 |
|
Теория метода и описание установки
Напомним некоторые основные понятия.
Механическая система – это совокупность материальных тел, которые рассматриваются как единое целое. Замкнутой (или изолированной) называют механическую систему, на которую не действуют внешние силы. В дальнейшем будем полагать, что система состоит из материальных точек, тогда можно не учитывать собственное вращение тел и связанные с ним энергию и момент импульса.
Импульс системы тел равен векторной сумме импульсов тел, образующих систему:
 ,
| (1.1) |
где N – число тел, входящих в систему; mi, ui – масса и скорость тела с номером i.
Кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий тел, входящих в систему. Для системы, состоящей из материальных точек,
 .
| (1.2) |
Полная механическая энергия системы равна сумме кинетических энергий (1.2) и суммарной потенциальной энергии Wp взаимодействия тел:
| Wмех = Wk + Wp . | (1.3) |
Если тела системы не взаимодействуют между собой, то второе слагаемое здесь обращается в 0 и полная механическая энергия системы равна её кинетической энергии (1.2).
Законы сохранения формулируют для замкнутой системы тел.
Закон сохранения импульса(ЗСИ). Импульс замкнутой системы тел не изменяется при любых преобразованиях внутри системы:
 = сonst.
| (1.4) |
Так как импульс системы – векторная величина, то сохраняются и модуль, и направление суммарного импульса.
Закон сохранения механической энергии(ЗСМЭ). Полная механическая энергия системы не изменяется, если между телами системы действуют только консервативные силы:
 = сonst.
| (1.5) |
Удар – это кратковременное взаимодействие тел, в результате которого происходит перераспределение их кинетической энергии. В физике под ударом понимают такой тип взаимодействия движущихся тел, при котором временем взаимодействия можно пренебречь.
При ударе выполняются закон сохранения импульса (ЗСИ) и закон сохранения момента импульса, но обычно не выполняется закон сохранения механической энергии, часть которой обычно уходит на нагрев тел. Отношение кинетической энергии (Wk)кон системы после удара к кинетической энергии (Wk)нач этой системы до удара называют коэффициентом восстановления кинетической энергии:
 .
| (1.6) |
Коэффициент K является характеристикой упругих свойств материала, из которого изготовлены соударяющиеся тела.
Абсолютно упругий удар – модель соударения, при которой полная кинетическая энергия системы сохраняется и, следовательно, k = 1. Хорошей моделью абсолютно упругого удара является столкновение бильярдных шаров или упругих мячиков. ЗСИ для абсолютно упругого удара двух тел
 .
| (1.7) |
Абсолютно неупругий удар – модель соударения, при которой тела после удара движутся как единое целое, т.е. с одной скоростью. При таком ударе механическая энергия не сохраняется, k < 1. Энергия, конечно, никуда не исчезает, а переходит в тепловую.ЗСИ для абсолютно неупругого удара двух тел
 .
| (1.8) |
В последних формулах 
– скорости тел перед ударом; 
– скорости тел после удара. Хорошая модель абсолютно неупругого удара – сталкивающиеся пластилиновые шарики (правда, не замороженные).
Установка для проведения лабораторной работы представляет собой горизонтально расположенную прямоугольную пластину, на рабочем поле которой закрепляется миллиметровая бумага (рис. 1.1). Размер рабочего поля соответствует формату А4. За пределами рабочего поля посередине короткой стороны расположен пружинный пистолет, сообщающий телу 1 начальную скорость, которую можно изменять, регулируя степень сжатия пружины. К установке прилагается набор тел одинакового диаметра, но с разными массами.
 |
В некоторой точке на пути тела 1 экспериментатор располагает неподвижное тело 2. При ударе тела разлетаются под углом a с начальными скоростями
, 
и пробегают до остановки отрезки пути l1 и l2 , по длине которых можно определить значения u1 , u2 .
При скольжении тела по горизонтальной поверхности сила трения на пути l совершает работу
| Атр = – mmgl, | (1.9) |
которая равна приращению DWk кинетической энергии тела. Так как конечная скорость тела равна нулю, то
Атр = DWk =  .
| (1.10) |
Отсюда начальная скорость тела, прошедшего до остановки путь l,
 .
| (1.11) |
Для нашего случая начальные скорости тел после удара
 и  .
| (1.12) |
Скорость u1 первого тела непосредственно перед ударом можно найти по длине L его свободного пробега (см. рис. 1.1):
 .
| (1.13) |
Так как скорость второго тела до удара u2 = 0, то закон сохранения импульса будет иметь вид
 .
| (1.14) |
Обозначим модуль импульса системы до удара Рдо, после удара– Рпосле. В соответствии с законом сохранения импульса Рдо = Рпосле , и их отношение должно быть равно единице. Очевидно, что
Pдо=  .
| (1.15) |
Модуль суммы двух векторов ç 
ê= Рпосле найдём по теореме косинусов:
 .
| (1.16) |
С учётом (1.12), (1.13), после несложных преобразований
 .
| (1.17) |
Из формул (1.18), (1.20) получим
| (1.18) |
Таким образом, для проверки выполнения ЗСИ в нашем опыте достаточно знать отношение масс соударяющихся тел, пройденные ими расстояния и угол разлёта a.
Для определения коэффициента восстановления k выразим кинетические энергии через измеряемые величины. До удара кинетическая энергия системы
 .
| (1.19) |
После удара
 .
| (1.20) |
Коэффициент восстановления кинетической энергии
| (1.21) |
Выполнение работы
1. Закрепите на планшете принесённый с собой лист миллиметровой бумаги. Проведите на нём среднюю линию по меткам на краях планшета так, чтобы она совпала с одной из линий сантиметровой сетки на миллиметровке. Разметьте масштабы по координатным осям.
2. Выберите три тела: два одинаковых, а третье – с другой массой. Массы тел указаны на приклеенных этикетках. Запишите их в табл. 1.1.
3. Поставьте два тела с одинаковыми массами на исходные позиции, обведите их карандашом по контуру, затем уберите. Определите начальные координаты центров тел и запишите в заголовок табл. 1.1.
4. Взведите пружину пистолета и вставьте в него тело 1 до упора. Произведите выстрел, обведите остановившееся тело, определите координаты его центра.
5. Измерьте линейкой (или определите по координатам) расстояние L, запишите в табл. 1.1.
Таблица 1.1
| m1 = … x01 = … y01 = … | m2 = … x02 = … y02 = … | m3 = … x03 = … y03 = … | |||||
| До удара | После удара | ||||||
 1
|  …
| ||||||
| № п/п | L, мм | l1, мм | l2, мм | a1, ° | l3, мм | l4, мм | a2, ° |
| Средние значения | áLñ | á l1ñ | á l2ñ | áa1ñ | á l3ñ | á l4ñ | áa2ñ |
6. Повторите измерения с тем же телом по пунктам 4 и 5 ещё 3 раза. Определите и запишите среднее значение величины L.
7. Поставьте в начальное положение тело 2. Произведите выстрел телом 1. Отметьте координаты центров остановившихся тел. Измерьте и запишите расстояния l1, l2. С помощью транспортира определите угол a (см. рис. 1.1), запишите в таблицу.
8. Повторите измерения при тех же условиях ещё 3 раза.
9. Поставьте вместо 2-го тела тело 3, повторите измерения по пп. 7 и 8. Расстояния, пройденные телами до остановки, записывайте в колонки l3 и l4 табл. 1.1.
10. Представьте черновик с результатами измерений лаборанту или преподавателю для проверки и подписи. Сдайте принадлежности, наведите порядок на своём рабочем месте.