Физика 1 · Лабораторная работа 2 · ФДО ТУСУР

Вращательное и поступательное движение на машине Атвуда: расчёт электронного отчёта онлайн

Введите пять серий по пять пусков и количество вырезов на блоке. Страница посчитает значения для всех 21 шага отчёта в личном кабинете в том виде, в каком их принимает система.

5 серий по 5 пусковОтчёт из 21 шагаВидео 4:13

Расчёт отчёта по шагам

Заполните таблицу так же, как её показывает система на втором шаге отчёта: в каждом столбце серия, сверху начальное и конечное положение груза в сантиметрах, ниже пять времён. Нажмите на любое значение в шагах, чтобы скопировать его, маленькая цифра — номер серии.

Данные из журнала

Сейчас в таблице пример. Замените его своими числами.

  1. Шаг 1

    Отметьте пять серий по пять пусков

    Система показывает все пуски с галочками. Оставьте отмеченными пять серий по пять пусков: внутри серии начальное и конечное положение груза одинаковые, а путь h = H − E не меньше 5 см. Это должны быть те же пуски, что вы ввели в таблицу на этой странице.

  2. Шаг 2

    Путь груза h

    Из начального положения вычитаем конечное и переводим сантиметры в метры. Для серии 1:

    h=H−E100=10−0100=0.1 м
    Введите в отчёт
    h, м:
    Система не принимает шаг 2? Напишите нам
  3. Шаг 3

    Среднее время ⟨t⟩

    Складываем пять времён серии и делим на 5. Три знака после точки. Для серии 1:

    ⟨t⟩=2.414+2.387+2.401+2.474+2.3955=2.4142≈2.414 с
    Введите в отчёт
    ⟨t⟩, с:
    Система не принимает шаг 3? Напишите нам
  4. Шаг 4

    Квадрат среднего времени ⟨t⟩²

    Возводим в квадрат среднее время без округления. Если взять округлённое из шага 3, четвёртый знак может разойтись. Четыре знака после точки.

    ⟨t⟩2=2.41422=5.828362…≈5.8284 с²
    Введите в отчёт
    ⟨t⟩², с²:
    Система не принимает шаг 4? Напишите нам
  5. Шаг 5

    Среднеквадратичное отклонение σкв t

    Формула (5.2) пособия Риппа: сумма квадратов отклонений от среднего, делённая на n(n − 1) = 5·4 = 20. Пять знаков после точки. Для серии 1:

    σквt=∑(ti−⟨t⟩)2n(n−1)=0.0048588020=0.0155865…≈0.01559 с
    Введите в отчёт
    σкв t, с:
    Система не принимает шаг 5? Напишите нам
  6. Шаг 6

    Приборная погрешность секундомера

    Секундомер показывает время с точностью до тысячной секунды. Приборная погрешность равна единице последнего разряда.

    σпрt=0.001 с
    Введите в отчёт
    σпр t =с
    Система не принимает шаг 6? Напишите нам
  7. Шаг 7

    Коэффициент Стьюдента

    По таблице 6.1 пособия Риппа для пяти измерений и доверительной вероятности 0.9.

    τ=2.1
    Введите в отчёт
    τ =
    Система не принимает шаг 7? Напишите нам
  8. Шаг 8

    Случайная погрешность σсл t

    Формула (5.1): умножаем σкв на коэффициент Стьюдента. Берём σкв без округления, пять знаков после точки.

    σслt=τ·σквt=2.1·0.0155865…=0.0327317…≈0.03273 с
    Введите в отчёт
    σсл t, с:
    Система не принимает шаг 8? Напишите нам
  9. Шаг 9

    Полная погрешность σt

    Формула (2.1): к случайной погрешности прибавляем приборную.

    σt=σслt+σпрt=0.0327317…+0.001≈0.03373 с
    Введите в отчёт
    σt, с:
    Система не принимает шаг 9? Напишите нам
  10. Шаг 10

    Погрешность квадрата времени σt²

    Таблица 7.1 пособия Риппа: для величины в квадрате погрешность умножается на удвоенное значение. Среднее время и σt — без округления, пять знаков после точки.

