7.1. Описание установки

Маятник Максвелла – это диск, закрепленный на оси и подвешенный на двух нитях. На диск накладывается одно из трех колец, изменяя таким образом его момент инерции J_P= J_O+ J_D +J_K, где J_O - момент инерции оси маятника, J_D - момент инерции диска, J_K - момент инерции кольца, аксиально надетого на диск.

Маятник с надетым кольцом удерживается в верхнем положении (нулевая отметка шкалы) электромагнитом, который действует при включении прибора в сеть. На колонке прибора закреплена миллиметровая шкала, по которой определяется длина маятника.

На верхнем неподвижном кронштейне кроме электромагнита находится фотоэлектрический датчик. Нижний кронштейн вместе с прикрепленным к нему фотоэлектрическим датчиком можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в произвольно избранном положении, соответствующем длине маятника.

Таким образом, при отключении электромагнита мятник падает с высоты h, равной длине маятника. Время падения отмечается секундомером.

Порядок выполнения работы

Надеть на диск кольцо, прижимая его до упора.
Нажатием клавиши СЕТЬ включить напряжение питания, при котором высвечиваются лампочки фотоэлектрических датчиков №1 и №2 и циферблат миллисекундомера. Одновременно включается электромагнит.
На ось маятника намотать нить подвески, стараясь, чтобы она наматывалась равномерно, виток к витку.
Фиксировать маятник при помощи электромагнита, обращая внимание на то, что нить в этом положении не была слишком скручена. Убедиться, что нижняя грань кольца отвечает нулю шкалы на колонке. Чуть повернуть маятник в направлении его движения (на угол около 5^о).
Установить нуль миллисекундомера нажатием клавиши СБРОС.
Нажать клавишу ПУСК, при этом отключается электромагнит, маятник падает, включается миллисекундомер, идет отсчет времени.
Замер времени повторить 5 раз. Все измерения занести в табл. 7.1.
Определить значение среднего времени падения.
Измерить внешний диаметр оси маятника D.
По шкале на вертикальной колонке прибора определить длину маятника h, а по формуле m = m_O+ m_D+ m_K вычислить массу маятника вместе с кольцом, где m_O – масса оси маятника, m_D – масса диска, m_K - масса кольца. Значения масс отдельных элементов нанесены на них.
По формуле (7.6) определить момент инерции маятника J.
Все результаты измерений записать в таблице 7.1. Под таблицей выполнить расчеты.
Примечание: при выполнении работы ось маятника должна быть параллельна оси прибора.
По формуле: оценить погрешность измерения момента инерции.
По формуле (7.9) определить расчетное значение момента инерции маятника Максвелла.
Сравнить расчетное значение момента инерции с его экспериментальным значением. Сделать выводы.
Опыт повторить с другими кольцами.

Таблица 7.1

h, м

D , м

m, кг

t_i, с

t _ср , с

J, кг∙м²

Задание 2 . Проверка закона сохранения механической энергии Методика эксперимента. Вывод расчетной формулы

Маятник, поднятый на высоту , обладает потенциальной энергией. При скатывании маятник одновременно движется поступательно и вращается относительно оси, поэтому его кинетическая энергия

. (7.10)

При падении маятника происходит изменение его потенциальной и кинетической энергии так, что полная механическая энергия остается постоянной согласно закону сохранения механической энергии:

,. (7.11)