Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Погрешность следует рассчитывать только в последнем пункте (3.3) данного задания.
Рычажные весы - один простейших и древнейших измерительных приборов. Однако теория весов не так проста, как кажется на первый взгляд. Даже в конце XIX века Д.И. Менделеев занимался этой теорией. В данной работе вам предстоит изучить и усовершенствовать обыкновенные школьные весы. Обычно при измерении массы тела добиваются равновесия весов. Для измерения малых масс можно также измерять отклонение стрелки весов.
При измерениях будьте терпеливы и аккуратны!
Перед каждой серией измерений с помощью пластилина тщательно уравновесьте весы (точно, по стрелке), а затем добавляйте грузы известной массы. Дождайтесь, пока колебания весов прекратятся.
Закрепите весы за опорный стержень в лапке штатива, так, чтобы стержень располагался вертикально, а нижний конец стрелки мог отклоняться от вертикали при опускании чашек весов не менее, чем на 2 см (рис.1). Во всех частях задачи вам необходимо измерять отклонение стрелки при добавлении грузов на чашки весов. В качестве грузов используйте 5 разновесов по 200 мг. Вам предстоит исследовать зависимости отклонения от разности масс:
Считайте, что если дополнительные грузы находятся на левой чашке, то разность масс положительна; если на правой – то отрицательна. Очевидно, что проще строить графики в зависимости от числа дополнительных грузов, а затем, при необходимости, пересчитывать массы этих грузов.
1.1 Измерьте зависимость отклонения стрелки
Нарисуй схему установки с отмеченной шкалой и числом дополнительных грузов на чашках. Реши, какие величины и в каких единицах будешь записывать при каждом измерении.
Собери серию измерений при разных целых значениях числа дополнительных грузов
- Проведи не менее 3 повторов для каждого значения
и запиши средние с оценкой разброса. - Построй график средних значений
против на бумаге или в программе. - Определи на графике наклон зависимости в той области, где она выглядит близкой к прямой.
- Вырази коэффициент наклона
из построенного графика.
1.2 Кратко объясните, почему весы приходят в равновесие при определенном угле отклонения. Постройте простую теоретическую модель, позволяющую теоретически рассчитать зависимость угла отклонения от массы дополнительных грузов. Укажите, какой единственный параметр весов определяет эту зависимость.
Нарисуй коромысло в положении равновесия под углом φ и укажи все точки приложения сил (веса коромысла со стрелкой, веса чашек и дополнительного груза). Подумай, какие моменты относительно оси подвеса зависят от угла наклона.
Запиши условие равновесия в виде равенства моментов сил относительно оси подвеса: восстанавливающий момент от тяжести коромысла со стрелкой уравновешивает момент от дополнительной массы. Это и есть уравнение, которым надо воспользоваться.
- Нарисуй плечи этих моментов и запиши численные множители как произведения соответствующих масс на соответствующие плечи (с учётом геометрии при угле φ).
- Учитывая, что восстанавливающий момент появляется из-за смещения линии действия веса коромысла относительно оси при угле φ, запиши его через массу коромысла и соответствующее плечо, зависящее от φ; аналогично запиши момент от дополнительной массы.
- Для малых углов сделай малый уголный разложение (линейный приближённый вид тригонометрических функций), чтобы получить простую пропорцию между углом φ (или tg φ) и дополнительной массой Δm.
- Из полученной системы выразите единственный параметр κ, определяющий зависимость угла отклонения от массы дополнительных грузов.
1.2 Рассмотрим условие равновесия весов. Учтем, что из-за наличия стрелки, центр масс коромысла со стрелкой находится ниже точки подвеса.
Тогда в соответствии с правилом рычага имеем
Где
Из этого условия определяем:
Таким образом, угол отклонения весов определяется следующим параметром
Главная причина установления равновесия – положение центра масс, который не находится на одной высоте с точкой подвеса.
Отметим, что в рамках данной модели отклонение стрелки весов должно быть строго пропорционально массе дополнительного груза, так как
Где
1.3 При малых отклонениях величину
1.3 По приведенному графику определяется коэффициент наклона
Чувствительность весов рассчитывается по формуле
1.4 Укажите основную причину того, что полученная зависимость может быть нелинейной и несимметричной, ответ обоснуйте. Строгих математических выкладок и получение строго зависимости не требуется.
1.4 На экспериментальном графике наблюдаются заметные отклонения от линейной зависимости. Связано это с тем, что точки повеса чашек весов находятся ниже горизонтали, на которой расположена ось вращения. Это приводит к тому, что плечи сил тяжести чашек изменяются при наклоне весов: для поднимающейся чашки - увеличивается, для опускающейся - уменьшается. В этом случае в уравнение (1) следует включать и массы чашек с уравновешивающими грузами.