    σt2=2⟨t⟩·σt=2·2.4142·0.0337317…≈0.16287 с²
    Введите в отчёт
    σt², с²:
    Система не принимает шаг 10? Напишите нам
  11. Шаг 11

    Округлённая погрешность σt²

    Пункт 8 пособия Риппа: погрешность округляем до одной значащей цифры. В отчёт она вводится двумя полями: цифра и степень десяти. Для серии 1:

    σt2=0.16287≈2·10−1 с²
    Серияσt²Округлено
    10.162872·10−1
    20.231852·10−1
    30.388814·10−1
    40.389164·10−1
    50.643706·10−1
    Введите в отчёт
    · 10· 10· 10· 10· 10
    Система не принимает шаг 11? Напишите нам
  12. Шаг 12

    Округлённый квадрат времени

    Квадрат времени из шага 4 округляем до того же разряда, что и его погрешность: при 10⁻¹ — до десятых. Для серии 1:

    ⟨t⟩2=5.8284≈5.8 с²
    Введите в отчёт
    ⟨t⟩², с²:
    Система не принимает шаг 12? Напишите нам
  13. Шаг 13

    Параметры прямой K и B

    Груз движется равноускоренно, поэтому квадрат времени растёт линейно с путём: t² = K·h + B. Строим прямую методом наименьших квадратов по значениям шага 12.

    Серияx = h, мy = t², с²
    10.15.8
    20.159
    30.211.8
    40.2514.7
    50.317.4
    K≈57.8000…≈57.80 с²/м,B≈0.18000…≈0.180 с²

    K округляем до двух знаков после точки, B — до трёх.

    Введите в отчёт
    K =с²/м, B =с²
    Система не принимает шаг 13? Напишите нам
  14. Шаг 14

    График зависимости t² от h

    00.050.10.150.20.250.305101520h, мt², с²Серия 1: h = 0.1 м, t² = 5.8 с²Серия 2: h = 0.15 м, t² = 9 с²Серия 3: h = 0.2 м, t² = 11.8 с²Серия 4: h = 0.25 м, t² = 14.7 с²Серия 5: h = 0.3 м, t² = 17.4 с²
    Вводить ничего не нужно

    Система строит такой же график сама. Точки должны лечь почти на прямую, которая проходит близко к нулю.

  15. Шаг 15

    Экспериментальный момент инерции блока Iэ

    Из формулы (4.7) методички выражаем момент инерции через наклон K. M = 0.1 кг — масса груза, m = 0.002 кг — перегрузок, R = 0.075 м — радиус блока, g = 9.81 м/с². Умножаем на 1000, чтобы получить г·м², пять знаков после точки.

    Iэ=R2(Kmg2−2M−m)=0.0752(57.8000·0.002·9.812−0.2−0.002)·1000≈2.05323 г·м²

    K берём без округления.

    Введите в отчёт
    Iэ =г·м²
    Система не принимает шаг 15? Напишите нам
  16. Шаг 16

    Момент инерции сплошного блока Iсб

    Сплошной блок — диск: I = mR²/2, формула (2.5). Масса диска — плотность 8400 кг/м³ на объём πR²d, толщина d = 6 мм. Ответ в г·м², пять знаков.

    Iсб=12ρπR2d·R2=12·8400·π·0.0754·6≈2.50493 г·м²
    Введите в отчёт
    Iсб =г·м²
    Система не принимает шаг 16? Напишите нам
  17. Шаг 17

    Момент инерции выреза относительно его центра Iцмв

    Вырез — маленький диск радиусом r = 0.025 м той же толщины. Масса выреза mв = ρπr²d ≈ 98.96 г.

    Iцмв=12mвr2=12·8400·π·0.0254·6≈0.03093 г·м²
    Введите в отчёт
    Iцмв =г·м²
    Система не принимает шаг 17? Напишите нам
  18. Шаг 18

    Момент инерции выреза относительно оси блока Iв

    Теорема Штейнера, формула (2.8): центр выреза отстоит от оси блока на r1 = 0.04 м.

