2. Rugalmas állandók mérése



Hasonló dokumentumok
Rugalmas állandók mérése

2. Rugalmas állandók mérése jegyzőkönyv javított. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Rugalmas állandók mérése (2-es számú mérés) mérési jegyzõkönyv

Rugalmas állandók mérése

Rugalmas állandók mérése

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Nehézségi gyorsulás mérése megfordítható ingával

A mérés célkitűzései: A matematikai inga lengésidejének kísérleti vizsgálata, a nehézségi gyorsulás meghatározása.

Szilárd testek rugalmassága

2. Rugalmas állandók mérése

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Mikroszkóp vizsgálata és folyadék törésmutatójának mérése (8-as számú mérés) mérési jegyzõkönyv

Mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Folyadék törésmutatójának mérése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Jegyzőkönyv. hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálatáról (3)

Lineáris erőtörvény vizsgálata és rugóállandó meghatározása

Tömegmérés stopperrel és mérőszalaggal

3. Az alábbi adatsor egy rugó hosszát ábrázolja a rá ható húzóerő függvényében:

Mikroszkóp vizsgálata Folyadék törésmutatójának mérése

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

A= a keresztmetszeti felület cm 2 ɣ = biztonsági tényező

(III) Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata (Ablakhoz közeli mérőhely)

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

Mérési jegyzőkönyv. M1 számú mérés. Testek ellenállástényezőjének mérése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

NYOMÁS ÉS NYOMÁSKÜLÖNBSÉG MÉRÉS. Mérési feladatok

Regresszió számítás. Tartalomjegyzék: GeoEasy V2.05+ Geodéziai Kommunikációs Program

A mágneses szuszceptibilitás vizsgálata

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Példa: Tartó lehajlásfüggvényének meghatározása végeselemes módszer segítségével

Navier-formula. Frissítve: Egyenes hajlítás

29. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február osztály

HELYI TANTERV. Mechanika

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Oktatási Hivatal FIZIKA I. KATEGÓRIA. A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FELADATOK

A mérési eredmény megadása

Mérést végezte: Varga Bonbien. Állvány melyen plexi lapok vannak rögzítve. digitális Stopper

Mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Folyadék törésmutatójának mérése

Rácsvonalak parancsot. Válasszuk az Elsődleges függőleges rácsvonalak parancs Segédrácsok parancsát!

Abszolút és relatív aktivitás mérése

Függvények Megoldások

19. A fényelektromos jelenségek vizsgálata

Érettségi feladatok Koordinátageometria_rendszerezve / 5

Gyakorló feladatok 9.évf. halmaznak, írd fel az öt elemű részhalmazokat!. Add meg a következő halmazokat és ábrázold Venn-diagrammal:

3. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

MÉRÉSI EREDMÉNYEK PONTOSSÁGA, A HIBASZÁMÍTÁS ELEMEI

Rezgés tesztek. 8. Egy rugó által létrehozott harmonikus rezgés esetén melyik állítás nem igaz?

Tömegvonzás, bolygómozgás

Érettségi feladatok: Koordináta-geometria 1/5

KERESZTMETSZETI JELLEMZŐK

Mérési hibák

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

b) Ábrázolja ugyanabban a koordinátarendszerben a g függvényt! (2 pont) c) Oldja meg az ( x ) 2

Homogén testnek nevezzük az olyan testet, amelynek minden része ugyanolyan tulajdonságú. ρ = m V.

Modern Fizika Labor. A mérés száma és címe: A mérés dátuma: Értékelés: Infravörös spektroszkópia. A beadás dátuma: A mérést végezte:

Fényhullámhossz és diszperzió mérése

Fázisátalakulások vizsgálata

Figyelem! Csak belső és saját használatra! Terjesztése és másolása TILOS!

Modern fizika laboratórium

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

2. Rugalmas állandók mérése

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

2009/2010. tanév Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló. FIZIKA I. kategória FELADATLAP. Valós rugalmas ütközés vizsgálata.

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

Matematikai geodéziai számítások 10.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉPSZINT Függvények

Gyakorlati útmutató a Tartók statikája I. tárgyhoz. Fekete Ferenc. 5. gyakorlat. Széchenyi István Egyetem, 2015.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Síkgeometria

Mágneses szuszceptibilitás mérése

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Függvények

Peltier-elemek vizsgálata

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

Fázisátalakulások vizsgálata

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Érettségi feladatok: Trigonometria 1 /6

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Frissítve: Csavarás. 1. példa: Az 5 gyakorlat 1. példájához hasonló feladat.

Mérés: Millikan olajcsepp-kísérlete

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA FELADATOK

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

1. feladat Alkalmazzuk a mólhő meghatározását egy gázra. Izoterm és adiabatikus átalakulásokra a következőt kapjuk:

Matematikai geodéziai számítások 6.

Vasbetonszerkezetek II. Vasbeton lemezek Rugalmas lemezelmélet

EGYSZERŰ GÉPEK. Azok az eszközök, amelyekkel kedvezőbbé lehet tenni az erőhatás nagyságát, irányát, támadáspontjának helyét.

Modern fizika laboratórium

Elektromos egyenáramú alapmérések

Matematikai geodéziai számítások 6.

