vesnat.ru страница 1
скачать файл


Министерство образования и науки Российской Федерации
Нижегородский государственный архитектурно-строительный

университет

----------------------------------------------------------------------------------------

Институт открытого дистанционного образования



Компьютерные лабораторные работы

Часть I
Методические указания для выполнения

компьютерных лабораторных работ по курсу общей физики




Нижний Новгород, 2004

УДК 531

Компьютерные лабораторные работы. Часть I: Методические указания для выполнения компьютерных лабораторных работ по курсу общей физики. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.- строит. ун-т, 2004. – 14 с.



Методические указания содержат описание трех компьютерных лабораторных работ по механике, подготовленные на кафедре физики ННГАСУ: «Машина Атвуда» (изучение законов движения и определение ускорения силы тяжести на компьютерной модели машины Атвуда); «Неупругий удар» (моделирование процесса забивания сваи в грунт); «Вязкое трение» (моделирование падения шара в вязкой среде). Последняя работа может рассматриваться как учебно-исследовательская.

© ННГАСУ, 2004


Структурная схема компьютерной лабораторной работы и общие принципы ее выполнения



1. Файлы с компьютерными лабораторными работами находятся в директории NEWLAB. При работе в режиме DOS, нужный файл загружается через меню пользователя (клавиша ), а в режиме WINDOWS – непосредственно из директории или соответствующей «иконкой». На экране монитора появится следующая заставка: 1
КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ – 1,

ДОПУСК – 2,

НАЧАТЬ ЭКСПЕРИМЕНТ - /ENTER/, ВЫХОД ??? – 111.

СДЕЛАЙТЕ ВЫБОР …


BRIEF THEORETICAL INTRODUCTION - 1,

ADMISSION - 2,

BEGIN EXPERIMENT - ENTER, ABORT ??? - 111

MAKE THE CHOICE ...

Сначала следует выбрать «ВВЕДЕНИЕ» (INTRODUCTION). Выбор «НАЧАТЬ ЭКСПЕРИМЕНТ» (BEGIN EXPERIMENT) требует знание па­роля (PASSWORD) и предназначен для экстренного входа в рабочий ре­жим, что возможно лишь с преподавателем. Выполнение работы студен­том возможно лишь после получения положительной оценки за сдачу допуска. Следует внимательно прочитать ВВЕДЕНИЕ и запи­сать приведенные в нем формулы.

После этого компьютер предложит перейти к допуску: (LET’S PASS TO ADMISSION?) и представиться (Introduce yourself, please). Затем Вы получаете 3 вопроса допуска с вариантами ответов (I shall put you some questions with variants of answers, chouse correct one!).

Правильный ответ выбираете нажатием соответствующей цифры и подтверждаете клавишей «ENTER». «Реакция» компьютера на Ваши ответы такова:

ВЕРНО! ДАЛЕЕ - /ENTER/, (CORRECTLY! GO ON - /ENTER/).

НЕВЕРНО! ДАЛЕЕ - /ENTER/, (UNCORRECTLY! GO ON - /ENTER/).

Если Вы ошиблись один раз, появится сообщение:

Вы /имя/ сделали одну ошибку, попробуйте еще раз !

(You /name/ made one mistake... Try once again !)

Если Вы ошиблись несколько раз, появится сообщение:

Вы /имя/ плохо знаете теорию! ИЗУЧИТЕ ВВЕДЕНИЕ ЕЩЕ РАЗ.

You /name/ badly know the theory! STUDY INTRODUCTION ONCE AGAIN.

После успешной попытки появится сообщение:

ВЫ /имя / УСПЕШНО ПРОШЛИ ДОПУСК, ОЦЕНКА …,

можете начать эксперимент !

(YOU /name/ SUCCESSFULLY PASSED ADMISSION, MARK IS … ,

BEGIN EXPERIMENT ! )

Вопросы для допусков приведены ниже в описании конкретных лабораторных работ. Возможно несколько попыток сдачи допуска и возвращения к ВВЕДЕНИЮ, но имейте в виду, что оценка зависит не от времени сдачи, а от числа попыток. Неплохо записать полученные вопросы, и готовясь к сдаче отчета, подумать об обосновании «угаданных» ответов.



