5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

Podobné dokumenty
3. Vypočítejte chybu, které se dopouštíte idealizací reálného kyvadla v rámci modelu kyvadla matematického.

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

1. Změřte momenty setrvačnosti kvádru vzhledem k hlavním osám setrvačnosti.

1. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli z protažení drátu. 2. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli a duralu nebo mosazi z průhybu trámku.

PRAKTIKUM I Mechanika a molekulová fyzika

1. Změřte teplotní závislost povrchového napětí destilované vody σ v rozsahu teplot od 295 do 345 K metodou bublin.

3. Diskutujte výsledky měření z hlediska platnosti Biot-Savartova zákona.

Laboratorní úloha č. 3 Spřažená kyvadla. Max Šauer

Měření momentu setrvačnosti

1. Určete závislost povrchového napětí σ na objemové koncentraci c roztoku etylalkoholu ve vodě odtrhávací metodou.

(3) Vypočítejte moment setrvačnosti kvádru vzhledem k zadané obecné ose rotace.

1. Změřte průběh intenzity magnetického pole na ose souosých kruhových magnetizačních cívek

ZÁKLADY FYZIKÁLNÍCH MĚŘENÍ FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 5: Měření tíhového zrychlení

Fyzikální praktikum II

Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem

1. Okalibrujte pomocí bodu tání ledu, bodu varu vody a bodu tuhnutí cínu:

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

1. Teorie. jednom konci pevně upevněn a na druhém konci veden přes kladku se zrcátkem

Praktikum II Elektřina a magnetismus

2. Stanovte hodnoty aperiodizačních odporů pro dané kapacity (0,5; 1,0; 2,0; 5,0 µf). I v tomto případě stanovte velikost indukčnosti L.

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

pracovní list studenta

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

STANOVENÍ TÍHOVÉHO ZRYCHLENÍ REVERZNÍM KYVADLEM A STUDIUM GRAVITAČNÍHO POLE

1. Měřením na rotačním viskozimetru zjistěte, zda jsou kapaliny připravené pro měření newtonovské.

Harmonické oscilátory

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

1.1. Metoda kyvů. Tato metoda spočívá v tom, že na obvod kola do vzdálenosti l od osy

Úloha 5: Charakteristiky optoelektronických součástek

Pohyb tělesa po nakloněné rovině

Praktikum II Elektřina a magnetismus

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

Mechanické kmitání a vlnění, Pohlovo kyvadlo

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Pracovní list vzdáleně ovládaný experiment. Obr. 1: Matematické kyvadlo.

Tíhové zrychlení na několik žákovských způsobů

Vyřešením pohybových rovnic s těmito počátečními podmínkami dostáváme trajektorii. x = v 0 t cos α (1) y = h + v 0 t sin α 1 2 gt2 (2)

Měření hodnoty g z periody kmitů kyvadla

I. část - úvod. Iva Petríková

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

Buffonova jehla. Jiří Zelenka. Gymnázium Zikmunda Wintra Rakovník

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

Derivace goniometrických. Jakub Michálek,

2. Fyzikální kyvadlo (2.2) nebo pro homogenní tělesa. kde r je vzdálenost elementu dm, resp. dv, od osy otáčení, ρ je hustota tělesa, dv je objem

Fyzikální praktikum I

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

Vybrané experimenty v rotujících soustavách

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Derivace goniometrických funkcí

1. Změřit metodou přímou závislost odporu vlákna žárovky na proudu, který jím protéká. K měření použijte stejnosměrné napětí v rozsahu do 24 V.

Fyzikální praktikum I

( r ) 2. Měření mechanické hysterezní smyčky a modulu pružnosti ve smyku

Fyzikální praktikum 1

Praktikum III - Optika

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

POZOROVÁNÍ VLN NA VLNOSTROJI

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

Laboratorní úloha č. 4 - Kmity II

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

POZOROVÁNÍ VLN NA VLNOSTROJI

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

I Mechanika a molekulová fyzika

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

MOMENT SETRVAČNOSTI. Obecná část Pomocí Newtonova pohybového zákona síly můžeme odvodit pohybovou rovnici pro rotační pohyb:

2. Ve spolupráci s asistentem zkontrolujte, zda je torzní kyvadlo horizontálně vyrovnané.

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 10 Název: Rychlost šíření zvuku. Pracoval: Jakub Michálek

pracovní list studenta

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

Odhad změny rotace Země při změně poloměru

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

Mechanické kmitání (oscilace)

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Fyzikální praktikum 1

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úlohač.19 Název: Měření s torzním magnetometrem

2 (3) kde S je plocha zdroje. Protože jas zdroje není závislý na směru, lze vztah (5) přepsat do tvaru:

