Принцип роботи установки

Рух по монорейці виконує П-подібне тіло – каретка, юбка якої облягає по бокам монорейку. Наявність юбки забезпечує не тільки орієнтацію руху вздовж монорейки, але й центрування каретки в поперечній площині відносно поздовжньої осі монорейки. У дослідах використовують два типи пластмасових кареток: довжиною 100 мм, масою 50 г(мала каретка) та довжиною 200 мм, масою 100 г (велика каретка).

На обох кінцях верхньої площини каретки є пази для установки буферів.

В залежності від дослідів використовують два типи буферів: пружинний та жорсткий. Як у пружних, так і у жорстких буферів в верхній частині держателів знаходяться циліндричні стальні пластини, завдяки яким каретки утримуються в початковому положенні за рахунок притягування їх до сердечників пускових електромагнітів. При вимкненому електричному струмі пускових магнітів та переводі тумблера в положення «Пуск» на пульті управління пристрою відбувається зникнення магнітного поля електромагніта (сили тяжіння), тоді під дією сили стискання пружини буфера (або складової сили тяжіння при нахилі пристрою на 1-3 градуси) відбувається відштовхування та рух кареток.

Відлік пройдених кареткою відрізків шляху проводиться за рухомою шкалою.

Пульт керування являє собою командно-сигнальний пристрій, змонтований в металічному корпусі. Всередині корпуса пульта знаходиться панель, на якій виконано монтаж елементів електричної схеми. Частина елементів електричної схеми знаходиться на лицьовій панелі: тумблер пуску, тумблер переключення режиму роботи схеми, ліхтар з сигнальною лампою, клеми для підключення: фотодатчика, секундоміра, пускових магнітів та електромагніта скидання тиску.

Вузол скидання тиску являє собою пристрій, призначений для скидання надмірного тиску всередині порожнини монорейки.

Фотодатчик призначений для роботи електросхеми під час демонстрації досліду «Визначення миттєвої швидкості». Пристрій складається з кронштейна, на якому установлено: фотодіод, конденсор та лампу накалювання.

При проходженні прапорця каретки між конденсатором та фотодіодом світловий промінь перекривається і фотодіод відповідно приводить схему в стан, за якого проходить відлік часу. При виході прапорця каретки зі світлового променя реле зупиняє запущений секундомір.

Визначення миттєвої швидкості проводять діленням довжини прапорця на час, відрахований секундоміром.

Динамометр призначений для визначення сили в межах 0-0,06 Н. Каретка, на жорсткий буфер якої надівається нитка вимірювального пристрою, рухаючись під дією складової сили тяги по похилій монорейці, переміщає стрілку динамометра на кут, відповідний цій силі.

Пусковий магніт представляє собою прилад, призначений для утримування каретки в початковому положенні. В момент зняття напруги з обмотки електромагніта каретка з пружинним буфером, знаходячись в стягнутому електромагнітом положенні, відштовхується від упора пускового магніту та починає рух.

1.Вивчення законів механіки поступально руху.

Порядок виконання роботи. Демонстрація руху на повітряній подушці.

1. Вихідний стан пристрою.

а) тумблер «Викл.-Пуск» на пульті ПДЗМ – в положенні «Викл»;

б) тумблер вибору режиму «1-2» на пульті ПДЗМ – в положенні «1»;

в) секундомір СЕД-1 – «Викл.».

2. Виключити нагнітач повітря. На монорейку встановити малу каретку з двома пружинами на буферах. Підвести круглу металічну вставку буфера до сердечника електромагніта.

3. Перевести тумблер «Викл.-Пуск» в положення «Пуск». При цьому каретка починає рухатися то в одну, то в іншу сторону. Швидкість руху каретки зменшується слабо. Це означає, що впливом консервативних сил тертя на швидкість руху каретки можна знехтувати, тобто виконується закон збереження механічної енергії.

4. Повторити експеримент з великою кареткою. Показати, що за однакових швидкостей запас кінетичної енергії у великої каретки більший, ніж у малої

2.Закон збереження механічної енергії

1. Вихідний стан пристрою згідно пунктам 1а); 1б) попереднього розділу.

2. Увімкнути секундомір СЕД-1. Тумблер «Секундомір-Датчик» в положенні «Датчик».

3. Задати на секундомірі СЕД-1 час t =0,5-0,8c.

4. Встановити у вихідне положення малу каретку с одним пружинним буфером.

5. Перевести тумблер на пульті керування в положення «Пуск». Каретка за час t пройде шлях .

6. Помістити на каретку тягарець =100г та забезпечити рух каретки з тягарцем згідно з попередніми вказівками. Каретка пройде шлях .

Оскільки рух каретки можна вважати рівномірним, а енергія деформації пружини переходить в кінетичну енергію руху каретки, тоді

тобто, буде виконуватися співвідношення

де − маса каретки; − маса тягарців.

3.Закон збереження імпульсу при абсолютно пружному та непружному ударі

1. Встановити на двох протилежних кінцях горизонтально встановленої монорейки дві каретки з закріпленими на них пружинними буферами; підібрати однакову масу кареток.

2. Увімкнути прилад і цим самим здійснити рух кареток по монорейці. Імпульс каретки, що рухається в одному напрямку дорівнює «- », а тої, що рухається назустріч − «+ ». Після пружного удару змінюються знаки початкових імпульсів: імпульс першої буде дорівнювати «+ », а другої − «- ».

3. На секундомірі СЕД-1 задати проміжок часу, по закінченню якого каретки після пружного удару і проходження після цього рівних проміжків шляху зупиняться.

4. При знятих з обох кареток пружинних буферах і зміні їх на жорсткі, провести дослід із закріпленим на одному з буферів куском пластиліну. При цьому каретки повинні зупинитися, тобто в даному випадку доводиться, що сума імпульсів тіл, що складають замкнуту систему, залишається незмінною за будь-яких взаємодій тіл цієї системи між собою.

4.Визначення миттєвої швидкості

1. Установити тумблер секундоміра СЕД-1 в режим «Секундомір», тумблер «Режим» на пульті приладу в положення «2».

2. Установити та закріпити на рамі пристрою фотодатчик на відстані не менше 100мм від початку відліку руху, закріпивши його на направляючій опорній рамі монорейки гвинтом.

3. Підключити вилку фотодатчика до клем ФД пульта керування прибором.

4. Встановити на штир каретки короткий прапорець, а каретку з пружинним буфером у вихідне положення на монорейці.

5. Включити нагнітальний пристрій, а потім тумблер «Пуск-Викл.» в положення «Пуск», розміщений на пульті керування. Відношення пройденого кареткою шляху D S₁ за безкінечно малий відрізок часу (час проходження прапорця через світловий потік) буде шуканою миттєвою швидкістю, тобто .

6. Повторити дослід з більш довгим () прапорцем. При цьому .

Контрольні питання та завдання

1. Який рух тіл називають: поступальним, обертальним.

2. Дати визначення швидкості та прискоренню.

3. Сформулювати закон збереження імпульсу.

4. Сформулювати закон збереження механічної енергії.

5. Що таке абсолютно пружний та непружний удари. Які закони збереження виконуються при них.

Лабораторна робота № 1-05