기계공학 1학년 연구실 근무. 실험실 작업

머리말

이 간행물에는 물리학 실험실 작업 수행에 대한 지침이 포함되어 있습니다. 각 저작물의 설명은 다음과 같은 부분으로 구성됩니다: 저작물의 제목; 목적; 악기 및 액세서리; 연구 중인 패턴; 관찰 지침; 결과를 처리하는 작업; 통제 질문.

취업준비과제

취업을 준비할 때 학생은 다음을 수행해야 합니다.

1) 직무 설명을 연구하고 보안 질문에 대한 답변을 생각해 보세요.

2) 준비하다 보고서 서문 부분: 제목 페이지, 작품 제목, 작품의 목적, 실험실 설정에 대한 설명(다이어그램 또는 스케치) 및 연구 중인 패턴에 대한 간략한 설명

3) 관찰 프로토콜을 준비합니다.

관찰 프로토콜에는 다음이 포함됩니다. 작품 제목 작업 중에 채워지는 테이블; 학생에 관한 정보(이름, 그룹 번호). 테이블의 형태는 학생이 독립적으로 개발합니다.

관찰 프로토콜 및 실험실 보고서 A4용지 한면에 깔끔하게 정리되어 있습니다.

1) 제목 페이지

2) 소개 부분: 작품 제목, 작품 목적, 도구 및 액세서리, 방법론적 지침 "연구 패턴" 부분 요약

3) "결과 처리 작업"에 따른 계산 부분;

4) 작업의 결론.

계산은 상세해야 하며 필요한 설명과 함께 제공되어야 합니다. 계산 결과는 편리하다면 표에 요약되어 있습니다. 그래프와 그래프는 모눈종이에 연필로 그려집니다.

일 1.1. 소산 매체에서의 신체 운동 연구

장치 및 액세서리: 시험액이 담긴 용기 액체의 밀도보다 더 큰 밀도의 공; 스톱워치; 스케일 바.

작업 목적: 환경 저항이 존재하는 균일한 힘장에서 신체의 움직임을 연구하고 매체의 내부 마찰 계수(점도)를 결정하는 것입니다.

연구 중인 패턴

점성 유체에서 신체의 움직임.점성 액체에 떨어지는 아주 작은 고체 공은 세 가지 힘에 의해 작용합니다(그림 1).

1) 중력 mg = 4 3 r 3 πρ g, 여기서 r은 공의 반경입니다. ρ – 밀도;

2) 아르키메데스의 부력 F a = 4 3 r 3 πρ c g , 여기서 ρ c는 액체의 밀도입니다.

3) 중간 저항력(스토크스 힘)

여기서 θ는 유체 점도 계수입니다. v는 떨어지는 공의 속도입니다.

공식 (1.1)은 액체 경계까지의 거리가 공의 직경보다 상당히 크다면 균질한 액체 속에서 저속으로 움직이는 고체 공에 적용할 수 있습니다. 합력

F = 4 3 r 3 π(ρ−ρc ) g −6 πnrv .

ρ > ρ c이면 이동 초기 단계에서 속도 v는 작지만 공은 가속과 함께 떨어집니다. 특정 속도 v 에 도달하면 결과가 나타납니다.

힘이 0이 되면 공의 움직임이 균일해집니다. 등속 운동의 속도는 조건 F = 0에서 결정되며, 이는 v 에 대해 다음을 제공합니다.

모든 운동 단계에서 속도 v(t)의 시간 의존성은 다음 식으로 설명됩니다.

이는 공의 운동방정식을 적분하고 초기조건을 대입하여 구한 것이다. 몸체가 정지 속도 v 에 도달할 수 있는 시간 τ, 초기 속도와 동일한 가속도로 균일하게 가속되어 이동

이완 시간이라고 합니다(그림 2 참조). 공의 균일한 낙하의 정상 상태 속도 v 를 실험적으로 결정하면 액체의 점도 계수를 찾을 수 있습니다.

여기서 D는 공의 직경이고, m = π 6 ρ D 3은 공의 질량입니다.

점도 계수 eta는 층 사이의 단위 접촉 면적과 층에 수직인 방향의 단위 속도 구배를 갖는 액체 또는 기체의 인접한 층 사이의 마찰력과 수치적으로 동일합니다. 점도 단위는 1 Pa s = 1 N s/m2입니다.

소산 시스템의 에너지 손실. 정상상태에서는 움직임이

이 경우 마찰력과 중력(아르키메데스의 힘을 고려)은 서로 동일하며 중력의 작용은 완전히 열로 바뀌고 에너지 소산이 발생합니다. 정상상태에서의 에너지 소산율(전력 손실)

P = F 0 v 로 구합니다. 여기서 F 0 = m a 0 = m v / τ 입니다. 따라서

P = m v 0 2 / τ .

