यमान के केंद्र के बीच:एल 2 = एल 0 – एल 1 कहाँ एल 0 - सहायक प्रिज्म 7 और 10 के किनारों के बीच की दूरी (इस पेंडुलम के लिएएल 0 =0.730 मी).

6. औसत मूल्य की गणना करें < जी> सूत्र के अनुसार (11)

7. परिणाम की पूर्ण त्रुटि का अनुमान वांछित मान के सारणीबद्ध मान के आधार पर लगाया जाता हैजी मेज़ब्रात्स्क के अक्षांश के लिए. सापेक्ष त्रुटि ज्ञात कीजिए।

8. माप और गणना के परिणाम तालिका 1 में दर्ज किए गए हैं।

तालिका नंबर एक

पी

टी 1

< टी 1 >

टी 1

टी 2

< टी 2 >

टी 2

एल 1

एल 2

जी

डीजी

2) भौतिक पेंडुलम की जड़ता के क्षण का निर्धारण.

1. एक भौतिक लोलक के जड़त्व आघूर्ण का औसत मान ज्ञात कीजिएजेसूत्र (8) के अनुसार कंपन अक्ष के सापेक्ष। समर्थन 10 पर निलंबित एक पेंडुलम के दोलन के लिए, टी = टी 2 औरएल = एल 2. पेंडुलम द्रव्यमान एम= 10.65 किग्रा.

2. अप्रत्यक्ष माप की त्रुटियों की गणना करने की विधि का उपयोग करके, परिणाम की पूर्ण त्रुटि ज्ञात करें डीजे.

3. माप और गणना परिणामों से डेटा तालिका 2 में दर्ज किया गया है।

तालिका 2

टी

एल

टी

जे

डीजे

काम करने की अनुमति के लिए प्रश्न

1. कार्य का उद्देश्य क्या है?

2. भौतिक पेंडुलम क्या है? किस प्रकार के पेंडुलम को उत्क्रमणीय पेंडुलम कहा जाता है?

3. किसी भौतिक लोलक के दोलन काल का सूत्र लिखिए तथा इसमें सम्मिलित मात्राओं का भौतिक अर्थ स्पष्ट कीजिए। यह फॉर्मूला किन परिस्थितियों में वैध है?

4. कार्य सेटअप और प्रयोगात्मक प्रक्रिया का वर्णन करें।

आपकी नौकरी की सुरक्षा के लिए प्रश्न

1. किसी भौतिक लोलक के दोलन की अवधि के लिए एक सूत्र व्युत्पन्न करें।

2. एक भौतिक पेंडुलम के हार्मोनिक दोलनों के लिए एक अंतर समीकरण प्राप्त करें और इसका समाधान प्रदान करें।

3. भौतिक लोलक की घटी हुई लंबाई कितनी होती है?

4. राज्य स्टीनर का प्रमेय.

5. कार्य सूत्र प्राप्त करें:

मुक्त गिरावट का त्वरण निर्धारित करने के लिए;

भौतिक पेंडुलम की जड़ता का क्षण निर्धारित करने के लिए।

6. विभेदक विधि का उपयोग करके सापेक्ष त्रुटि की गणना के लिए एक सूत्र प्राप्त करेंडीजे/ जेऔर प्रयोगात्मक परिणाम की सटीकता में सुधार के तरीके बताएं।

भौतिक पेंडुलम एक कठोर पिंड है जो गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में एक निश्चित क्षैतिज अक्ष के चारों ओर दोलन कर सकता है।

आइए हम पेंडुलम के क्रॉस सेक्शन को निलंबन अक्ष के लंबवत और पेंडुलम सी के द्रव्यमान के केंद्र से गुजरने वाले विमान के साथ चित्रित करें (चित्र 324, ए)।

आइए हम निम्नलिखित नोटेशन पेश करें: पी पेंडुलम का वजन है, ए द्रव्यमान के केंद्र से निलंबन अक्ष तक की दूरी ओएस है, और निलंबन अक्ष के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता का क्षण है। पेंडुलम की स्थिति ऊर्ध्वाधर से ओएस लाइन के विचलन के कोण द्वारा निर्धारित की जाएगी।

