Физика. Раздел : механика

№704 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 

Кафедра физики 

Одобрено Методическим 
советом института 

Физика 

Раздел: Механика 

Лабораторный практикум 

для студентов всех специальностей 

Под редакцией проф. Г.М. Ашмарина 

Москва 2000 

АННОТАЦИЯ 

Лабораторный практикум, подготовлен коллективом преподавателей кафедры физики, включает описания 11 работ по курсу общей физики (раздел: Механика), для студентов первого курса. Каждая работа содержит теоретическое введение, описание, методические рекомендации по выполнению и обработке результатов измерений, а также указания по технике безопасности. 

Выполнение одной работы рассчитано на двухчасовое занятие. 

© Московский 
государственный 
институт 
стали 
и 
сплавов 
(МИСиС), 2000. 

Содержание 

Введение 
4 

Правила работы студентов в учебной физической лаборатории..5 
Инструкция по технике безопасности и охране труда 
для работающих в лаборатории 1-го семестра 
(Механика. Молекулярная физика и термодинамика) 
7 

Раздел I. Физические измерения 
9 

Лабораторная работа 1. Определение плотности твердых 

тел по их геометрическим размерам и массе 
9 

Лабораторная работа 2. Экспериментальное определение 

функции распределения случайных величин 
24 

Раздел П. Динамика поступательного движения 
30 

Лабораторная работа 4. Определение ускорения 

силы тяжести при помощи прибора Атвуда 
30 

Лабораторная работа 5. Изучение законов сохранения 

импульса и энергии при соударениях тел 
40 

Раздел III. Динамика вращательного движения 
54 

Лабораторная работа 6. Изучение законов динамики 
вращательного движения при помощи 
маятника Обербека 
54 

Лабораторная работа 7. Изучение законов динамики 
вращательного движения при помощи 
маятника Максвелла 
66 

Лабораторная работа 8. Определение скорости тел при 

помощи крутильно-баллистического маятника 
81 

Раздел IV. Механические колебания 
90 

Лабораторная работа 9. Определение моментов инерции 

твердых тел при помощи крутильного маятника 
90 

Лабораторная работа 11. Определение ускорения силы 

тяжести при помощи универсального маятника 
99 

Раздел V. Механика деформируемого твердого тела 
112 

Лабораторная работа 17. Определение модулей сдвига и 

кручения в статическом режиме 
112 

Лабораторная работа 18. Определение модуля Юнга на 

приборе Лермантова 
124 

3 

Лабораторный практикум 

Введение 

Основными задачами практикума являются: усвоение и закрепление теоретических знаний, студентами на лекциях, формирование навыков самостоятельной работы с современным физическим 
оборудованием и приборами, развитие творческого подхода к выполняемой работе. 

В каждой лабораторной работе предусмотрены элементы 
проблемного обучения за счет введения различных нестандартных 
ситуаций, решение которых требует углубленных знаний предмета. 

Допуск к выполнению лабораторных работ только после устной беседы с преподавателем. Работа осуществляется по индивидуальным заданиям в соответствии с установленным графиком. 

Описания работ подготовили преподаватели кафедры физики: 
В.А. Степанова (01), Е.К. Найми (02), Э.Н. Колесникова (04), 
Ю.А. Рахштадт (05), И.Г. Поволоцкая (06), Е.С. Русскова (07), 
СМ. Курашов (08), И.Ф. Уварова (09), Г.А. Андреев (11), С.А. Крынецкая (17), Н.Г. Богомолова (18). 

Контрольные вопросы составлены И.Ф. Уваровой. 

4 

Правила работы студентов в учебной 
физической лаборатории 

1. Лабораторные занятия требуют подготоки к работе, строгой дисциплины, тщательного соблюдения правил техники безопасности 
и правил работы в учебной физической лаборатории. 

2. Студент обязан знать цель и содержание работы, схему и принцип 
действия экспериментальной установки, иметь оформленный соответствующим образом лабораторный журнал (тетрадь). 

