Лабораторная работа 1 5 соударения упругих шаров. Лабораторная работа

Цель работы: ознакомиться с явлением удара на примере соударения шаров, рассчитать коэффициент восстановления энергии, проверить закон сохранения импульса.

Теоретические сведения

Отклоним шарик А с массой на угол

где и показания по шкале измерения. При этом шарик поднимется на высоту (см. рис.1). Как видно из рисунка высоту подъема можно выразить через длину подвеса и угол отклонения:

После освобождения шарика без начальной скорости он будет ускоряться и в нижней точке своей траектории приобретет горизонтальную скорость, которую можно найти из закона сохранения энергии:

В нижней точке своей траектории шарик А сталкивается с шариком В, и после очень короткого удара они разлетаются в противоположные стороны с горизонтальными скоростями и (см. рис.2). Так как во время удара силы натяжения нитей и силы тяжести, действующие на шарики, направлены по вертикали, то должен выполняться закон сохранения горизонтальной проекции импульса системы:

В большинстве случаев реальные удары тел не являются упругими из-за возникновения диссипативных сил внутри этих тел (внутреннее трение), поэтому кинетическая энергия системы в целом при ударе уменьшается. Коэффициентом восстановления кинетической энергии называется величина, равная:

Коэффициент восстановления скорости всегда меньше единицы:. Равенство единице означает полное сохранение энергии, что может быть только в идеальном случае отсутствия диссипативных сил в системе.

После столкновения (см. рис. 3) действие диссипативных сил внутреннего трения прекращается, и, если пренебречь потерей энергии во время движения из-за сопротивления воздуха, можно воспользоваться законом сохранения энергии для каждого шара в отдельности. Шар А отклонится на угол и поднимется на высоту, а шар В отклонится на угол и поднимется на высоту

Используя уравнения аналогичные уравнениям (1) и (2), выразим скорости шаров после удара:

Подставляя (2) и (5) в (4), получим выражение для расчета коэффициента восстановления энергии:

Подставляя (2) и (5) в (3), получим закон сохранения импульса в виде:

Оборудование: стойка с двумя грузами (шарами), повешенными на бифилярном подвесе.

Рабочее задание: определить коэффициент восстановления скорости тела при неупругом ударе шаров.

Порядок выполнения работы

Записать начальные положения 0 и 0, соответствующие точкам пересечения нитей бифилярных подвесов с линией деления шкалы, когда шары неподвижны. Здесь и в дальнейшем обозначение "" относится к шару А с меньшей массой m1, а "" - к шару В с меньшей массой m2.

Отклонить шар А на угол 1 от 10є до 15 и отпустить без начальной скорости. Произвести отсчет первого отброса обоих шаров 2 и 2 (так как сразу практически невозможно взять два отсчета, то поступают так: сначала берут отсчет для одного шара, затем производят повторный удар из того же положения шара А и берут отсчет для второго шара). Удар из данного положения производят не менее 10 раз, чтобы для каждого шара получить не менее пяти значений отбросов нитей после удара (2 и 2). Найти среднее <2> и <2>.

Опыт проделать для двух других значений 1. (от 20 до 25, от 30 до 35). Заполнить таблицу 1.

Проверить закон сохранения импульса (7). Для этого рассчитать скорости и по формулам (2) и (5), учитывая, что

и правую часть уравнения (7)

Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1 и 2. Вычислить коэффициент восстановления энергии по формуле (6).

Таблица 1

Контрольные вопросы

Будет ли система шаров замкнутой?

Сформулировать закон сохранения импульса системы.

Сохраняется ли импульс системы шаров после удара? Почему?

Вид удара в данной работе. Проанализируйте полученный коэффициент восстановления энергии.

Когда полная механическая энергия системы сохраняется? Равны ли кинетические энергии системы шаров до и после удара?

Может ли в некоторой системе не сохраняться механическая энергия и оставаться постоянным момент импульса?

Получить расчетные формулы скоростей шаров после удара.

Список использованных источников

Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. Механика. Молекулярная физика. - СПб.: Лань, 2007. - 432 с.- гл. II, §23, с.75-77, гл. III, §27-30, с.89-106

Цели работы:

1) изучение законов упругого и неупругого соударения шаров,

2) определение отношения скоростей и масс шаров.

Основные понятия и закономерности

Примером применения законов сохранения импульса и энергии при решении реальной физической задачи является удар абсолютно упругих и неупругих тел.

Удар (или соударение) – это столкновение двух или более тел, при котором взаимодействие длится очень короткое время. При ударе тела испытывают деформацию. Явление удара протекает обычно в сотые, тысячные и миллионные доли секунды. Время соударения тем меньше, чем меньше деформации тел. Так как при этом количество движения тел изменяется на конечную величину, то при соударении развиваются огромные силы.

Процесс удара разделяют на две фазы.