관찰을 위한 지침

움직임이 연구되는 몸체는 알려진 직경의 강철 공(ρ = 7.9.10–3 kg/cm3)이고 매체는 점성 액체(다양한 오일)입니다. 눈금이 있는 원통형 용기에 액체가 채워져 있으며, 그 위에 서로 다른 높이에 두 개의 가로 표시가 표시되어 있습니다. 공이 한 마크에서 다른 마크까지의 경로 Δl을 따라 떨어지는 시간을 측정하여 평균 속도를 구합니다. 발견된 값은 상단 표시에서 액체 레벨까지의 거리가 이 작업에서 수행되는 이완 경로 l τ = v τ τ / 2를 초과하는 경우 속도 v 의 정상 상태 값입니다.

1. 관찰 프로토콜에 볼의 직경, 연구 중인 액체의 밀도 및 볼 재료의 밀도를 기록합니다.공의 질량을 계산하고 그 결과를 관찰 프로토콜에 기록합니다. 측정을 위해 5개의 공을 준비합니다.

2. 초기 속도가 0인 입구 파이프를 통해 볼을 액체 속으로 교대로 낮추고 스톱워치로 시간을 측정합니다.각 공을 패스하지 않음

용기의 표시 사이의 거리 Δ l. 결과를 표에 입력합니다.

3. 마크 사이의 거리 Δl를 측정합니다. 관찰 프로토콜에 결과를 기록합니다.

결과처리 업무

1. 휴식 시간 결정. 얻은 데이터를 사용하여 각 공의 속도 v를 계산합니다. a 0 = g (1 – ρ c / ρ ) 공식을 사용하여 초기 가속도를 계산합니다.

공 중 하나(아무거나)에 대해 이완 시간 τ = v / a 0 을 추정합니다. 공식(1.2)을 사용하여 시간 간격 0에 대한 의존성 v(t)를 플롯합니다.< t < 4τ через интервал 0.1 τ . Проанализировать, является ли движение шарика установившимся к моменту прохождения им первой метки, для чего оценить путь релаксации по формуле l τ = v ∞ τ .

2. 에너지 소산 평가. 이완 시간이 결정된 움직임 관찰 결과를 기반으로 공의 정상 운동 상태에서 마찰 손실의 힘을 계산합니다.

3. 내부 마찰 계수 결정 . 각 공의 이동 속도에 따라 내부 마찰 계수를 결정합니다(η ) 액체. 평균 및 신뢰 오차 계산∆η .

통제 질문

1. 어떤 매체를 소산성 매체라고 합니까?

2. 소산성 매질에서 물체의 운동 방정식을 적어보세요.

3. 이완 시간이란 무엇이며 신체와 환경의 어떤 매개변수에 따라 달라지나요?

4. 매체 밀도의 변화에 ​​따라 이완 시간은 어떻게 변합니까?

일 2.1. OBERBECK 진자의 관성 모멘트 결정

장치 및 액세서리:오버벡 진자, 추 세트, 스톱워치, 눈금자.

작업 목적: 십자형 Oberbeck 진자의 회전 운동 법칙을 연구하고 진자의 관성 모멘트와 마찰력의 모멘트를 결정합니다.

Oberbeck 진자는 탁상용 장치입니다(그림 1). 삼

브래킷: 상단 2, 중간 3, 하단 4. 수직 스탠드의 모든 브래킷 위치는 엄격하게 고정되어 있습니다. 상부 브라켓(2)에는 하중(8)이 걸려 있는 나사산(6)의 이동 방향을 변경하기 위한 블록(5)이 부착되어 있으며, 블록(5)의 회전은 베어링 조립체(9)에서 수행되어 저감이 가능하다. 마찰. 중간 브래킷(3)에는 전자석(14)이 부착되어 있으며 마찰 클러치를 사용하여 전압이 가해지면 부하가 있는 시스템을 고정 상태로 유지합니다. 동일한 브래킷에는 베어링 어셈블리(10)가 있으며, 그 축에는 2단 풀리(13)가 한쪽에 고정되어 있습니다(나사산(6)을 고정하는 장치가 있습니다). 축의 다른 쪽 끝에는 10mm마다 표시가 있고 서로 직각으로 보스(12)에 고정된 4개의 금속 막대로 구성된 십자가가 있습니다. 각 막대에 있는 추 II는 자유롭게 이동하고 고정할 수 있으므로 진자 십자가의 관성 모멘트를 단계적으로 변경할 수 있습니다.

광전 센서(15)는 하부 브래킷(4)에 장착되어 시간 간격 계산을 종료하도록 스톱워치(16)에 전기 신호를 생성합니다. 동일한 브래킷에 고무 충격 흡수 장치 17이 부착되어 정지 시 하중이 부딪힙니다.

진자에는 분동의 초기 위치와 최종 위치를 결정하는 데 사용되는 18mm 눈금자가 장착되어 있습니다.