पेंडुलम के दोलन के नियम को निर्धारित करने के लिए, हम घूर्णी गति के अंतर समीकरण (66) का उपयोग करते हैं। इस मामले में (ऋण चिह्न इसलिए लिया जाता है क्योंकि इस समय यह ऋणात्मक है, और at धनात्मक है) और समीकरण (66) का रूप ले लेता है

समानता के दोनों पक्षों को विभाजित करना और संकेतन का परिचय देना

आइए हम पेंडुलम दोलनों के अंतर समीकरण को इस रूप में खोजें

परिणामी अंतर समीकरण को सामान्य कार्यों में एकीकृत नहीं किया जा सकता है। आइए हम अपने आप को पेंडुलम के छोटे दोलनों पर विचार करने, कोण को छोटा मानने और लगभग मानने तक ही सीमित रखें। फिर पिछला समीकरण रूप ले लेता है

यह अंतर समीकरण एक बिंदु के मुक्त आयताकार दोलनों के अंतर समीकरण के साथ मेल खाता है और इसका सामान्य समाधान, 94 से समानता (68) के अनुरूप होगा, होगा

यह मानते हुए कि प्रारंभिक क्षण में पेंडुलम छोटा विक्षेपित होता है और प्रारंभिक गति के बिना जारी किया जाता है, हम एकीकरण स्थिरांक के लिए मान पाएंगे

तब दी गई प्रारंभिक स्थितियों के तहत पेंडुलम के छोटे दोलनों का नियम होगा

नतीजतन, भौतिक पेंडुलम के छोटे दोलन हार्मोनिक होते हैं। एक भौतिक लोलक के दोलन की अवधि, यदि हम k को उसके मान (67) से प्रतिस्थापित करते हैं, तो सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है

जैसा कि हम देख सकते हैं, छोटे दोलनों के लिए अवधि प्रारंभिक विचलन के कोण पर निर्भर नहीं करती है। यह परिणाम अनुमानित है. यदि हम शुरुआत में संकलित पेंडुलम के दोलनों के अंतर समीकरण को एकीकृत करते हैं, तो इसमें कोण को छोटा न मानते हुए (यानी, बिना मान लिए) तो हम आश्वस्त हो सकते हैं कि यह लगभग इस निर्भरता पर निर्भर करता है।

यहां से, उदाहरण के लिए, यह निष्कर्ष निकलता है कि रेड (लगभग 23°) पर सूत्र (68) सटीकता के साथ अवधि निर्धारित करता है

प्राप्त परिणाम तथाकथित गणितीय पेंडुलम के मामले को भी कवर करते हैं, यानी, एक छोटे आकार का भार (जिसे हम एक भौतिक बिंदु के रूप में मानेंगे) लंबाई एल के एक अविभाज्य धागे पर निलंबित कर दिया गया है, जिसके द्रव्यमान की तुलना में उपेक्षा की जा सकती है भार के द्रव्यमान के साथ (चित्र 324, बी)। एक गणितीय पेंडुलम के लिए, चूँकि यह एक प्रणाली है जिसमें एक भौतिक बिंदु होता है, यह स्पष्ट रूप से होगा

इन मात्राओं को समानता (68) में प्रतिस्थापित करने पर, हम पाते हैं कि गणितीय पेंडुलम के छोटे दोलनों की अवधि सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है

सूत्र (68) और (68) की तुलना से यह स्पष्ट है कि लंबाई के साथ

गणितीय पेंडुलम के दोलन की अवधि संबंधित भौतिक पेंडुलम के दोलन की अवधि के साथ मेल खाती है।

ऐसे गणितीय लोलक की लंबाई h, जिसका दोलन काल किसी दिए गए भौतिक लोलक के दोलन काल के बराबर होता है, भौतिक लोलक की घटी हुई लंबाई कहलाती है। निलंबन अक्ष से कुछ दूरी पर स्थित बिंदु K को भौतिक पेंडुलम के झूले का केंद्र कहा जाता है (चित्र 324 देखें)।

