Выполнение эксперимента

Лабораторная работа 4.30.

Колебания жидкости в сообщающихся сосудах U-образной формы

Красноухова В.Н. к.ф.-м.н.доц. кафедры кафедры физики и методики обучения физике ОмГПУ(г. Омск)

Цель работы: изучение колебаний жидкости в U-образной трубке, определение периода и частоты колебаний жидкости.

Оборудование: (виртуальная работа 4.30 Колебания жидкости в сообщающихся сосудах U-образной формы.) http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=562

Краткая теория

В сосуд U -образной формы налита жидкость с известной плотностью. Жидкость вывели из состояния равновесия, и она стала совершать гармонические колебания с амплитудой А (рис.1). Чтобы определить период и частоту колебаний жидкости в сосуде – трубке U -образной формы с известным диаметром, воспользуемся вторым законом Ньютона. Пусть уровень жидкости в одном из колен сосудов сместился на расстояние A, например, повысился по сравнению с первоначальным положением (рис.1). При этом уровень жидкости в другом колене понизился на такую же величину. В результате под действием дополнительной силы тяжести  в том колене, где уровень жидкости выше, она станет совершать колебания с максимальным ускорением . По второму закону Ньютона:

.                                                   (1)

    Здесь  - разность масс жидкости в обоих коленах в момент начала колебаний, - разность объемов, - площадь поперечного сечения сосудов. С учетом этого:

.                                         (2)

    Величину максимального ускорения a_m определим по формуле ,

где - циклическая частота. С учетом этого

.                                                           (3)

Подставив (2) и (3) в (1) и получим , откуда

.                                                         (4)

Если массу всей жидкости выразить через плотность и объём , где L - длина столба жидкости в U-образной трубке (рис.1), формула (4) примет вид:

                                                                       (5)

Из формулы (5) видно, что период колебаний жидкости в U образной трубке постоянного сечения зависит только от длины столба жидкости в заданном поле силы тяжести. Изменять длину L можно, увеличивая массу жидкости, и (или) изменяя плотность жидкости.

Описание установки

Рабочая панель виртуальной лабораторной работы приведена на рис.2.

 

 

В правой части расположена панель «Параметры установки», где можно выбрать плотность жидкости r, её массу m, диаметр d и амплитуду колебаний жидкости А. Удвоенное значение амплитуды можно определить и экспериментально с помощью линейки, которая появляется на лабораторной установке после нажатия на окошко рядом с надписью «линейка» и появлении в нём галочки. Линейку можно перемещать в любое нужное место. В правом нижнем углу расположен секундомер, показывающий время в секундах, снабжённый кнопками «пуск», «пауза» и «сброс».

Выполнение эксперимента

1. Установите на панели «Параметры установки», выбранные значения плотность жидкости r, её массу m, диаметр d и амплитуду колебаний А. Значения занесите в таблицу 1.

2. Рассчитайте теоретическое значение периода колебаний по формуле (4).

3. Запустите установку и измерьте время 5, 10 и 15 колебаний. Значения занесите в таблицу 1.

4. Рассчитайте период колебаний и сравните его с расчётным.

5. Определите частоту колебаний.

6. Измените массу жидкости, не меняя других параметров, и повторите действия пп.2-5. Результаты занесите в таблицу 1.

7. Измените плотность жидкости, не меняя других параметров (другие параметры как в п.1), повторите действия пп.2-5. Результаты занесите в таблицу 1.

8. Измените диаметр трубки, не меняя других параметров (другие параметры как в п.1), повторите действия пп.2-5. Результаты занесите в таблицу 1.

9. Сделайте вывод по полученным результатам.

Таблица 1.

№	r, кг/м3	m, кг	d, см	A, мм	N	t, с	T, с	Tср, с	n, Гц	Т расч, с
1					15
2					20
3					25
1					15
2					20
3					25
1					15
2					20
3					25
1					15
2					20
3					25

 

10. Определите абсолютную и относительную погрешности измерения периода колебаний.

11. Запишите период колебаний с учётом абсолютной погрешности.

Литература:

1. Г.С.Горелик Колебания и волны. М. ФИЗМАТЛИТ, 2007.-656с.

2. Т.И.Трофимова, А.В.Фирсов. Курс физики. Колебания и волны. М.: изд. центр «Академия», 2003.-256 с.

3. Д.И. Трубецков Введение в синергетику. Колебания и волны. М.:Едиториал УРСС, 2003. – 224с.

4. Пейн Г. Физика колебаний и волн. Пер. с англ. А.А.Колоколова. Под ред. Г.В.Скроцкого. М.: Мир. 1979. - 391с.

 

Начальные данные по вариантам

Группа	r, кг/м3	m, кг	d, см	А, мм
1	5000	1	1	10
2	6000	2	2	15
3	8000	3	3	20
4	10000	4	4	25
5	13600	5	5	30