Logo
Logo

Стрела прогиба

1  ?? Выполнив необходимые измерения и построив график в таких координатах, в которых предполагаемая зависимость должна быть линейной, определите степень $n$.

Соберем установку, изображенную на рисунке 3. Для этого закрепим в лапке штатива линейку. Поставим на весы батарейку. Исходно расположим линейку горизонтально.

Рис. 3. Установка для измерения упругости балки

В первом опыте установим весы с батарейкой так, чтобы батарейка располагалась ровно под свободным концом линейки длиной $l_0=28 \ см$ и касалась его. Обнулим показания весов. Будем опускать лапку штатива на некоторое расстояние $h$. Именно на это расстояние сместится конец линейки по вертикали (рис. 4).

Рис. 4. Настройка экспериментальной установки

Показания весов $m$ при этом изменятся. Значение силы можно будет рассчитать как: $$F=mg \tag{2}$$

Измерим зависимость показаний весов от расстояния $h$ и построим график измеренной зависимости. 

$h,~см$0.30.50.70.81.01.21.41.61.82.1
$m,~г$0.92.43.94.86.57.48.610.111.713.3

Видно, что график можно описать линейной функцией. Небольшое смещение может быть обусловлено неточностью в установке начальной позиции лапки штатива (позиции, отвечающей началу касания батарейки). Таким образом можно сделать вывод, что степень $n=1$. Угловой коэффициент графика при этом составляет: $$\beta=\alpha g l^k=0.145 \ см/г=1.45~м/кг.\tag{3}$$

Ответ: $n=1$
2  ?? Известно, что коэффициент $k$ равен $2$ или $3$. Выполнив необходимые измерения и построив два графика в таких координатах, в которых предполагаемые зависимости должны быть линейными, определите степень $k$.

Проведем второй опыт.

Вновь установим лапку в положение, когда плоскость линейки во всех ее точках едва касается батарейки, стоящей на весах. Сместим лапку штатива вниз на небольшое расстояние – около $3~мм$. Будем перемещать весы с батарейкой ближе к лапке штатива вдоль линейки и измерим зависимость показаний весов от расстояния между крайней точкой зажатия линейки и местом касания линейки и батарейки. Занесем данные в таблицу.

$l,~м$$l^{-2},~м^{-2}$$l^{-3},~м^{-3}$$m,~г$
0.2912415.80
0.2813466.61
0.2714517.71
0.2615578.85 
0.25166410.3
0.24177212.5
0.23198214.17
0.22219416.63 
0.212310819.85
0.202512523.55
0.192814627.70
0.183117132.50
0.173520438.00
0.16 3924446.16
0.154429658.20

Заметим, что показания весов увеличиваются с уменьшением расстояния $l$, то есть зависимость является обратной. Для поиска степени рассчитаем значения длин $l$ в степенях $2$ и $3$. Построим графики зависимости показаний весов $m$ от расчетных значений $l^{-k}$.

Видно, что график $m(l^{-3})$ наиболее близок к прямой пропорциональности. Следовательно, будем считать степень зависимости прогиба линейки от ее длины равной $k=3$.

Ответ: $k=3$
3  ?? Определите коэффициент $\alpha$.

Окончательно, рассчитаем коэффициент $\alpha$:
$$\alpha=\frac{\beta }{g l_0^3}=6.7~\frac{1}{Н\cdot м^2}.\tag{4}$$

Ответ: $$\alpha=6.7~\frac{1}{Н\cdot м^2}$$