यह देखते हुए कि, ह्यूजेन्स प्रमेय के अनुसार, हम सूत्र (69) को रूप में कम कर सकते हैं

इससे यह निष्कर्ष निकलता है कि दूरी OK हमेशा से अधिक होती है अर्थात पेंडुलम के घूमने का केंद्र हमेशा उसके द्रव्यमान केंद्र के नीचे स्थित होता है।

सूत्र (69) से यह स्पष्ट है कि. इसलिए, यदि आप निलंबन अक्ष को बिंदु K पर रखते हैं, तो परिणामी लोलक की लंबाई U के अनुसार कम हो जाती है

नतीजतन, बिंदु K और O परस्पर हैं, अर्थात यदि निलंबन अक्ष बिंदु K से होकर गुजरता है, तो स्विंग का केंद्र बिंदु O होगा (क्योंकि पेंडुलम के दोलन की अवधि नहीं बदलेगी। इस संपत्ति का उपयोग तथाकथित में किया जाता है) रिवर्स पेंडुलम, जिसका उपयोग गुरुत्वाकर्षण के त्वरण को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

जबकि गुरुत्वाकर्षण आर, द्रव्यमान के केंद्र पर लागू किया गया साथ, छड़ की धुरी के अनुदिश निर्देशित (चित्र 5.1, ), सिस्टम संतुलन में है। यदि छड़ एक निश्चित छोटे कोण से विक्षेपित होती है (चित्र 5.1, बी), फिर द्रव्यमान का केंद्र साथएक छोटी ऊंचाई तक बढ़ जाता है और शरीर संभावित ऊर्जा का भंडार प्राप्त कर लेता है। अक्ष के सापेक्ष पेंडुलम पर के बारे में, जिस दिशा को हम "हमारी ओर" चुनते हैं, गुरुत्वाकर्षण का क्षण कार्य करेगा, जिसका इस अक्ष पर प्रक्षेपण बराबर है

कहाँ ; एल– घूर्णन अक्ष के बीच की दूरी के बारे मेंऔर द्रव्यमान का केंद्र साथ.

टॉर्कः एम, बलपूर्वक बनाया गया आर, छोटे कोणों पर बराबर है

यह पेंडुलम की घूर्णी गति के दौरान त्वरण का कारण बनता है। इस त्वरण और टॉर्क के बीच का संबंध घूर्णी गति की गतिशीलता के मूल समीकरण द्वारा दिया गया है

, (5.2)

कहाँ जे– अक्ष के सापेक्ष पेंडुलम की जड़ता का क्षण के बारे में.

चलो निरूपित करें

फिर समीकरण (5.2) से हम प्राप्त करते हैं

समीकरण (5.4) चक्रीय आवृत्ति के साथ एक दोलन प्रक्रिया का वर्णन करता है।

अतः दोलन की अवधि बराबर होती है

सूत्र (5.5) से हम जड़त्व आघूर्ण को व्यक्त करते हैं

यदि निकाय के द्रव्यमान केंद्र की स्थिति नहीं बदलती है, तो मान एलस्थिर है और एक स्थिर गुणांक को सूत्र (5.6) में पेश किया जा सकता है

. (5.7)

मापन समय टी, जिसके दौरान यह घटित होता है एनपूर्ण दोलन, हम अवधि पाते हैं। स्थानापन्न टीऔर (5.6) में, हमें कार्य सूत्र प्राप्त होता है

सूत्र (5.8) का उपयोग करके, अक्ष के सापेक्ष एक भौतिक पेंडुलम की जड़ता के क्षण का अप्रत्यक्ष माप किया जाता है के बारे में.