3. Без лабораторного журнала или конспекта студент к выполнению 
лабораторной работы не допускается. 

4. В течении семестра студент выполняет работы в порядке, указанном в его маршруте. 

5. Каждая лабораторная работа выполняется в соответствии с описанием и индивидуальным заданием, которое находится внизу титульного листа. 

6. Студент должен получить допуск к выполнению лабораторной 
работы, выполнить все измерения, оформить результаты измерений и защитить работу на занятии. В виде исключения защита может быть перенесена. Студент, не защитивший две работы, к выполнению третьей не допускается. 

7. Допуск к выполнению работы производится в начале занятия в 
течении 15-ти минут. 

8. Получив допуск к работе, студент приступает к ее выполнению, 
строго соблюдая правила техники безопасности. 

9. После окончания работы: отключить установку от сети и убрать 
свое рабочее место. Далее выполняются все необходимые расчеты, 
заполняются таблицы экспериментальных данных, оформляется 
графический материал (правила обработки результатов измерений 
приведены на отдельном стенде). После этого преподаватель подписывает выполнение работы. 

10.Требования к оформлению отчета: 

- указать цель и содержание работы; 
- дать краткое теоретическое введение, описание установки 
и порядок выполнения работы; 

5 

Лабораторный практикум 

- выписать все расчетные формулы, сделать заготовки таблиц для экспериментальных данных и заполнить их, подклеить в тетрадь графики; 

- записи должны вестись аккуратно, без сокращения слов, с 
полями для замечаний преподавателя; 

- запись результатов измерений и необходимые расчеты (в 
том числе вспомогательные) должны производиться только в лабораторном журнале; 

- схемы, графики, таблицы выполняются карандашами (или 
цветными карандашами). 

11.После оформления отчета и подготовки теоретического материала, 
студент защищает свою работу в индивидуальном порядке. 

12.Студент, пропустивший занятие по неуважительной причине, допускается к следующему только с письменного разрешения деканата, выполняя работу согласно своему маршруту, а пропущенную 
- на дополнительном занятии. 

13. Дополнительные занятия проводятся в соответствии с установленным расписанием. Студент должен подписать конспект к пропущенной работе у преподавателя, ведущего занятия, и записаться 
на выполнение работы у лаборанта. 

14.Студент, опоздавший на лабораторное занятие более чем на 
15 минут, к работе не допускается. 

6 

Инструкция по технике безопасности 

и охране труда для работающих 

в лаборатории 1-го семестра 
(Механика. Молекулярная физика 
и термодинамика) 

Помещение учебной физической лаборатории 1-го семестра 
относится к категории помещений без повышенной опасности. При 
работе в таких помещениях опасным для жизни человека считается 
напряжение свыше 36 вольт. 

В лаборатории используются различные электроизмерительные и электронагревательные устройства, питаемые от сети, а также 
механические установки с движущимися частями, поэтому возникает 
опасность поражения электрическим током и нанесения механических травм. 

Необходимо помнить, что переменный ток частой 50 Гц и напряжением 220 В особо опасен для жизни человека. При работе с 
электрическими схемами требуется особое внимание, так как в них 
всегда имеются неизолированные части, прикосновение к которым 
может привести к поражению электрическим током. Следует помнить, что опасным для жизни человека являются токи, начиная 
с 0,01 А. 

Для обеспечения безопасной работы, т. е. предотвращения несчастных случаев и аварийных ситуаций, всем сотрудникам кафедры 
и студентам, работающим в лаборатории, необходимо выполнять 
следующие правила: 
1. К работе в лаборатории допускаются студенты: 

- ознакомившиеся с описанием и методикой проведения работ; 
- прошедшие инструктаж по технике безопасности, что фиксируется личной подписью в специальном листе; 

2. Включение в сеть установки производится в соответствии с инструкцией установленной на каждом рабочем месте. 

3. Студентам запрещается выполнение каких-либо ремонтных и наладочных работ на установке. 

