Logo
Logo

Упругая тренировка

1  ?? Переместите лапку штатива так, чтобы показания весов уменьшились до значения приблизительно $-180~г$. Зафиксируйте лапку и запустите секундомер. Измерьте зависимость модуля показаний весов $m$ от времени $t$. Проводите измерения в течение двух минут через каждые $10$ секунд. После этого ослабьте нить до нерастянутого состояния, переместив лапку вниз. Через $3$ минуты повторите всю процедуру измерения зависимости $m(t)$.

Проведем измерения, описанные в задании. Рассчитаем отношение показаний весов к значению в начале измерений
$$\alpha=\frac{m}{m_0}.\tag{1}$$Построим графики зависимости $\alpha (t)$.

Ответ:
$t, \ с$$m_1,~г$$m_2,~г$$\alpha_1$$\alpha_2$
167.0184.51.0001.000
10163.0182.00.9760.986
20160.0179.60.9580.973
30158.0178.00.9460.965
40156.5176.90.9370.959
50155.4175.80.9310.953
60154.5175.00.9250.949
70153.7174.20.9200.944
80153.2173.70.9170.941
90152.4173.20.9130.939
100152.0172.80.9100.937
110151.5172.20.9070.933
120151.0171.90.9040.932
130 150.7171.60.9020.930
Ответ:
2  ?? Рассчитайте для каждой серии измерений отношение модуля показаний весов к модулю первого зафиксированного в серии результата измерения массы $m_0$. Постройте графики зависимостей отношений $m/m_0$ от времени $t$ для обеих серий измерений в одних осях (на одном листе). 

3  ?? Проведите сглаживающие прямые через точки, полученные за последнюю минуту в каждой серии экспериментов. Найдите модули угловых коэффициентов этих прямых. 

По графикам видно, что при первом растяжении нить ослабляет натяжение быстрее, чем при втором. Проведём через последние точки на графиках касательные, рассчитаем их угловые коэффициенты $k$. Отличие в коэффициентах лежит в пределах $10-15\%$.

Ответ:
$k_1, \; \cdot 10^{-4} \; {\text{с}}^{-1}$$k_2\; \cdot 10^{-4} \; {\text{с}}^{-1}$
-2.60-2.17
4  ?? Замените силиконовую нить на новую приблизительно той же длины. Измерьте длину $l_0$ нити между узлами петель. Растяните нить лапкой штатива, создав в ней небольшую силу упругости. Зафиксируйте лапку штатива и запустите секундомер. Измерьте длину нити между узлами. По прошествии одной минуты нахождения нити под нагрузкой запишите модуль показаний весов. Далее увеличьте нагрузку. Вновь запустите секундомер, измерьте длину нити между узлами. По прошествии минуты запишите новое значение модуля показаний весов. Таким образом измерьте зависимость модуля показаний весов $m$ от длины нити $l$, постепенно повышая нагрузку. Далее продолжите измерение зависимости, постепенно уменьшая нагрузку. При измерениях изменяйте нагрузку с таким шагом, чтобы общее число измеренных пар значений массы и длины в цикле было не менее $10$. Повторите с той же нитью цикл измерений еще два раза.

Заменим нить и проведем измерения зависимости модуля показаний весов от длины нити в циклах нагрузки-разгрузки. Нанесем измеренные точки на график.

Ответ:
$l_1, \ см$$m_1, \ г$$l_2, \ см$$m_2, \ г$$l_3, \ см$$m_3, \ г$
20.50.020.70.020.70.0
21 .010.4821.525.221.525.7
21.838.3 21.840.622.562.7
22.570.022.568.6 23.6112.6
23.092.023.4108.823.8135.2
23.5133.5 23.8138.424.2168.0
23.7146 .024.1161.024.5186.0
24.0163.024.3 177.824.2142.0
24.4176.3 23.7120.023.8112.5
23.8106.4 22.974.023.381.9
23.371.6 22.450.922.758.0
22.542 .021.727.021.521.7
21.624.0 21.311.021.03.46
21.16.5    
20.80.1    
5  ?? Постройте график зависимости модуля показаний весов от длины нити для трех циклов нагрузки–разгрузки в одних осях (на одном листе). Точки для первого цикла обозначьте кружочками, для второго – квадратиками, для третьего – треугольничками.

Ответ:
6  ?? Опишите основные качественные различия между графиками разных циклов.

Ответ: Видно, что нить обладает существенным гистерезисом. При этом ширина петли гистерезиса в первом опыте существенно больше, чем во втором и третьем. Заметим также, что во втором и третьем опыте нить ведет себя схожим образом.
7  ?? Рассчитайте, в каких пределах меняется отношение силы упругости в нити к относительному ее удлинению. 

Отношение силы упругости в нити к относительному ее удлинению $\beta$ рассчитывается по формуле:

\begin{equation}
\beta=k g l_0,\tag{2}
\end{equation}где $k$ – коэффициент наклона графика. Построив касательные к графику, проходящие через точки, соответствующие ненагруженной резинке, получаем, что отношение массы на весах к изменению длины резинки лежит в пределах $k\in[20;50]\ г/см$. Таким образом, искомый коэффициент лежит в диапазоне $\beta\in[4;10] \ Н$.

Ответ: $\beta\in[4;10] \ Н$