दूसरी ओर, जड़ता का क्षण जेछड़ पर भार की स्थिति पर निर्भर करता है। आइए हम वजन को छड़ के साथ घुमाएँ ताकि वे एक निश्चित बिंदु के सापेक्ष सममित रूप से स्थित हों . यह गणितीय बिंदु छड़ के मध्य के पास मनमाने ढंग से चुना जाता है। सिस्टम के द्रव्यमान का केंद्र अपना स्थान बरकरार रखता है। हम भार के आकार को और की तुलना में छोटा मानेंगे (चित्र 5.1 देखें)। तब उन्हें भौतिक बिंदु माना जा सकता है। इस मामले में, सिस्टम की जड़ता का क्षण अभिव्यक्ति द्वारा निर्धारित किया जाता है

भार के बिना सिस्टम की जड़ता का क्षण कहां है; एक्स- बिंदु से भार की दूरी ; एल-बिंदु दूरी पेंडुलम के घूर्णन के अक्ष पर के बारे में.

रूपांतरण सूत्र (5.9), हम प्राप्त करते हैं

जब भार बिंदु पर स्थित होता है तो पेंडुलम की जड़ता का क्षण कहां होता है .

हम मात्राएँ प्राप्त करके निर्भरता (5.10) की जाँच करेंगे जेऔर जे एप्रयोगात्मक रूप से सूत्र (5.8) का उपयोग करना।

काम के लिए असाइनमेंट

1. प्रयोगशाला कार्य की तैयारी करते समय, अप्रत्यक्ष माप डी की त्रुटि के लिए गणना सूत्र प्राप्त करें जेजड़ता का क्षण (परिचय देखें)। कृपया ध्यान दें कि जड़ता का क्षण कार्य सूत्र (5.8) का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है। गणना को सरल बनाने के लिए, हम मान सकते हैं कि गुणांक बिल्कुल इस सूत्र में मापा गया: डी = 0.

2. तालिका का एक रेखाचित्र तैयार करें। प्रत्यक्ष पांच गुना समय माप के सांख्यिकीय प्रसंस्करण के लिए 1 टी(नमूने के लिए, तालिका बी.1 का परिचय देखें)।

3. तालिका का एक रेखाचित्र तैयार करें। निर्भरता अनुसंधान के लिए 2 जेसे एक्स 2 .

4. इलेक्ट्रॉनिक स्टॉपवॉच चालू करें। "मोड" बटन दबाकर, मोड नंबर 3 सेट करें ("मोड 3" संकेतक रोशनी करता है), और बॉडी को पकड़ने वाला ब्रेकिंग डिवाइस बंद हो जाएगा।

5. काम शुरू करते समय दोनों वजनों को बिंदु पर रखें (इसकी स्थिति परिशिष्ट में और प्रयोगशाला स्थापना के पास स्थित प्रारंभिक डेटा की तालिका में इंगित की गई है जिस पर आप काम करेंगे)।

6. पेंडुलम को हाथ से एक छोटे कोण पर विक्षेपित करें, और जिस समय पेंडुलम छोड़ा जाए, "प्रारंभ" बटन दबाकर स्टॉपवॉच चालू करें। पेंडुलम के 10 पूर्ण घुमावों की गिनती करने के बाद, "स्टॉप" बटन दबाकर स्टॉपवॉच को रोकें। प्राप्त समय को माप तालिका में रिकार्ड करें।

7. पांच बार माप लें टीभार की स्थिति को बदले बिना एक भौतिक पेंडुलम के दस पूर्ण दोलन।

8. औसत समय की गणना करें और माप डी की आत्मविश्वास त्रुटि निर्धारित करें टी.

9. कार्य सूत्र (5.8) का प्रयोग करके जड़त्व आघूर्ण का मान ज्ञात कीजिए जे ए, और इस कार्य के चरण 1 में प्राप्त सूत्र का उपयोग करके, इस मान D की माप त्रुटि निर्धारित करें जे. परिणाम को फॉर्म में लिखें और तालिका में दर्ज करें। मूल्य के लिए 2.

10. वज़न को बिंदु के सापेक्ष सममित रूप से फैलाएं की दूरी तक (चित्र 5.1 देखें)। व्यक्तिगत कार्य में उपयोग किए गए मान के बराबर दूरी लेने की अनुशंसा की जाती है। एक बार का समय माप लें टीएक भौतिक पेंडुलम के दस पूर्ण दोलन।

11. प्रयोग चरण 7 को पांच अलग-अलग दूरियों पर दोहराएं एक्स.