설치를 통해 회전 운동 M = I ε의 역학 기본 법칙을 실험적으로 검증할 수 있습니다. 이번 작품에 사용된 진자는 그네이다.

십자형 모양의 vik(그림 2). 질량 m f의 하중은 서로 수직인 4개의 막대를 따라 이동할 수 있습니다. 공통 축에는 도르래가 있고, 그 주위에 실이 감겨져 있고 끝에는 한 세트의 추 m i가 묶여 있는 추가 블록 위에 던져져 있습니다. 낙하 하중의 작용으로 m i

스레드가 풀리고 플라이휠이 균일하게 가속된 동작으로 설정됩니다. 시스템의 동작은 다음 방정식으로 설명됩니다.

여기서 a는 부하가 낮아지는 가속도입니다. 나는 1 – 반경 r 1을 갖는 추가 블록의 관성 모멘트; Mtr 0 – 추가 블록 축의 마찰력 모멘트; I 2 – 하중이 있는 크로스의 총 관성 모멘트, 2단계 풀리 및 크로스 보스; Mtr – 풀리 축의 마찰력 모멘트; r 2 – 나사산이 감겨진 풀리의 반경 (r 1 = 21 mm, r 2 = 42 mm) ε 1, ε 2 – 블록의 각가속도 및

ε 2의 다양한 값은 스레드에 매달린 일련의 무게 m i에 의해 제공됩니다.

따라서 ε2에 대한 M의 선형 의존성에 대한 실험점을 얻은 후 (2.3)을 사용하여 I2와 Mtr의 값을 모두 찾는 것이 가능합니다. I 2 및 Mtr은 선형 회귀 공식(최소 제곱법)을 사용하여 결정됩니다.

관찰을 위한 지침

1. 막대 끝에서 동일한 거리에 있는 서로 수직인 4개의 가로대 막대에 추를 놓습니다.

주 추를 수직선으로 사용하여 조정 지지대를 사용하여 베이스의 위치를 ​​조정합니다(추는 밀리미터 눈금자와 평행하게 이동하여 포토 센서의 작업 창 중앙으로 내려와야 합니다).

3. 십자형을 시계 반대 방향으로 회전시키면서 주 하중을 위쪽 위치로 이동시켜 실을 더 큰 반경의 디스크에 감습니다.

4. 스톱워치 전면 패널에 있는 "POWER" 버튼을 누르고(포토 센서의 표시등과 스톱워치의 디지털 표시등이 켜지고 전자 클러치가 작동해야 함) 가로대를 고정합니다.

V 주어진 위치.

5. "RESET" 버튼을 누르고 표시기가 0으로 설정되어 있는지 확인하십시오.

6. "START" 버튼을 누르고(메인 웨이트가 움직이기 시작함) 누른 상태에서 전자석의 전원이 꺼지고 가로대가 풀리기 시작하며 스톱워치가 시간을 카운트다운하고 현재 메인 웨이트가 작동하는지 확인합니다. 포토센서의 광축을 가로지르면 시간이 멈춥니다. 시간 계산이 멈춘 후 “START” 버튼을 다시 누르세요.

V 초기 위치. 이 경우 전자기 클러치가 작동하여 가로대 속도를 늦춰야 합니다.

7. “START” 버튼을 누르면 더 큰 반경의 디스크에 실을 감아 추를 위쪽 위치로 올립니다. "START" 버튼을 원래 위치로 되돌리고 눈금자 눈금 값을 기록합니다. h 1, 반대쪽은 메인의 아래쪽 가장자리입니다.

번째 화물. 포토 센서의 광축 위치는 눈금자 눈금의 h 0 = 495mm 값에 해당합니다. "RESET" 버튼을 눌러 스톱워치 표시기를 재설정합니다.

8. 6항의 지침에 따라 부하를 낮추는 데 걸리는 시간을 계산합니다. 결과를 표에 기록하십시오.

9. 단락에 따른 측정. 7과 8을 3번 반복하세요.

10. 주 하중에 추가로 매달린 하중의 질량 값을 각각 3회 측정합니다. S와 t: S = h 0 – h 1.

11. 단락에 따른 측정. 8..10을 수행하여 더 작은 반경의 디스크에 실을 감습니다.

12. 테이블 유형을 직접 개발하십시오.

결과 처리 업무

방정식 (2.3)에서 최소 제곱법(LSM)을 사용하여 다음을 결정합니다.

I 2 및 M tr.

a) 이를 위해 m i 및 I 2의 모든 값에 대해 공식 (2.4) 및 (2.5)를 사용하여 M k 및 ε 2 k 값(총 18쌍의 값)을 계산합니다.

b) 선형 의존성 Y = aX + b와 방정식 (2.3)을 비교하면 다음을 얻습니다.

X = ε 2, Y = M, a = I 2, b = M tr.

우리가 찾은 일반적인 선형 회귀 공식을 사용하여 , Δa 및 , 주어진 신뢰 확률에 대한 Δb.