2. После успешной сдачи допуска Вы получаете ЗАДАНИЕ (TASK), которое следует записать. Конкретные предложения об изменении параметров даются получать по мере выполнения работы. Выбор предлагаемых альтернатив осуществляется нажатием соответствующих номеров и клавиши /ENTER/. Если значение какой-либо величины вводится с клавиатуры, делайте это аккуратно, не выходя за пределы изменения параметров, указанные компьютером. Хотя основные результаты выполнения работы фиксируются компьютером и выводятся в виде таблицы по окончании эксперимента, для контроля записывайте их в протокол, как при выполнении обычной лабораторной работы.

При проведении эксперимента, в котором моделируется движение тел, предлагается альтернатива: ШАГОВЫЙ ИЛИ АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ (STEP BY STEP MODE - 1, REAL MOTION -/ENTER/). При шаговом режиме движение идет «стоп-кадрами» (переход между кадрами - /ENTER/), а при автоматическом - в реальном времени.

При выполнении компьютерного эксперимента СЛЕДУЕТ БЫТЬ ВНИМАТЕЛЬНЫМ и НЕ ТОРОПИТЬСЯ, поскольку при неаккуратной работе Вам придется повторять какое-то задание или даже начать все сначала.

3.После окончания эксперимента основные результаты (включая оценку за ДОПУСК) выводятся на экран монитора. Эту страницу следует законспектировать, картинку зарисовать или распечатать. В некоторых работах Вы можете (проконсультировавшись предварительно с преподавателем) записать результаты в форме графических файлов на свою дискету.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «МАШИНЫ АТВУДА»



Измерение ускорение силы тяжести. Компьютерное

моделирования машины Атвуда
MEASUREMENT OF GRAVITY ACCELERATION

COMPUTER SIMULATION OF ATVUD'S MACHINE.
Краткое теоретическое введение

(BRIEF THEORETICAL INTRODUCTION)

Машина Атвуда предназначена для изучения законов движения и может быть использована для экспериментального определения ускорения силы тяжести g . Она представляет собой два груза массы M , уравновешенных на блоке (см. рис. 1). С помощью добавочного перегрузка массы m движение тел делается ускоренным (на первом участке длины l), а после автоматического отцепления перегрузка - равномерным (на втором участке длины s).



Рис. 1. Машина Атвуда


На основании законов Ньютона для грузов, нетрудно найти их ускорение:

. (1) Обозначим время ускоренного движения на первом участке ,а время равномерного движения на втором участке . Тогда для скорости грузов в точке отцепления перегрузка имеем:

, (2) Время можно выразить из закона равноускоренного движения на первом участке и на основании формул (1), (2) записать следующие выражения для экспериментального определения ускорения силы тяжести:

, (3)
Для компьютерного моделирования положим, что l = S = 1 м, а масса груза М = 100 г. Масса перегрузка m принимает значения 20 г, 40г, 60 г и изменяется в ходе эксперимента. Времена и измеряются автоматически.
Вопросы допуска

1. Если тело движется равноускоренно, то время движения: пропорционально пути - 1, пропорционально квадратному корню из пути - 2, пропорционально пути в квадрате - 3.

2. Тело брошено вертикально вверх. В верхней точке траектории меняет знак: скорость - 1, ускорение - 2, перемещение - 3.

3. В первую секунду свободного падения тело пролетит примерно: 3 метра - 1, 4 метра - 2, 5 метров - 3.

4. Зависит ли ускорение силы тяжести от высоты подъема над Землей? Не зависит - 1, уменьшается - 2, увеличивается - 3.

5. Первый вагон поезда из 16 вагонов, начинающего ускоренное движение, прошел мимо наблюдателя за 10 секунд: весь состав прошел за: 160 секунд - 1, 80 секунд - 2, 40 секунд - 3.

6. Ускорение силы тяжести на некоторой планете: пропорционально ее радиусу - 1, не зависит от ее радиуса - 2, обратно пропорционально – 3.

7. Первый камень брошен под углом 30 градусов к горизонту, второй - 60 градусов. Начальные скорости одинаковы. Улетел дальше: первый камень - 1, второй - 2, камни упали рядом – 3.

