SW, Politechnika Wrocławska - Materiały, fizyka 2, paczka 2, sprawko 57c
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
LABORATORIUM FIZYKI I
Ćwiczenie nr:
13
Wydział:
Chemia
Grupa:
Zespół:
Data: 12.12.2006
Przygotowanie:
B 51
3
Nazwisko i imię:
Jan Kowalski
Temat ćwiczenia:
Wyznaczanie wartości przyspieszenia ziemskiego
na podstawie pomiaru okresu drgań wahadła
matematycznego
Sprawozdanie:
Suma punktów:
Prowadzący:
1. Wstęp
Wstęp powinien zawierać zwięzły opis podstaw fizycznych badanego zjawiska. Nie powinien on przekraczać
kilku-kilkunastu zdań, a zawierać przede wszystkim cel wykonywanego ćwiczenia oraz podstawowe wzory
opisujące badane zjawisko i wykorzystywane w obliczeniach. Nie należy przepisywać wstępów z instrukcji do
ćwiczenia, ani umieszczać kilkustronicowych wypisów z encyklopedii i innych książek naukowych.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wartości przyspieszenia ziemskiego na podstawie pomiaru okresu
drgań wahadła matematycznego oraz sprawdzenie zależności okresu drgań wahadła od jego
długości. Wahadło matematyczne to punkt materialny zawieszony na cienkiej i nieważkiej nici i
umieszczony w polu sił ciężkości (przyspieszenie ziemskie g). Jeśli wahadło matematyczne o
długości
l
zostanie odchylone od pionu o niewielki kąt
α
i puszczone swobodnie, to zacznie
wykonywać drgania harmoniczne. Okres T tych drgań określony jest zależnością:
T
2
=
.
l
g
Tak więc mierząc okres drgań T oraz długość wahadła
l
możemy wyznaczyć wartość przyspieszenia
ziemskiego:
4
T
π
2
l
g
=
.
2
2. Układ pomiarowy
Schemat pomiarowy powinien być czytelny i przejrzysty, a przede wszystkim
rzeczywisty
(czasami zdarza się,
że układ pomiarowy, w którym wykonywano pomiary jest inny niż układ opisany w instrukcji). Jeśli układ
pomiarowy zawiera przyrządy, to pod schematem układu musi się znaleźć informacja o tych przyrządach (typ,
klasa dokładności, zakres pomiarowy, dokładność odczytu).
Badane wahadło stanowi kulka metalowa zawieszona na cienkiej lince. Linka jest podwieszona na
wysięgniku umocowanym do ściany. Układ pomiarowy składa się z czujnika optoelektronicznego OS
podłączonego do cyfrowego miernika czasu MCR-21. Czujnik optoelektroniczny generuje impuls za
każdym razem, gdy linka przechodzi przez szczelinę w czujniku. Miernik czasu jest urządzeniem
cyfrowym, które mierzy między dwoma impulsami czas z dokładnością do 0,01 sekundy (informacja
podana na tabliczce przy ćwiczeniu). Długość wahadła wyznaczono mierząc długość linki miarką o
dokładności 1 mm. Dokładność wyznaczenia długości wahadła jest jednak zdecydowanie mniejsza
(konieczność oszacowania odległości mocowania linki do środka kulki, punkt zawieszenia linki) i
została określona przez nas na 5 mm. Długość linki może być regulowana.
-1-
Czujnik OS
12,31 s
Elektroniczny miernik MCR-21
3. Wykonanie ćwiczenia
W tej części ćwiczenia należy opisać w punktach przebieg ćwiczenia. Należy również opisać wszystkie
spostrzeżenia dokonane podczas pomiarów; mogą one dotyczyć na przykład zachowania się przyrządów,
niestabilności wskazań, trudności w odczycie, itp.
Ćwiczenie składało się z dwóch części:
I. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego:
1. Włączenie układu pomiarowego.
2. Ustawienie czujnika tak, aby po wychyleniu wahadła o pewien kąt linka wahadła przechodząc
przez szczelinę czujnika powodowała jego zadziałanie oraz ponowne zadziałanie przy powrocie
wahadła do pozycji wychylonej.
3. Wyzerowanie elektronicznego miernika czasu (naciśnięcie przycisku „ZERO”).
4. Naciśnięcie przycisku „READY”. Miernik jest gotowy do pomiaru czasu między dwoma kolejnymi
impulsami.
5. Wychylenie wahadła i puszczenie.
6. Zapisanie wyniku wyświetlonego na wyświetlaczu miernika czasu.
7. Powtórzenie pomiaru.
Wykonaliśmy dziesięć pomiarów okresu (wyniki w tabeli 1)
Następnie zmierzyliśmy długość linki wahadła uwzględniając fakt, że powinno określić się długość
do środka kulki (nie jest to możliwe, dlatego dokładność wyznaczenia długości jest zdecydowanie
mniejsza niż dokładność miarki).