Первая фаза – с момента соприкосновения тел до момента, когда их относительная скорость становится равной нулю.

Вторая фаза – от этого последнего момента до момента, когда соприкосновение тел прекращается.

С момента возникновения деформаций в местах соприкосновения тел начинают действовать силы, направленные противоположно относительным скоростям тел. При этом происходит переход энергии механического движения тел в энергию упругой деформации (первая фаза удара).

Во второй фазе удара, когда относительная скорость стала равной нулю, начинается частичное или полное восстановление формы тел, затем тела расходятся и удар заканчивается. В этой фазе кинетическая энергия системы растет за счет положительной работы упругих сил.

У реальных тел относительная скорость после удара не достигает той величины, которую она имела до удара, так как часть механической энергии необратимо переходит во внутреннюю и другие формы энергии.

Различают два предельных типа удара:

а) удар абсолютно неупругий;

б) удар абсолютно упругий .

Абсолютно неупругий удар (близкий к нему) возникает при столкновении тел из пластических материалов (глина, пластилин, свинец и др.), форма которых не восстанавливается после прекращения действия внешней силы.

Абсолютно неупругим ударом называется удар, после которого возникшие в телах деформации полностью сохраняются. После абсолютно неупругого удара тела движутся с общей скоростью.

Абсолютно упругий удар (близкий к нему) возникает при столкновении тел из упругих материалов (сталь, слоновая кость и др.0, форма которых после прекращения действия внешней силы полностью (или почти полностью) восстанавливается. При упругом ударе восстанавливается форма тел и величина их кинетической энергии. После удара тела движутся с разными скоростями, но сумма кинетических энергий тел до удара равна сумме кинетических энергий после удара. Прямая, совпадающая с нормалью к поверхности тел в точке их соприкосновения, называется линией удара. Удар называется центральным, если линия удара проходит через центры тяжести тел. Если векторы скоростей тел до удара лежали на линии удара, то удар называется прямым.

При соударении тел выполняются два закона сохранения.

1. Закон сохранения импульса .

В замкнутой системе (система, для которой результирующая всех внешних сил равна нулю) векторная сумма импульсов тел не изменяется, т.е. величина постоянная:

= = = const , (4.1)

где – полный импульс системы,

– импульс i –го тела системы.

2. Закон сохранения энергии

В замкнутой системе тел сумма кинетической, потенциальной и внутренней энергии остается величиной постоянной:

W к + W n + Q = const, (4.2)

Где W к – кинетическая энергия системы,

W n – потенциальная энергия системы,

Q – энергия теплового движения молекул (тепловая энергия).

Простейшим случаем соударения тел является центральный удар двух шаров. Рассмотрим удар шаров массами m i и m 2 .

Скорости шаров до удара и после удара и . Для них законы сохранения импульса и энергии запишутся так:

. (4.4)

Удар шаров характеризуется коэффициентом восстановления К , который определяется отношением относительной скорости шаров после удара к относительной скорости шаров до удара . , взятое по абсолютной величине т.е.

Скорости первого шара относительно второго до и после удара равны:

, . (4.6)

Тогда коэффициент восстановления шаров равен:

. (4.7)

При абсолютно упругом ударе выполняется закон сохранения механической энергии, Q = 0, относительные скорости шаров до и после взаимодействия равны и коэффициент восстановления равен 1.

При абсолютно неупругом ударе механическая энергия системы не сохраняется, часть ее переходит во внутреннюю. Тела деформируются. После взаимодействия тела двигаются с одинаковой скоростью, т.е. их относительная скорость равна 0, поэтому коэффициент восстановления тоже равен нулю, К = 0. Закон сохранения импульса запишется в виде

где – скорость тел после взаимодействия.

Закон сохранения энергии примет вид:

. (4.9)

Из уравнения (4.9) можно найти Q – механическую энергию, перешедшую во внутреннюю.

На практике предельные случаи взаимодействия осуществляются редко. Чаще взаимодействие носит промежуточный характер, и коэффициент восстановления К имеет значение.

Цель работы: изучение удара шаров, определение коэффициента восстановления скорости при ударе.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка, набор шаров.

Краткая теория

Ударом называется кратковременное взаимодействие тел, при котором за малый промежуток времени () происходит значительное изменение скоростей тел. Во многих случаях систему взаимодействующих при ударе тел можно считать замкнутой , т. к. силы взаимодействия (ударные силы ) превосходят все внешние силы, действующие на тела.

Прямая, проходящая через точку соприкосновения тел и нормальная к поверхности их соприкосновения, называется линией удара . Если линия удара проходит через центры масс соударяющихся тел, то удар называется центральным .

Различают два предельных случая удара: абсолютно неупругий и абсолютно упругий.