Задание

Выполняйте эксперимент при всех предлагаемых значениях массы дополнительного грузика m , каждый опыт повторяя 3 раза. В ходе эксперимента Вам предлагаются альтернативы:



Повторим опыт - 1, изменим m - 2, закончим - /ENTER/.

(next time - 1, exchange m - 2, finish - /ENTER/).

Для каждого опыта нужно подсчитать средние значения времён , и использовать их при вычислении ускорения силы тяжести по формулам (3) . Получив таким образом три значения для g , найдите среднее значение.



Рис. 2. Итоговая картинка на экране


Эту страницу следует распечатать или зарисовать. (Print or paint this page).
Вопросы и задачи для сдачи отчета

1.Дайте определения основных кинематических характеристик движения: (пути, перемещения, скорости, ускорения).

2.Чем отличаются средняя и мгновенная скорости? Запишите формулы для них в случае равноускоренного движения.

  1. Постройте графики зависимости v(t) и s(t) для равноускоренного и равнозамедленного движений.

  1. От чего зависит ускорение силы тяжести? Как оно изменяется с высотой подъема? С погружением в глубокую шахту?

  2. Получите формулы (3) из законов Ньютона и уравнений движения.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «НЕУПРУГИЙ УДАР»


(NOT ELASTIC IMPACT)
Компьютерное моделирование процесса забивания сваи в грунт

(COMPUTER SIMULATION THE PROCESS OF PILE DRIVING)

Краткое теоретическое введение

(BRIEF THEORETICAL INTRODUCTION)

Абсолютно неупругим называется удар, при котором после контакта скорости тел становятся одинаковыми (тела движутся слитно). При таком ударе доля потерянной механической энергии максимальна, а конкретная величина её зависит от отношения масс соударяющихся тел.

Удар копра о сваю будем считать абсолютно неупругим. Пусть масса копра m, масса сваи - М, высота падения копра - H , глубина погружения сваи в грунт - S. На основании закона сохранения механической энергии для падающего копра находим его скорость в момент удара:

Используя закон сохранения импульса, находим скорость системы (свая + копер) после неупругого удара



, где (1)
Приравнивая полную механическую энергию системы (свая + копер) после удара работе силы сопротивления грунта

,
получим (получите!) следующее выражение для глубины погружения сваи:

, (2)

или соответствующую формулу для нахождения средней силы сопротивления грунта



(3)
Коэффициент полезного действия удара можно определить, как отношение работы силы сопротивления грунта к потенциальной энергии поднятого копра:

. (4)

Учитывая формулу (3), находим



. (5)

Поскольку в реальных условиях глубина погружения сваи существенно меньше высоты подъема копра S << H , то можно считать что



(5а)

и

(4а)

Компьютерное моделирование проводится по приведенным здесь формулам. Запишите их в протокол измерений.
Вопросы теоретического допуска


  1. При абсoлютно неупругом ударе механическая энергия: сохраняется - 1, частично переходит в тепло - 2, полностью переходит в тепло - 3.

  2. Сталкиваются два свободно движущихся тела. Закон сохранения импульса справедлив при: упругом ударе - 1, неупругом - 2, любом - 3.

  3. Сталкиваются два катящихся шара. Наибольшая сила удара будет при: абсолютно упругом ударе - 1, реальном ударе - 2, абсолютно неупругом - 3.

  4. Глубина погружения сваи: не зависит от массы сваи - 1, обратно пропорциональна массе сваи - 2, зависит формы сваи - 3.

  5. Глубина погружения сваи: не зависит от массы копра - 1, прямо пропорциональна - 2, зависит несколько сложнее - 3.

  6. КПД удара: увеличивается с ростом массы копра - 1, увеличивается с ростом массы сваи - 2, зависит только от высоты – 3.

  7. При ударе молота о сваю его кинетическая энергия: сохраняется - 1, частично переходит в тепло - 2, полностью переходит в тепло - 3.


Рис. 3. Рабочая картинка на экране

Задание

Следите за компьютерной мультипликацией и фиксируйте результаты каждого опыта: молота и сваи, глубину погружения S. Сделав первый опыт, измените массу копра m, сделав второй опыт, измените массу сваи M. Затем, ничего не меняя, согласитесь на предложение компьютера об изменении плотности грунта и повторите все 3 эксперимента (всего - 6 опытов).