    Iв=Iцмв+mвr12=0.030925…+98.960…·0.042≈0.18926 г·м²
    Введите в отчёт
    Iв =г·м²
    Система не принимает шаг 18? Напишите нам
  19. Шаг 19

    Момент инерции блока с вырезами Iб

    Из сплошного блока вычитаем все вырезы. Количество вырезов — 2, как вы указали над таблицей.

    Iб=Iсб−n·Iв=2.504929…−2·0.189261…≈2.12641 г·м²
    Введите в отчёт
    Iб =г·м²
    Система не принимает шаг 19? Напишите нам
  20. Шаг 20

    Отличие экспериментального момента инерции от расчётного

    Сравниваем Iэ из шага 15 с Iб из шага 19. Ответ в процентах, пять знаков после точки.

    o=|1−IэIб|·100%=|1−2.053232.12641|·100%≈3.44150%
    Введите в отчёт
    o =%
    Система не принимает шаг 20? Напишите нам
  21. Шаг 21

    Работа сдана

    Лабораторная работа успешно завершена.

Система не принимает значение?

Напишите нам во ВКонтакте номер шага и свои замеры. Разберёмся и, если ошибка в расчёте, поправим его для всех.

Написать во ВКонтакте

Что происходит в опыте

Через блок перекинута нить с двумя одинаковыми грузами. Небольшой перегрузок на правом грузе заставляет систему двигаться, а блок — вращаться. По тому, как быстро опускается груз, находят момент инерции блока.

  1. 1

    Пуск с высоты H

    Груз с перегрузком отпускают из начального положения H, фотодатчик на кронштейне останавливает секундомер в конечном положении E. Путь h = H − E, для каждой высоты делают пять пусков.

  2. 2

    Прямая t² от h

    Движение равноускоренное, поэтому квадрат времени пропорционален пути. Пять серий с разной высотой дают пять точек, через них проводят прямую и берут её наклон K.

  3. 3

    Сравнение с расчётом

    Из наклона получают экспериментальный момент инерции. Расчётный находят как момент инерции сплошного диска минус вырезы, для вырезов — по теореме Штейнера.

Ускорение грузов по пути и времени, формула (4.4) методички:

a=2ht2

Из уравнений движения грузов и блока получается t² = k·h, где, по формуле (4.7):

k=[(2IR2+4M)1m+2]1g

Момент инерции диска и теорема Штейнера, формулы (2.5) и (2.8):

I=mR22,I0=Ic+ma2

M = 100 г, перегрузок m = 2 г, радиус блока R = 75 мм, радиус выреза r = 25 мм, его центр на r1 = 40 мм от оси. Толщина блока 6 мм, плотность 8400 кг/м³.

На чём чаще всего ошибаются

  • Количество вырезов

    На рисунке блока в системе вырезов может быть два, три или больше, у каждого студента своё. От этого числа зависит шаг 19 и итоговое отличие.
  • Квадрат округлённого среднего

    На шаге 4 в квадрат возводят среднее время без округления. Квадрат от 2.414 и от 2.4142 различается в третьем знаке.
  • Округление погрешности

    Погрешность σt² оставляют с одной значащей цифрой, а квадрат времени округляют до того же разряда: при 2·10⁻¹ — до десятых.
  • Сантиметры вместо метров

    Путь h в отчёте — в метрах: 10 см = 0.1 м. Если оставить сантиметры, наклон K станет в сто раз меньше.

Вопросы

Где посмотреть количество вырезов на блоке?

На рисунке блока на странице опыта в системе. В примере на этой странице вырезов два, у вас может быть другое число.

Почему прямая t² от h проходит не точно через ноль?

По теории t² = k·h, но время отпускания груза и срабатывания датчика добавляют небольшой сдвиг. Поэтому прямую строят с отрезком B, обычно он близок к нулю.

Какое отличие от расчётного значения считается нормальным?

Несколько процентов. Трение в оси блока и масса нити в формуле не учитываются, поэтому полного совпадения не бывает.

Где расчёт для других работ по физике?

Список всех работ, для которых есть расчёт, — на странице лабораторных по физике. Ссылки на соседние работы есть и внизу этой страницы.