Mˇeˇren ı vlastn ı indukˇcnosti Ondˇrej ˇ Sika

Přijímací zkouška pro nav. magister. studium, obor učitelství F-M, 2012, varianta A

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

Transkript:

1 Pracovní úkoly 1. Změřte dobu kmitu T 0 dvou stejných nevázaných fyzických kyvadel.. Změřte doby kmitů T i dvou stejných fyzických kyvadel vázaných slabou pružnou vazbou vypouštěných z klidu při počátečních podmínkách a. y 1 = y = B doba kmitu T 1 b. y 1 = y = B doba kmitu T c. y 1 = 0, y = B a. doba kmitu T 3 b. doba T 4 /4, za kterou dojde k maximální výměně energie mezi kyvadly 3. Vypočtěte kruhové frekvence ω 0, ω 1, ω, ω 3 a ω 4 odpovídající dobám T 0, T 1, T, T 3 a T 4, ověřte měřením platnost vztahů odvozených pro 3 a 4. 4. Vypočtěte stupeň vazby. 5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení závěsu kyvadla a graficky znázorněte. Teoretický úvod Pro jednoduché fyzické kyvadlo, které kmitá s malou úhlovou výchylkou, můžeme použít pro úhlovou frekvenci kmitů kyvadla ω 0 vzorec D ω 0 = I, (1) kde D je direkční moment kyvadla a I je jeho moment setrvačnosti. Vztah mezi dobou kmitu T i a úhlovou frekvencí kmitů ω i je 1 ω i = π T i. () Pokud dvě stejná fyzická kyvadla svážeme slabou pružnou vazbou, pak budou moci být jejich výchylky popsány rovnicemi y 1 = a 1 cos ω 1 t + b 1 sin ω 1 t + a cos ω t + b cos ω t, (3) y 1 = a 1 cos ω 1 t + b 1 sin ω 1 t a cos ω t b cos ω t, (4) kde a 1, a, b 1 a b jsou konstanty a ω 1 a ω jsou úhlové frekvence, pro které platí D ω 1 = I, (5) kde D p je direkční moment pružiny. D + Dp ω =, (6) I a. Pro počáteční podmínku y 1 = y = B po dosazení do rovnic (3) a (4) pro časový průběh kmitů vychází y 1 = y = B cos ω 1 t, (7) takže se v tomto případě nebude vazba uplatňovat. 1 Index i bereme od 0 do 4 podle zadání. 1 / 6

b. Stejným postupem jako v bodě a. pro jinou počáteční podmínku y 1 = y = B dostáváme y 1 = y = B cos ω t. (8) c. Pokud máme počáteční podmínku y 1 = 0 a y = B, pak dostáváme: kde úhlové frekvence jsou y 1 = B sin ω 3 t sin ω 4 t, (9) y = B cos ω 3 t cos ω 4 t, (10) ω 3 = ω 1 + ω ω 4 = ω 1 ω. (1) Kde ω 3 je úhlová frekvence kmitů jednotlivých kyvadel a ω 4 odpovídá změnám amplitudy - odpovídá době, za kterou dojde ke dvěma přenosům kinetické energie z jednoho kyvadla na druhé a z druhého na první. Stupeň vazby je definován jako κ = (11) D p D + D p. (13) Stupeň vazby můžeme díky rovnicím (5) a (6) vyjádřit pomocí ω 1 a ω a pak díky vzorci () i přímo z naměřených dob T 1 a T κ = ω ω 1 ω + ω 1 = T 1 T T 1 + T (14) 3 Měření Chyby měření byly určeny pomocí vzorců pro přenos chyb - pro statistickou chybu veličiny f závislé na n jiných naměřených veličinách x j platí Pro celkovou chybu veličiny f pak platí n ( s f1 = f x j s f = j=1 ) s x j. (15) s f 1 + s f, (16) kde s f je systematická chyba = chyba měřidla. Ve většině případů v tomto měření je ovšem statistická chyba prakticky zanedbatelná a převážnou část chyby tvoří chyba měřidla. Počáteční výchylka B a tedy i maximální výchylka kyvadel, byla vždy (4, 0 ± 0, 1) cm. Vzdálenost umístění pružiny od os otáčení kyvadel d je součtem vzdáleností x a x 0, kde x je vzdálenost mezi horním koncem pohyblivé zarážky, na které je umístěn háček a spodním koncem upevnění kyvadla a x 0 je vzdálenost mezi háčkem a osou otáčení pro nastavení x = 0cm. Chyby měření x a x 0 jsou s x = 0, 1 cm a s x0 = 0, 1 cm (byl použitý pásový metr). A pro d je tedy chyba určení d = 0, 14 cm. / 6