4. В случае возникновения аварийной ситуации следует: 

- немедленно отключить установку от источника питания; 

7 

Лабораторный практикум 

- принять меры личной безопасности и безопасности окружающих; 

- сообщить о случившемся преподавателю или лаборанту и выполнять их указания. 

РАЗДЕЛ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 

Лабораторная работа 1 

Определение плотности твердых тел 
по их геометрическим размерам и массе 

(2 часа) 

1. Цель работы 

Определение плотности однородных твердых тел по измерению их геометрических размеров и массы. 

2. Теоретическое введение 

Распределение массы тела можно охарактеризовать с помощью величины, называемой плотностью. 

Если тело однородно, то есть свойства его во всех точках 
одинаковы, то плотностью называется величина, равная 

Р = - , 
ал) 

где т - масса тела; 
V- его объем. 

В однородном теле плотность представляет собой массу 
единицы объема тела. 

Для тела с неравномерно распределенной массой выражение 
(1.1) дает среднюю плотность. Плотность неоднородного тела в определенной точке - это предел отношения массы Am тела к его объему 
AV, когда объем стягивается к этой точке: 

Am 
dm 

р= hm 
= 
. 
(1.2) 

AF^OAF 
dV 

Лабораторный практикум 

В выражении (1.2) Am - масса, заключенная в объеме AV, который при предельном переходе стягивается к той точке, в которой 
определяется плотность (уменьшение А V производят до тех пор, пока 
не будет получен физически бесконечно малый объем). 

Часто используют понятие относительной плотности. Например, плотность жидких и твердых веществ может определяться по 
отношению к плотности дистиллированной воды при 4 °С, а газов по отношению к плотности сухого воздуха или водорода при нормальных условиях. 

Единица 
плотности 
в 
системе 
СИ-кг/м3, 
в 
системе 
СГС-г/см3. 

Плотность (рм) удельный вес (у) связаны между собой отношением: 

y = agp, 
(1.3) 

где g - местное ускорение свободного падения, 

а - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения. 
Плотность веществ, как правило, уменьшается с ростом 
температуры и увеличивается с повышением давления. (Плотность 
воды с понижением температуры до 4 °С растет, при дальнейшем понижении температуры - уменьшается). При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое плотность изменяется скачкообразно: резко увеличивается при переходе из газообразного в жидкое 
состояние и, как правило, при затвердевании. (Плотность воды и чугуна аномально уменьшается при переходе из жидкой фазы в твердую). 

Методы измерения плотности многообразны. Плотность идеальных газов определяется из уравнения состояния: 

Р
М 
п A^ 
<"w 
(14) 

где Р - давление газа; 

М- молярная масса газа; 
R - универсальная газовая постоянная; 

10 

Т- температура газа. 
Плотность сухого газа, имеющего при нормальных условиях 
(Рн = 1 атм. = 0,981 105 Па, Гн= 273 К) плотность рн, при давлении Р 
и температуре Г определяется формулой: 

PZZJL 
( 1 5 ) 

К 
Р ТЛ 

н 
н 

где к - коэффициент сжимаемости, характеризующий отклонение 

данного реального газа от идеального. 
Для влажного газа: 

pH(i>-cpPB)T 
Рн7*-сррв 

где ф - относительная влажность газа; 

Ръ и рв - значения максимально возможного давления водяного 
пара при температуре Т и максимально возможной его 
плотности при данных давлении Р и температуре Т (из 
таблиц). 
Плотность жидкостей и твердых тел находят путем точного 
определения массы тела и его объема; используют также зависимость 
скорости распространения звуковых волн, интенсивности у- и Р- излучения, прошедшего через вещество, от плотности. Приборы для 
определения плотности веществ называются плотномерами. 

В данной работе определение плотности однородного твердого тела сводится к измерению его массы и объема. 

Масса тела определяется прямым измерением - взвешиванием 
на технических весах. 

Объем тела, имеющего форму цилиндра, вычисляется по 
формуле: 

V = ^—h, 
(1.7) 

где d— диаметр цилиндра; 
h - его высота. 

11