Абсолютно неупругий удар – это столкновение тел, после которого взаимодействующие тела движутся как единое целое или останавливаются. При таком ударе механическая энергия соударяющихся тел частично или полностью переходит во внутреннюю. Тела претерпевают деформации, которые являются неупругими, и нагреваются. При абсолютно неупругом ударе выполняется закон сохранения импульса.

Абсолютно упругий удар – столкновение, при котором механическая энергия соударяющихся тел не преобразуется в другие виды энергии. В процессе такого удара тела также деформируются, но деформации являются упругими. После соударения тела движутся с различными скоростями. При абсолютно упругом ударе выполняются законы сохранения импульса и механической энергии.

Абсолютно упругий удар – идеализация. При столкновении реальных тел механическая энергия к концу взаимодействия восстанавливается лишь частично, вследствие потерь на образование остаточных деформаций и нагревание.

Степень упругости удара характеризует величина
, называемаякоэффициентом восстановления скорости.

При центральном ударе
определяется выражением

, (1)

где
относительная скорость тел до соударения,
относительная скорость тел после соударения.

Коэффициент восстановления скорости зависит от упругих свойств материала соударяющихся тел. Для абсолютно упругого удара
= 1, для абсолютно неупругого
= 0, для реальных ударов0 <
< 1 (например, при соударении тел из дерева
0,5, из стали0,55, из слоновой кости0,9).

В данной лабораторной работе изучается центральный удар двух металлических шаров и определяется коэффициент восстановления скорости.

Установка для изучения соударения шаров схематически изображена на рисунке 1. Она состоит из основания1 с регулируемыми опорами, на котором закреплена стойка 2 с двумя кронштейнами. На верхнем кронштейне 3 расположен механизм закрепления бифилярных нитей-подвесов 4 для шаров 5 . На нижнем кронштейне закреплены измерительные шкалы 6 , проградуированные в градусной мере . На правой шкале находится электромагнит 7 , который может перемещаться вдоль шкалы и фиксироваться в определенном положении.

Пусть два шара одинаковой массы
висят на нитях одинаковой длины, касаясь друг друга (рис. 2). При отклонении правого шара (шар1 ) от положения равновесия на угол он приобретет потенциальную энергию
(
высота поднятия центра масс шара,
ускорение свободного падения). Если шар отпустить, то при возвращении шара к положению равновесия его потенциальная энергия полностью перейдет в кинетическую.

По закону сохранения механической энергии

, (2)

где
скорость шара1 при достижении им положения равновесия (перед соударением с шаром 2 ).

Из формулы (2) следует

. (3)

Высоту можно выразить через(угол отклонения) и(расстояние от точки подвеса до центра масс шара). Из рисунке 2 видно, что
, т. е.
. Так как
, то

. (4)

Подставляя формулу (4) в (3), получим
. Если уголмал, то
и, следовательно,

=
. (5)

Аналогичные формулы можно получить для и
─ скоростей шаров после соударения:

,
, (6)

где и

Подставив в выражение (1) значения ,,
(формулы (5),(6)) и, учитывая, что шар2 до соударения покоился, т. е. = 0, получим

. (7)

Таким образом, для определения коэффициента восстановления скорости необходимо при заданном угле измеритьи
углы отклонения от вертикали нитей-подвесов шаров после удара.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1_5

СОУДАРЕНИЯ УПРУГИХ ШАРОВ

Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев, т.1, § 27, 28). Запустите программу «Механика. Мол.физика». Выберите «Механика» и «Соударения упругих шаров». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ еще раз)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ :

Выбор физических моделей для анализа взаимодействия двух шаров при столкновении.
Исследование , сохраняющихся при соударениях упругих шаров.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Ознакомьтесь с текстом в Пособии и в программе компьютера (кнопка “Физика”). Законспектируйте следующий материал:

удар (соударение, СТОЛКНОВЕНИЕ ) - модель взаимодействия двух тел, длительность которого равна нулю (мгновенное событие). Применяется для описания реальных взаимодействий, длительностью которых можно пренебречь в условиях данной задачи.

АБСОЛЮТНО УПРУГИЙ УДАР - столкновение двух тел, после которого форма и размеры сталкивающихся тел восстанавливаются полностью до состояния , предшествовавшего столкновению. Суммарные импульс и кинетическая энергия системы из двух таких тел сохраняются (после столкновения такие же, какими были до столкновения):

Пусть второй шар до удара покоится. Тогда, используя определение импульса и определение абсолютно упругого удара, преобразуем закон сохранения импульса, спроектировав его на ось ОХ, вдоль которой движется тело, и ось OY, перпендикулярную OX, в следующее уравнение:

Прицельное расстояние d есть расстояние между линией движения первого шара и параллельной ей линией , проходящей через центр второго шара. Законы сохранения для кинетической энергии и импульса преобразуем и получим:

ЗАДАНИЕ: Выведите формулы 1, 2 и 3
МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие основные элементы и зарисуйте их в конспект.