Tabulka 1: Naměřené hodnoty doby kmitů jednotlivých nevázaných kyvadel levé pravé 0 T 0 /s 0 T 0 /s 38,44 38,50 38,55 38,56 Tabulka : Naměřené hodnoty vázaných kyvadel pro dvě pružiny 1. pružina. pružina 1. pruž. pruž 1. pruž. pruž 1. pruž. pruž 3 0 T 1 /s 0 T 1 /s 10 T /s 10 T /s 10 T 3 /s 5 T 3 /s 4 T 4/s T 4 /s 38,18 38,40 18,47 17,79 18,85 9, 94,8 51,36 38,16 38,9 18,39 17,85 18,76 9,7 95,5 5,1 38,09 18,44 17,67 18,79 9,3 97,53 5,6 38,19 9,11 9, 3.1 Měření doby kmitu jednotlivých kyvadel Nejprve byla změřena doby kmitu obou nevázaných kyvadel. Naměřené hodnoty jsou v tabulce č. 1. Měření probíhalo s háčky pro pro pružinu nastavenými co nejvýše na kyvadlech. Pro měření ve všech případech byly použity stopky ovládané ručně, takže chyba určení času je určena zejména reakční dobou, která je zhruba s T = 0, s. Doba kmitu levého kyvadla je tedy a pravého kyvadla T 0L = (1, 95 ± 0, 010) s T 0P = (1, 97 ± 0, 010) s. Doby kmitů se shodují v rámci chyby a proto nebylo potřeba přenastavovat polohu čoček kyvadel. Odpovídající úhlové frekvence jsou ω 0L = (3, 64 ± 0, 018) s 1 ω 0P = (3, 61 ± 0, 017) s 1 3. Měření doby kmitu vázaných kyvadel Naměřené doby T 1, T, T 3 a T 4 pro dvě pružiny jsou v tabulce č.. Pro doby T 1, T, T 3 platí stejná chyba určení jako pro T 0 způsobená dobou lidských reflexů. Ovšem chyba určení T 4 je daleko vyšší, protože je potřeba odhadnout chvíli, kdy se kyvadlo přesně zastavilo, což není jednoduché, protože v průběhu několika vteřin má opravdu malou výchylku. Můj odhad pravděpodobné systematické chyby určení je s t4 = 1, 5 s. Pružina byla nastavena ve výšce x = (1, 6 ± 0, 1) cm Naměřené doby kmitu jsou zaznamenány v tabulce č. 3 a z nich vypočítané hodnoty úhlových frekvencí v tabulce č. 4. Pokud vypočteme polovinu rozdílu a součtu ω 1 a ω pro první pružinu ω 1 + ω 11 = (3, 35 ± 0, 04) s 1 ω 1 ω 11 = (0, 058 ± 0, 041) s 1 3 / 6

Tabulka 3: Naměřené doby kmitu 1. pružina. pružina T 1 /s 1, 908 ± 0, 010 1, 917 ± 0, 010 T /s 1, 843 ± 0, 00 1, 777 ± 0, 00 T 3 /s 1, 880 ± 0, 00 1, 84 ± 0, 04 T 4 /s 18 ± 51, 9 ± 1, 5 Tabulka 4: Vypočtené úhlové frekvence 1. pružina. pružina ω 1 /s 1 3, 94 ± 0, 018 3, 77 ± 0, 018 ω /s 1 3, 41 ± 0, 04 3, 536 ± 0, 04 ω 3 /s 1 3, 34 ± 0, 04 3, 411 ± 0, 07 ω 4 /s 1 0, 049 ± 0, 0008 0, 11 ± 0, 003 a pro druhou použitou pružinu ω + ω 1 = (3, 41 ± 0, 04) s 1 ω ω 1 = (0, 19 ± 0, 044) s 1. Pak zjistíme, že hodnoty první hodnoty velice dobře odpovídají naměřené ω 3 a druhé hodnoty odpovídají ω 4. S tím, že ovšem u rozdílů úhlových rychlostí je stejná chyba jako u součtů, čímž pádem je relativně velmi vysoká. Koeficient vazby pro první pružinu vychází κ 1 = 0, 034±0, 01 a pro druhou κ = 0, 76±0, 013. 3.3 Závislost koeficientu vazby na d Pro měření, které sloužilo k určení závislosti vazby κ na umístění pružiny, byla použita druhá pružina z předchozího měření. Chybu měření veličiny κ určíme jako s κ = 4T 1T (T1 + T T ) s T 1 + T1 s T. (17) Tabulka 5: Naměřené hodnoty T 1 a T pro různé polohy pružiny x/cm 10 T 1 /s 10 T 1 /s 10 T 1 /s 10 T /s 10 T /s 10 T /s 0,0 19,03 19,6 19,0 19,36 19,31 19,1 4,0 19,14 19,19 19,11 19,06 19,06 19,09 8,0 19,0 19,9 19, 18,88 18,93 18,97 1,0 19,3 19,1 19,09 18,63 18,53 18,65 16,0 19,36 19,18 19,18 18,3 18,48 18,34 0,0 19, 19, 19,30 17,90 17,88 17,8 4,0 19,04 19,3 19,06 17,53 17,65 17,68 8,0 19,1 19,07 19,13 17,19 17,16 17,0 3,0 19,34 19,38 19,6 16,9 16,83 16,97 36,0 19,30 19,3 19,5 16,50 16,40 16,9 4 / 6