По результатам опытов найдите КПД удара и среднюю силу сопротивления для обоих грунтов. При подготовке отчете для одного из грунтов ПОСТРОЙТЕ ДВА ГРАФИКА зависимости глубины погружения сваи S от числа ударов n при разных значениях КПД удара.

В процессе эксперимента предлагаются следующие альтернативы:



Изменим вес молота – 1,

Изменим вес сваи – 2,

Восстановим прежние значения – 3,

Продолжим - /ENTER/.

Let's increase weight of a hammer - 1

Let's increase weight of a pile - 2

Let's restore former values - 3

Let's continue - /ENTER/.

И далее: Изменим грунт (1-0)? Exchange grownd (1 - 0) ?



Вопросы и задачи для сдачи отчета

1. Кинетическая энергия материальной точки, ее физический смысл.

2. Закон сохранения импульса, примеры действия этого закона.

3. Закон сохранения механической энергии, примеры действия этого за- кона.



  1. Движущееся тело массы m соударяется с неподвижным телом массы M. Считая удар абсолютно неупругим, найти часть кинетической энергии перешедшей в тепло.

  2. Шар, подвешенный на нити длиной l , отклонен на угол и отпущен. После удара в нижнем положении о плиту он потерял половину своей энергии. На какой максимальный угол отклонится шар после удара?

6. Обоснуйте ответы на вопросы, полученные Вами на допуске.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ВЯЗКОЕ ТРЕНИЕ»


( V I S C O U S F R I C T I O N )
Компьютерное моделирование падения шарика в жидкости

(COMPUTER SIMULATION OF FALLING SPHERE IN LIQUID)


Краткое теоретическое введение

(BRIEF THEORETICAL INTRODUCTION)

При движении тела в любой среде возникает сила вязкого трения (трения поверхности тела о среду). Эта сила зависит от размеров и формы тела, физических свойств среды и скорости движения. При небольших скоростях её можно считать прямо пропорциональной скорости движения



.

(- скорость, - коэффициент вязкого трения).

Рассмотрим свободное падение тела с учетом вязкого трения. Второй закон Ньютона для него запишем в виде

, (1)

где m - масса, - скорость, - ускорение, g - ускорение свободного падения. Формулу (1) можно заменить следующей системой дифференциальных уравнений (- скорость движения):



, (2)

где . Интегрированием второго уравнения (2) можно найти следующую зависимость скорости тела от времени


, (3)

где


(4)

- стационарная или установившаяся скорость тела. ( Дифференцированием по времени проверьте, что выражение (3) удовлетворяет уравнению (2) ). Из формулы (3) ясно, что скорость тела растет, постепенно выходя на стационарную величину.

Согласно закону Стокса, для шара радиуса R коэффициент вязкого трения определяется формулой

, (5)

где - коэффициент вязкости (или просто вязкость) среды. Измерив

установившуюся скорость , можно найти коэффициент вязкости по формуле

. (6)

Компьютерное моделирование проводится по этим формулам. Пример рабочей картинки на мониторе показан на рис. 4.



Рис. 4. Рабочая картинка на экране


Вопросы теоретического допуска

1. При падении тела в вязкой среде его скорость: увеличивается, выходя на постоянную - 1, постоянна - 2, уменьшается, выходя на постоянную -3.

2. Падение тела в вязкой среде это движение: равноускоренное - 1, равнозамедленное - 2, ускоренное с уменьшающимся ускорением - 3.

3. Два шара из одинакового материала, радиус первого больше, падают в вязкой среде. Время падения больше: у первого - 1, у второго - 2, одинаково - 3.

4. Падают два шара - стальной и свинцовый одинаковой массы. Сила вязкого трения больше: у первого - 1, у второго - 2, одинакова - 3.

5. Сила вязкого трения: пропорциональна скорости движения- 1, пропорциональна скорости лишь при малых скоростях - 2, зависит только от формы тела - 3.

6. Сила вязкого трения не зависит от: силы нормального давления - 1, вязкости среды - 2, от скорости движения - 3.
Задание

Цель данного эксперимента – исследовать движение тела при наличии вязкого трения на основании компьютерного моделирования падения шара в жидкости.