Рассмотрите картинку на экране. Установив прицельное расстояние d  2R (минимальное расстояние, при котором не наблюдается столкновения), определите радиус шаров.

Установив прицельное расстояние 0
Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.
ИЗМЕРЕНИЯ:

Установите, двигая мышью движки регуляторов, массы шаров и начальную скорость первого шара (первое значение), указанные в табл. 1 для вашей бригады. Прицельное расстояние d выберите равным нулю. Нажимая мышью на кнопку «СТАРТ» на экране монитора, следите за движением шаров. Результаты измерений необходимых величин записывайте в таблицу 2, образец которой приведен ниже.

Измените значение прицельного расстояния d на величину (0.2d/R, где R - радиус шара) и повторите измерения.

Когда возможные значения d/R будут исчерпаны, увеличьте начальную скорость первого шара и повторите измерения , начиная с нулевого прицельного расстояния d. Результаты запишите в новую таблицу 3, аналогичную табл. 2.

Таблица 1. Массы шаров и начальные скорости (не перерисовывать).

Номер бригады	m 1	m 2	V 0 (м/с)	V 0 (м/с)	Номер бригады	m 1	m 2	V 0 (м/с)	V 0 (м/с)
1	1	5	4	7	5	1	4	6	10
2	2	5	4	7	6	2	4	6	10
3	3	5	4	7	7	3	4	6	10
4	4	5	4	7	8	4	4	6	10

Таблицы 2 и 3. Результаты измерений и расчетов (количество измерений и строк = 10)

	m 1 =___(кг), m 2 =___(кг), V 0 = ___(м/с), (V 0) 2 = _____(м/с) 2
№	d/R	V 1	V 2	 1 град	 2 град	V 1 Cos 1	V 1 Sin 1	V 2 Cos 2	V 2 Sin 2	(м/с) 2	(м/с) 2
1	0
2	0.2
...

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:

Вычислите необходимые величины и заполните таблицы 2 и 3.
Постройте графики зависимостей (на трех рисунках)

По каждому графику определите отношение масс m 2 /m 1 шаров. Вычислите среднее значение этого отношения и абсолютную ошибку среднего.
Проанализируйте и сравните измеренные и заданные значения отношения масс.

Вопросы и задания для самоконтроля

Что такое удар (столкновение)?
Для какого взаимодействия двух тел можно применять модель столкновения?
Какое столкновение называют абсолютно упругим?
При каком столкновении выполняется закон сохранения импульса?
Дайте словесную формулировку закона сохранения импульса.
При каких условиях сохраняется проекция суммарного импульса системы тел на некоторую ось.
При каком столкновении выполняется закон сохранения кинетической энергии?
Дайте словесную формулировку закона сохранения кинетической энергии.
Дайте определение кинетической энергии.
Дайте определение потенциальной энергии.
Что такое полная механическая энергия.
Что такое замкнутая система тел?
Что такое изолированная система тел?
При каком столкновении выделяется тепловая энергия?
При каком столкновении форма тел восстанавливается?
При каком столкновении форма тел не восстанавливается?
Что такое прицельное расстояние (параметр) при столкновении шаров?

1.ЛИТЕРАТУРА

Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. М.: «Наука», 1982.
Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.: «Наука», 1978.
Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.: «Наука», 1979.

2.НЕКОТОРЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ СВЕДЕНИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

Название	Символ	Значение	Размерность
Гравитационная постоянная	 или G	6.67 10 -11	Н м 2 кг -2
Ускорение свободного падения на поверхности Земли	g 0	9.8	м с -2
Скорость света в вакууме	c	3 10 8	м с -1
Постоянная Авогадро	N A	6.02 10 26	кмоль -1
Универсальная газовая постоянная	R	8.31 10 3	Дж кмоль -1 К -1
Постоянная Больцмана	k	1.38 10 -23	Дж К -1
Элементарный заряд	e	1.6 10 -19	Кл
Масса электрона	m e	9.11 10 -31	кг
Постоянная Фарадея	F	9.65 10 4	Кл моль -1
Электрическая постоянная	 о	8.85 10 -12	Ф м -1
Магнитная постоянная	 о	4 10 -7	Гн м -1
Постоянная Планка	h	6.62 10 -34	Дж с

ПРИСТАВКИ И МНОЖИТЕЛИ

для образования десятичных кратных и дольных единиц

Приставка	Символ	Множитель	Приставка	Символ	Множитель
Приставка	Символ	Множитель	Приставка	Символ	Множитель
дека	да	10 1	деци	д	10 -1
гекто	г	10 2	санти	с	10 -2
кило	к	10 3	милли	м	10 -3
мега	М	10 6	микро	мк	10 -6
гига	Г	10 9	нано	н	10 -9
тера	Т	10 12	пико	п	10 -12