0. 0.15 Naměřené hodnoty Vypočtená závislost κ 0.1 0.05 0-0.05 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 d/cm Obrázek 1: Graf závislosti κ na d tato chyba je znázorněna v grafu na obrázku č. 1 pomocí chybových úseček. Z grafu je patrné, že se jedná o slabou kvadratickou závislost - tou jsou data proložena. Do grafu je přidána i bod vypočtený z předchozího úkolu. 4 Diskuse Měření doby kmitu samotných nevázaných kyvadel potvrdilo, že obě dvě mají stejnou dobu kmitu v rámci chyby měření. Ovšem menší systematická chyba mohla vzniknout právě tím, že ve skutečnosti není doba kmitu úplně stejná. Měření jednotlivých dob kmitu potvrdilo relativně dobře potvrdilo vztahy mezi ω 0, ω 1, ω ω 3 a ω 4. Při ověřování rovnice (1) docházíme k velké relativní chybě pravé strany rovnice, což je způsobeno tím, že je ve výpočtu rozdíl dvou hodnot, které jsou podobně velké. První hodnota v grafu závislosti κ je záporná, což ukazuje na to, že je v měření přítomna buď hrubá chyba, nebo systematická. Ovšem to, jak vypadá rozložení bodů, tak se bude jednat spíše o systematickou chybu. Není ovšem příliš vysoká - vzhledem k tomu, že chybové úsečka zasahují velkou částí i do kladné části i u prvního bodu. Chyby mohly být způsobeny tím, že u každého kyvadla byly nastaveny háčky v trochu jiné vzdálenosti. Také kmity neprobíhaly vždy jen v ose, ve které bylo požadováno, ale mírně i v kolmé ose. Největší chyba byla ovšem způsobena tím, že doby kmitů byly měřeny stopkami ručně a ve většině případů záleželo na určení průchodu maximální výchylkou a u měření T 4 bylo zase kritické určit správně čas, kdy se kyvadlo zastavilo. Tuto chybu jsem se snažil eliminovat měřením více kmitů po sobě jdoucích. Dalšími vlivy mohlo být tření v ose otáčení, odpor vzduchu a disipace energie v pružině. Ty mohly také mírně ovlivnit dobu kmitu. Provedli jsme několik dalších zanedbání - zanedbali jsme to, že kyvadlo má nějakou maximální výchylku, možné další vlivy pružiny - například vliv jejích rozměrů. 5 / 6

5 Závěr Doby kmitu nevázaných jednotlivých kyvadel Pro x = (1, 6 ± 0, 1) cm levé T 0L = (1, 95 ± 0, 010) s pravé T 0P = (1, 97 ± 0, 010) s 1. pružina. pružina T 1 /s 1, 908 ± 0, 010 1, 917 ± 0, 010 T /s 1, 843 ± 0, 00 1, 777 ± 0, 00 T 3 /s 1, 880 ± 0, 00 1, 84 ± 0, 04 T 4 /s 18 ± 51, 9 ± 1, 5 1. pružina. pružina ω 1 /s 1 3, 94 ± 0, 018 3, 77 ± 0, 018 ω /s 1 3, 41 ± 0, 04 3, 536 ± 0, 04 ω 3 /s 1 3, 34 ± 0, 04 3, 411 ± 0, 07 ω 4 /s 1 0, 049 ± 0, 0008 0, 11 ± 0, 003 Koeficient vazby pro první pružinu κ 1 = 0, 034 ± 0, 01 a pro druhou κ = 0, 76 ± 0, 013. 6 Literatura [1] J. Brož, V. Roskovec, M. Valouch: Fyzikální a matematické tabulky SNTL, Praha 1980 [] Wikipedia contributors: Pendulum (mathematics) [online] Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=pendulum_(mathematics)&oldid= 34458407 17 February 010, 09:43 UTC, [accessed 8 March 010] 6 / 6