12. विभिन्न दूरियों पर सूत्र (5.8) का उपयोग करके लोलक की जड़ता का क्षण निर्धारित करें एक्स. परिणाम तालिका में दर्ज करें. 2.

13. लोलक के जड़त्व आघूर्ण का ग्राफ खींचिए
से एक्स 2, तालिका का उपयोग करना। 2. अपेक्षित समय को उसी ग्राफ पर आलेखित करें।
निर्भरता (5.10). प्राप्त परिणामों की तुलना करें और उनका विश्लेषण करें
tatov.

प्रश्नों पर नियंत्रण रखें

1. इस कार्य का उद्देश्य क्या है?

2. किसी पिंड का जड़त्व क्षण क्या है? इसका भौतिक अर्थ क्या है?

3. इस कार्य में घूर्णी गति की गतिशीलता का मूल नियम तैयार करें और लागू करें।

4. निकाय के द्रव्यमान का केंद्र क्या है?

5. भार की स्थिति बदलने पर लोलक के द्रव्यमान केंद्र का स्थान क्यों नहीं बदलता?

6. इसके लिए आवश्यक मात्राएँ निर्धारित या मापकर द्रव्यमान के केंद्र के सापेक्ष प्रणाली की जड़ता का क्षण ज्ञात करें।

7. ऊर्जा संरक्षण का नियम बनाइये और इसे भौतिक लोलक के संबंध में लिखिये।

8. कार्य सूत्र (5.8) और निर्भरता (5.10) कैसे प्राप्त करें?

9. जड़त्व क्षण के अप्रत्यक्ष माप की त्रुटि की गणना के लिए सूत्र कैसे प्राप्त करें?

10. स्टीनर का प्रमेय कैसे तैयार किया गया है? इसे अध्ययनाधीन प्रणाली पर कैसे लागू किया जा सकता है?

11. मान के वर्ग पर जड़ता के क्षण की निर्भरता को आलेखित करने का प्रस्ताव क्यों दिया गया है एक्स?

12. बल का क्षण, कोणीय वेग, कोणीय त्वरण, कोणीय विस्थापन क्या है, ये सदिश कैसे निर्देशित होते हैं?

टीम के सदस्यों के लिए व्यक्तिगत कार्य,

एक संस्थापन पर प्रयोगशाला कार्य करना

क्रू सदस्य संख्या व्यक्तिगत कार्य
एक ड्रम और एक स्पोक से युक्त पेंडुलम की जड़ता के क्षण की गणना करें, जिसके बिंदु के करीब स्पोक से वजन जुड़ा हुआ है
एक ड्रम और एक स्पोक से बने पेंडुलम की जड़ता के क्षण की गणना करें, जिसमें बिंदु से कुछ दूरी पर स्पोक से जुड़ा हुआ वजन हो। . परिशिष्ट में या प्रयोगशाला स्थापना के पास रखे गए प्रारंभिक डेटा की तालिका में द्रव्यमान, ड्रम के आयाम और प्रवक्ता के संख्यात्मक मान लें, जिस पर आप प्रयोग करेंगे
दूसरे नंबर के कार्य के समान कार्य करें, लेकिन बिंदु से भिन्न दूरी के साथ

साहित्य

सेवलयेव आई.वी.सामान्य भौतिकी पाठ्यक्रम. - एम.: नौका, 1982. - टी. 1 (और इस पाठ्यक्रम के बाद के संस्करण)।

प्रयोगशाला कार्य क्रमांक 6

रुद्धोष्म सूचक का निर्धारण

क्लेमेंट और डेज़ोर्मेस की विधि द्वारा

कार्य का लक्ष्य -संतुलन थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं और आदर्श गैसों की ताप क्षमता का अध्ययन, क्लेमेंट और डेसोर्मेस की शास्त्रीय विधि का उपयोग करके रुद्धोष्म घातांक का माप।