Выполняйте эксперимент сначала для двух разных значений массы m при R = const, (т.е. для шаров из материала разной плотности). Затем измените радиус R при постоянной плотности. После этого согласитесь на предложение об замене жидкости и повторите все опыты.

По результатам моделирования для одной из жидкостей ПОСТРОЙТЕ ГРАФИКИ скорости v(t) и пути s(t) для шаров разных масс одинакового радиуса и шаров разных радиусов из материала с одинаковой плотностью. По формуле (6) найдите коэффициент вязкости для обеих жидкостей. В процессе эксперимента предлагаются следующие альтернативы: Увеличим массу при R = const – 1, при постоянной плотности – 2. Уменьшим массу при R = const – 3. Восстановим прежние значения – 4. Продолжим - /ENTER/.



( Increase weight at R = const - 1, at constant density - 2. Reduce weight at R = const - 3. Restore former parameters - 4.

Continue - /ENTER/ ).

И затем: Заменим жидкость (1- 0)? Exchange liquid (1- 0).

Далее: Сделано N опытов. Закончим - /enter/, вернемся к началу – 1.

( N experiences made. Finish -/enter/, return to beginning – 1).

После окончания эксперимента следует записать результаты с итоговой картинки (Write down the data in the report !).


Вопросы и задачи для сдачи отчета

1.От чего зависит сила вязкого трения?

2.Как изменяются скорость и ускорение тела, падающего в вязкой среде? Нарисуйте качественные графики этих зависимостей.

3.Нарисуйте качественный график зависимости скорости движения парашютиста от времени, начиная с момента раскрытия парашюта.

4.С одинаковой достаточно большой высоты падают два шара разных радиусов, сделанные из одного материала. Какой из них упадет на Землю первым?

5.Обоснуйте ответы на вопросы, полученные Вами на допуске.


Литература

1. Савельев, И.В. Курс общей физики Т.1/ И.В. Савельев.– М.: Наука, 1989.


Содержание


Структурная схема компьютерной лабораторной работы и общие принципы ее выполнения 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «МАШИНЫ АТВУДА» 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «НЕУПРУГИЙ УДАР» 7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ВЯЗКОЕ ТРЕНИЕ» 10

Литература 13



Компьютерные

лабораторные работы
Часть I
Методические указания для выполнения

компьютерных лабораторных работ по курсу общей физики




Подписано в печать Формат 60×90 1/16. Бумага газетная.

Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 0,9. Усл. печ. л. 1,1.

Тираж 500 экз. Заказ №_____




Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65


Полиграфцентр ННГАСУ, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65


1 Настоящий пакет программ предназначен для работы в среде DOS; при работе в среде WINDOWS (версий, более поздних чем WINDOWS – 2000) имеются проблемы с воспроизведением русского текста в таких программах. Поэтому здесь приводятся переводы всех текстов и комментариев, необходимых при выполнении лабораторных работ.

скачать файл



Смотрите также:
Методические указания для выполнения компьютерных лабораторных работ по курсу общей физики Нижний Новгород, 2004
142.65kb.
Методические указания по выполнению лабораторных работ по одноименному курсу для студентов специальностей
281.83kb.
Методические указания по проведению лабораторных работ для студентов очной и заочной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования для направления подготовки
823.57kb.
Волгоградского государственного технического университета кафедра общетехнические дисциплины
482.19kb.
Методические указания для студентов по выполнению практических (лабораторных) работ для специальности
996.74kb.
Методические указания по выполнению практических работ Для студента геодезического и картографического факультетов
165.17kb.
Методические указания для написания контрольных работ по дисциплине
1617.88kb.
Методические указания по выполнению контрольных работ по дисциплине
305.89kb.
Методические рекомендации для выполнения практических занятий по дисциплине
292.49kb.
Г. Нижний Новгород, 603005 г. Нижний Новгород
63.27kb.
Кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии контрольное задание №2
193.38kb.
День города Нижний Новгород. 8 сентября 2013 года нашему любимому городу исполняется 792 года. Нижний Новгород был основан в 1221 году князем Юрием Всеволодовичем. Город отмечает
12.29kb.