Математический маятник
Цель работы: изучение гармонических колебаний, экспериментальная проверка зависимости периода колебаний маятника от его длины; определение ускорения свободного падения.
Основные теоретические положения
Колебательным движением или колебанием называется такое движение, при котором тело остается вблизи некоторого положения равновесия. В качестве примеров колебаний на рис. 4.1 приведены математический, пружинный и физический маятники.
Если положение системы в любой момент времени может быть описано единственным параметром, то говорят, что система имеет одну степень свободы. Для всех систем с одной степенью свободы, вне зависимости от их физической природы, закон движения имеет одну и ту же математическую форму. Получим ее на примере пружинного маятника (рис. 4.1). На первом этапе рассмотрения силу сопротивления не учитываем.
Рис. 4.1. Различные механические колебательные системы-маятники: математический, пружинный, физический |
x C O O` φ Рис 1.2 Штангенциркуль |
φ0 |
φ |
m |
Определим положение точки массой m ее смещением x из положения равновесия, в котором x = 0. Сила упругости , действующая на массу, будет стремиться вернуть ее в положение равновесия. Она называется возвращающей силой. По закону Гука , k>0 . Знак «минус» означает, что сила направлена в сторону, противоположную смещению. По второму закону Ньютона
имеем: , где − ускорение точки. Так как , то , . Так как k>0, m>0, то можно положить . Тогда
(4.1)
x |
0 |
Для того чтобы определить закон колебательного движения, необходимо решить дифференциальное уравнение (4.1), то есть найти зависимость . Предположим, что
Рис. 4.2. Зависимость смещения x при гармонических колебаниях от времени при : − положения равновесия, ×− положения крайнего отклонения. |
где и − произвольные постоянные величины. Подставив функцию (4.2) в уравнение (4.1), вычислив предварительно производные, можно убедиться, что она является решением уравнения и описывает гармоническое колебательное движение (рис. 4.2). Исследуем эту функцию в различные моменты времени, считая (рис. 4.3): . В момент времени точка находится в положении максимального правого отклонения, в момент − в положении равновесия, в момент − в положении максимального левого отклонения, и, наконец, в момент точка возвращается в положение равновесия. Таким образом колеблющаяся точка проходит каждую точку своего пути, в данном примере – положение равновесия, два раза за время . Это время T называется периодом колебаний. Величина , показывающая, сколько колебаний точка совершает за единиц времени, называется круговой или циклической частотой колебаний. Величина А является наибольшим отклонением колеблющейся точки от положения равновесия амплитудой колебаний.
Начальная фаза определяет полож
x |
x |
x |
x |
Рис. 4.3. Положение колеблющейся точки в различные моменты времени |
Вычислим период колебаний математического маятника (см. рис. 4.1). Из треугольника сил видно, что . Если угол отклонения мал, то , . Знак «минус» означает, что возвращающая сила направлена в сторону, противоположную направлению отсчёта угла против часовой стрелки. Так как − это касательное к траектории ускорение, то по второму закону Ньютона имеем . Тогда: , или , , , или
. (4.3)
Из формулы (4.3) следует, что период колебаний математического маятника не зависит от массы груза. Поэтому для данного положения на Земле и для определенного значения g период зависит только от длины подвеса l. В частности, в той степени, в какой справедливо приближение , период колебаний не зависит от амплитуды.
Определим теперь период колебаний математического маятника в зависимости от амплитуды. На основании закона сохранения энергии и рис. 4.1 имеем
(4.4)
Из равенства (4.4) легко найти круговую частоту и период колебаний:
, (4.5)
где К(k)= − полный эллиптический интеграл первого рода.
При малых колебаниях, когда выполнено , разложение функции K(k) в ряд даёт
. (4.6)
Нетрудно увидеть, что при из (4.6) следует выражение для периода малых колебаний (4.3).
Лабораторная установка и проведение эксперимента.
Рис. 4.4. Общий вид установки |
Обработка результатов и расчёт погрешностей
1. Погрешности периода колебаний определить по методике расчёта погрешностей прямых многократных измерений, задавая доверительную вероятность и коэффициент Стьюдента.
2. При проверке независимости периода колебаний от амплитуды сравниваются периоды для различных амплитуд и находится такая величина , при которой . Это означает, что при амплитуде колебаний , большей , период зависит от амплитуды.
Задание 2. Изучение зависимости периода малых колебаний от длины маятника.
Изменяется длина маятника l и определяется период колебания. При этом масса маятника не изменяется, а амплитуда выбирается такой, при которой период не зависит от амплитуды. Для каждого значения длины маятника определяется время отклонений.
Обработка результатов и расчёт погрешностей
При обработке данных проверяется соотношение:
(4.7)
Точность выполнения этого соотношения можно определить следующим образом:
1. Вычислить систематическую погрешность величины по формуле
, (4.8)
где − систематическая погрешность определения длины по линейке.
2. Погрешность косвенных повторных измерений величины вычислить по формуле
. (4.9)
3. Случайные погрешности величин и рассчитать по методике расчёта погрешностей прямых измерений, задавая доверительную вероятность и коэффициент Стьюдента.
4. Результаты расчётов проверить сравнением пар экспериментальных данных с учётом рассчитанных погрешностей.
Задание 3. Изучение зависимости периода малых колебаний от массы маятника.
Исследуется зависимость периода колебаний от массы маятника. Для этого изменяется масса маятника и остается неизменной его длина. Определяется период колебаний, и результаты опытов заносятся в таблицу.
Обработка результатов и расчёт погрешностей
1. Обработку результатов таблицы провести по п. 1 задания 1.
2. Сравнить периоды колебаний для различных масс груза и показать независимость периода от массы. При этом должно выполняться равенство
. (4.10)
Задание 4. Измерение ускорения свободного падения. Используются результаты, полученные в задании 1, 2 или 3.
Обработка результатов и расчёт погрешностей.
1. Ускорение свободного падения рассчитать по зависимости, следующей из (4.3):
, (4.11)
где время выбирают из таблиц.
2. Погрешность случайных косвенных измерений величины g рассчитать по формуле
, (4.12)
где величины , взяты по данным таблиц.
3. Погрешность приборных косвенных измерений величины g рассчитать по формуле
. (4.13)
4. Полученную погрешность вычислить по формуле
. (4.14)
5. Результаты представить в виде: .
Задание 5. Изучение больших колебаний математического маятника.
При фиксированной массе груза и длине маятника измерить зависимость периода колебаний от угла отклонения маятника в пределах до 30− 35 градусов через пять градусов. Для каждого отклонения маятника измерения провести несколько раз и заполнить таблицу.
Обработка результатов и расчёт погрешностей.
1. Погрешности периода колебаний определить по методике расчёта погрешностей прямых многократных измерений, задавая доверительную вероятность р0 и коэффициент Стьюдента.
2. Построить зависимость нормированного теоретическим значением (4.3) периода колебаний маятника от угла отклонения , указав на графике нормированные доверительные интервалы по вертикальной оси координат. При этом в качестве по горизонтальной оси выбирается систематическая погрешность, равная половине деления шкалы, по которой измеряется первоначальное отклонение маятника.
3. На том же графике для данной длины маятника по формуле (4.5) построить нормированную теоретическую зависимость периода колебаний от угла первоначального отклонения маятника.
4. На том же графике для данной длины маятника по формуле (4.6) построить приближённую нормированную теоретическую зависимость периода колебаний от угла первоначального отклонения маятника.
5. Сравнить графики и найти величину отклонения, при которой выполняется приближение малых колебаний. Сравнить её с величиной , определённой в задании 1.
Лабораторная работа 5