2.1 Измерьте зависимость величины отклонения
При прикреплении длинной палочки изменилась геометрия: отметь новое расстояние от подвеса до шкалы и линию измерения.
Проведи те же измерения
- Заколоти данные для разных
и вычисли средние значения и погрешности. - Построй график
— для новой стрелки и сравни его с графиком из части 1. - Оцени линейность зависимости в малых отклонениях и отметь диапазон применимости.
- Выразите новый коэффициент наклона
(дельта при дельта ) из полученных данных.
2.2 Рассчитайте чувствительность весов в данном случае.
Вспомни, что чувствительность связана с тем, какое горизонтальное смещение шкалы даёт угол наклона при той же дополнительной массе.
Используй ту же методику, что и в 1.3: найдёшь
- Определи коэффициент наклона
графика по измеренным точкам (методом наилучшего соответствия либо по двум точкам). - Раздели
на массу одного груза , получив чувствительность . - Оцени относительное увеличение чувствительности по сравнению с случаем без палочки.
- Выразите
в терминах измеренного и известного .
2.2 Данная зависимость является практически прямо пропорциональной.
Ее коэффициент наклона равен
Что в 2 раза выше, чем без дополнительной стрелки.
2.3 Укажите какие характеристики дополнительной стрелки (т.е. палочки) способствуют увеличению чувствительности, а какие ее уменьшению.
2.3 Наличие палочки приводит к тому, что масса коромысла со стрелкой увеличивается, также увеличивается расстояние от оси вращения до центра масс. Эти факторы приводят к
уменьшению чувствительности (см. (2)). Заметим, что угол отклонения в данном случае оказывается меньше, при той же перегрузке.
С другой стороны, существенно возрастает расстояние до шкалы, поэтому увеличивается величина отклонения
3.1 Измерьте зависимость вертикального отклонения палочки
Установи палочку горизонтально и отметь вертикальную шкалу; зафиксируй положение нуля при отсутствии грузов.
Измерь вертикальное смещение конца палочки
- Сделай серию измерений для каждого
и вычисли средние и погрешности. - Построй таблицу и график зависимости вертикального
от . - Оцени линейность зависимости в малых отклонениях и отметь диапазон, где применяется приближение
. - Выразите коэффициент наклона
из полученных данных.
3.1 Результаты измерений зависимости отклонения «длинной» стрелки от массы дополнительных грузов приведены в Таблице 3, рядом показан график полученной зависимости.
Таблица 3.
| -5 | -12,1 |
| -4 | -10,8 |
| -3 | -7,8 |
| -2 | -5,2 |
| -1 | -2,5 |
| 0 | 0 |
| 1 | 2,7 |
| 2 | 5,6 |
| 3 | 8,6 |
| 4 | 11,2 |
| 5 | 13,2 |
Полученная зависимость близка к линейной, но при больших углах наблюдаются отклонения от линейной зависимости.
3.2 Рассчитайте чувствительность весов (при малых отклонениях) в этом случае.
3.2 Коэффициент наклона и чувствительность весов в этом случае равны
3.3 Вырежьте 5 кусочков миллиметровой бумаги площадью
Каждая бумажка добавляет небольшую массу; измерь шаг изменения отклонения при добавлении одной бумажки и убедись в линейности на 1–5 штук.
Используй найденную в 3.2 чувствительность
- Измерь прирост отклонения
при добавлении одной бумажки (среднее по нескольким попарным измерениям). - Вычисли массу одной бумажки
используя чувствительность из 3.2. - Найди поверхностную плотность
, где преобразуй в м^2 при необходимости.см - Оцени погрешность: определи погрешность измерения
и найдите относительную погрешность , затем выразите абсолютную погрешность . Выразите из полученной системы.
3.3 Результаты измерений отклонения стрелки от числа бумажек, помещенных на чашку весов, приведены в таблице 4.
Таблица 4.
| 1 | 0,6 |
| 2 | 0,9 |
| 3 | 1,2 |
| 4 | 1,5 |
| 5 | 1,8 |
Видно, что каждая бумажка площади
Поэтому поверхностная плотность миллиметровой бумаги составляет
Для оценки погрешности следует отметить. Что наибольшую погрешность вносит погрешность измерения отклонения стрелки, которая может быть оценена
При расчёте плотности использовались только постоянные множители, относительные погрешности которых меньше погрешности измерения отклонения. Поэтому относительная погрешность измерения плотности будет такой же. Следовательно, погрешность измерения плотности оценивается величиной