II Badanie zależności okresu drgań od długości wahadła
Pomiary wykonywane są w podobny sposób jak w poprzedniej części. Dla każdej długości linki
wahadła wykonywany jest tylko jeden pomiar okresu. Długość linki zmieniano od 0,5 do 2,1 m co
0,2 m. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 2.
4. Wyniki i ich opracowanie
W tej części ćwiczenia należy przedstawić wyniki pomiarów oraz obliczenia prowadzące do wyznaczenia
szukanej wielkości. Wyniki pomiarów najlepiej przedstawić w formie tabel, w których mierzone wartości są
przeliczane na wartości w jednostkach podstawowych układu SI, zawierają obliczenia wielkości od nich
zależnych, itp. Wszystkie obliczane wielkości muszą mieć podane jednostki (w układzie SI). Jeśli do obliczeń
-2-
wykorzystywane są programy komputerowe (Origin, Excel, Matcad,...), to do sprawozdania należy dołączyć
wydruk, na przykład arkusza kalkulacyjnego, umożliwiający asystentowi sprawdzenie poprawności obliczeń,
a w sprawozdaniu
musi się znaleźć przykładowe obliczenie
wartości wyznaczanej przez program. Obliczenia
muszą zawierać wszystkie obliczenia pośrednie.
I. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego:
Tabela 1. Wyniki pomiarów okresu drgań.
Numer pomiaru
T [s]
1
2,21
2
2,23
3
2,19
4
2,22
5
2,25
6
2,19
7
2,23
8
2,24
9
2,18
10
2,16
Dokładność pomiaru czasu
Δ
T=0,01 [s]
Wartością najbardziej prawdopodobną jest wartość średnia:
1
∑
=
n
T
=
T
T
śr
=2,21 [s]
śr
n
i
i
1
Pomiar długości wahadła:
l
=121,5 [cm], dokładność pomiaru długości
Δ
l
=0,5 [cm].
Wartość przyspieszenia ziemskiego:
4
π
2
l
4
⋅
3
14
2
⋅
1
215
g
=
=
=9,820904 [m/s
2
]
T
2
2
21
2
II Badanie zależności okresu drgań od długości wahadła
Tabela 2. Wyniki pomiarów okresów drgań wahadła w zależności od długości wahadła.
Numer pomiaru
Długość wahadła
[cm]
Okres
T [s]
1
50
1,38
2
70
1,68
3
90
1,90
4
110
2,11
5
130
2,26
6
150
2,46
7
170
2,61
8
190
2,76
9
210
2,88
Jeśli wzór na okres drgań wahadła matematycznego podniesiemy obustronnie do kwadratu do
otrzymamy następującą zależność:
2
4π
2
T
=
l
g
Tak więc, jeśli narysuje się zależność kwadratu okresu od długości wahadła, to powinna to być
zależność liniowa. Dodatkowo będzie można wyznaczyć wartość przyspieszenia ziemskiego ze
współczynnika kierunkowego prostej. Wykres wykonano w programie Origin.
-3-
9
Wykres zależności kwadratu okresu
drgań wahadła matematycznego od jego długości
8
7
6
5
Linear Regression for Data1_C:
Y = A + B * X
4
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A -0,00871 0,06238
B 3,99577 0,04459
------------------------------------------------------------
3
2
RSDNP
------------------------------------------------------------
0,99956 0,06908 9 <0.0001
------------------------------------------------------------
1
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
l [m]
Jak widać uzyskano bardzo dokładną zależność liniową (współczynnik korelacji R jest bliski
jedności). Ze współczynnika kierunkowego prostej B można wyznaczyć g i wynosi ono:
4
π
2
4
⋅
3
14
2
g
=
=
=9,88005 [m/s
2
].
B
3
99577
5. Rachunek błędów
Sprawozdanie niezawierające rachunku błędów będzie oceniane na zero punktów
. Rachunek błędów musi
zawierać informacje o źródłach błędów, ich rodzaju oraz metodach ich wyznaczania. Obliczenia muszą być
opatrzone krótkimi komentarzami wyjaśniającymi przyczyny stosowania takich a nie innych metod
obliczeniowych.
Bardzo często punkty 4 i 5 sprawozdania wykonywane są naprzemiennie i równolegle. Należy zawsze
pamiętać o poprawnym zapisie wyników końcowych. Obliczenia często kończą się prezentacją graficzną
wyników w postaci wykresu, który ułatwia analizę wyników i porównanie ich z zależnościami teoretycznymi.
Prawidłowe wykonywanie wykresów zostało opisane w oddzielnej pozycji menu na stronie laboratorium.
I. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego:
1. Wyznaczenie błędu pomiaru okresu:
Błąd systematyczny pomiaru czasu
δ
T=0,01 [s] – dokładność przyrządu pomiarowego.
Aby okr
eślić warto
ść błędu przypadkowego liczę błąd średni kwadratowy pojedynczego pomiaru:
( )
1
T
−
T
2
S
=
i
śr
S
=0,0290593 [s].
T
n
−
T
Błąd przypadkowy jest porównywalny z błędem systematycznym, dlatego należy uwzględnić oba
rodzaje błędów.
Obliczam błąd średni kwadratowy średniej:
( )
1
S
T
−
T
2
S
=
T
=
i
śr
S
=0,0091894 [s]
T
n
n
(
n
−
Korzyst
ając z praw
a przenoszenia błędów obliczam błąd całkowity wyznaczenia wartości okresu:
δ
T
2
Δ
T
=
S
2
+
=0,010852 [s]
3
T
-4-
2. Wyznaczenie błędu pomiaru długości:
Błąd pomiaru długości został podany w części opisującej wykonanie ćwiczenia i wynosi:
Δ
l
=0,005 [m]
3. Wyznaczenie błędu przyspieszenia ziemskiego:
Przyspieszenie ziemskie obliczamy na podstawie wzoru, dlatego też błąd wyznaczam metodą
różniczki zupełnej (błąd wielkości wyznaczanej pośrednio):
π
2
l
π
2
Δ
g
=
Δ
T
+
Δ
l
=0,09776+0,04042=0,13818
T
3
T
2
Tak więc wyznaczone przyspieszenie ziemskie ma wartość:
g = 9,82
±
0,14 [m/s
2
].
II Badanie zależności okresu drgań od długości wahadła
Błąd g wyznaczam z różniczki zupełnej wiedząc, że współczynnik kierunkowy B prostej ma błąd
Δ
B
wyznaczony przez program Origin.
4π
2
Δ
g
Δ
=
B
=0,11025 [m/s
2
]
B
2
Tak więc wyznaczone przyspieszenie ziemskie ma wartość:
g = 9,88
±
0,11 [m/s
2
].
6. Wnioski
Końcowa część sprawozdania powinna zawierać dyskusję wyników (wraz z błędami) oraz porównanie
otrzymanych wartości z wartościami tablicowymi (źródłem informacji mogą być tablice fizyczne,
encyklopedie, poradniki, itp.). Dyskusja obejmuje porównanie wyników z wartościami teoretycznymi oraz
opis źródeł błędów i ich wpływ na wyznaczoną wartość.
1. Doświadczenie potwierdziło, że okres drgań wahadła matematycznego zależy pierwiastkowo
od długości tego wahadła.
2. Dla ustalonej wartości długości wahadła zmierzono dziewięciokrotnie okres drgań i na
podstawie tych pomiarów również wyznaczyłem wartość g = 9,82
±
0,14 [m/s
2
].
3. Na podstawie wykresu zależności kwadratu okresu od długości wyznaczyłem okres wahadła
i wynosi on g = 9,88
±
0,11 [m/s
2
].
4. Jak można zauważyć metoda pierwsza (wielokrotne pomiary okresu) daje wartość
przyspieszenia zbliżoną do wartości teoretycznej (dla Warszawy przyspieszenie ziemskie
wynosi 9,8157 m/s
2
), lecz błąd wyznaczenia tej wartości jest większy niż w drugiej
metodzie.
5. Druga metoda daje wartość bardziej odbiegającą od rzeczywistej, choć wyznaczoną z
większą dokładnością.
6. Obie metody są bardzo dokładne, gdyż błąd względny w obu przypadkach jest rzędu 1%.
7. Największy wpływ na dokładność wyników ma na pewno niedokładność wychylania kulki od
pionu. Za każdym razem był to jednak inny kąt, a jak wiemy zastosowany przez nas wzór
stanowi tylko przybliżenie i jest słuszny dla małych kątów. Przy większych kątach (a takie
były w naszym doświadczeniu) należałoby uwzględnić poprawki związane z tymi kątami.
8. Wyniki uzyskane przez nasz zespół są zaskakująco dokładne i zgodne z wartościami
rzeczywistymi. Nie spodziewaliśmy się, że tak w prosty sposób można wyznaczyć tak
dokładnie wartość przyspieszenia ziemskiego.
Do sprawozdania dołączony jest wydruk arkusza kalkulacyjnego, w którym wykonywane były
obliczenia rachunku błędów.
-5-
8
4
[ Pobierz całość w formacie PDF ]