Fajhő mérése. (Mérési jegyzőkönyv) Hagymási Imre február 26. (hétfő délelőtti csoport)

Átírás:

2. Rugalmas állandók mérése Klasszikus fizika laboratórium Mérési jegyzőkönyv Mérést végezte: Vitkóczi Fanni Jegyzőkönyv leadásának időpontja: 2012. 12. 15.

I. A mérés célja: Két anyag Young-modulusának meghatározása a testek lehajlásának mérésével, valamint torziómoduluszés tehetetlenségi nyomaték mérése torziós inga segítségével. II. A mérés elméleti hátterének áttekintése: A két végén feltámasztott és középen terhelt rúd az ábrán látható módon deformálódik: Jól látható, hogy az alsó rész rétegei meghosszabbodnak, a felsők rövidülnek, mivel felül nyomó-, alul pedig húzó feszültségek lépnek fel. A két jól elkülöníthető rész közötti változatlan hosszúságú részt neutrális rétegnek nevezzük. Ezen rétegnek a vízszinteshez képest történő középső (legnagyobb) lehajlását az l 3 (EI ) F (1) s= 1 48 összefüggés írja le, amelyben s jelöli a lehajlás mértékét, l a feltámasztási pontok távolságát, F azt az erő, amely elődiézi a lehajlást, E a minta Young-modulusza, I pedig a minta keresztmetszetének másodrendű nyomatéka. Ha a koordináta rendszer x-y síkjának a vízszintes neutrális síkot választjuk, az x - tengely a rúd hosszának irányába mutat, a z -tengely pedig felfelé, akkor a másodrendű nyomaték az alábbi képlet alapján számolható: I = f z 2 df. (2) R sugarú kör keresztmetszetű rúd esetén I o = π 4 R4, (3) a alapú, b magasságú téglalap keresztmetszet esetén I = ab3 12. (4) A mérést a 2. ábrán látható, kétkarú emelőt tartalmazó eszköz segítségével végeztem. A rendelkezésre álló súlyok és az erőkar segítségével számos terhelés megvalósítható, a feltámasztás változtatásával pedig az l értéke módosítható egészen 40 cm-ig.

A rúd közepének lehajlása az eszközön található, 0,01 mm léptékű mérőóra segítségével mérhető. Ügyelni kell azonban arra, hogy a terhelés változtatásakor a rúd ne mozduljon el és a terhelés valóban középen legyen. Vékony huzal torziómoduluszát a huzalból készült torziós inga segítségével határoztam meg. A G torziós modulusz és az inga T lengéideje között az alábbi kapcsolat áll fenn: G=K Θ T 2. (5) Az összefüggésben szereplő Θ a lengő rendszer tehetetlenségi nyomatéka és K a torziós szálra jellemző állandó: K =8π l, (6) r 4 ahol r a szál sugara, l pedig a hossza. Ily módon Θ ismeretében a T lengésidő mérésével a G érték már meghatározható lenne. A tehetetlenségi nyomaték azonban általában nem ismert, ezért úgy végezzük a mérést, hogy a torziós inga tehetetlenségi nyomatékát ismert mértékben változtatjuk, így lehetségessé válik a torziómodulusz meghatározása. Az üres ingára a középponthoz képest szimmetrikusan két m 1 és m 2 tömegű, súlypontjukra nézve Θ 1 és Θ 2 tehetetlenségi nyomatékú tárcsát helyeztem. Törekedni kell arra, hogy a két tömeg és tehetetlenségi nyomaték minél inkább azonos legyen. Ha a tárcsák távolsága a forgástengelytől a, a rendszer eredő tehetetlenségi nyomatéka: Θ=Θ ü +Θ s1 +Θ s2 +(m 1 +m 2 )a 2. (7) A képletben szereplő Θ ü az üres inga tehetetlenségi nyomatéka, az (m 1 +m 2 )a 2 tag pedig a Steiner - tétellel magyarázható. Így az (5) kifejezést felhasználva az alábbi összefüggéshez jutunk: T 2 = K G (Θ +Θ +Θ )+K (m 1+m 2 ) ü si s2 a 2. (8) G Tehát, ha a mért T lengésidők négyzetét az a 2 értékek függvényében ábrázoljuk, egy egyenest kapunk, amely m meredekségéből a G torziómodulusz kiszámítható: amelyből m= K G (m 1+m 2 ), (9) G=K (m 1+m 2 ) m. (10) A lengésidőt egy fényérzékelőből álló egység detektálja, az időmérés egy elektronikus számlálóval történik, a műszerrel 10 vagy 50 lengés ideje mérhető. A mérés során a 10 lengés idejébőll származtatott periódusidőt használtam. Ha az inga az egyensúlyi helyen takarja el a fényérzékelő fényforrását, tehát ekkor kezdjük meg a mérést, a csillapítás miatt bekövetkezhető, az amplitúdócsökkenésből származó hiba csökkenthető, így a beállításkor erre ügyelnünk kell. Az inga keretén a tárcsák állása 1 cm-es osztással változtatható ±0,05 mm pontosságal. III.

IV. Mért adatok és kiértékelésük: 1) A Young-modulus meghatározása: A méréseket az A1 és S1 jelzésű mintákkal végeztem. A1 A1 A minták geometriai adatai: a (*10-3 m) 8,15 8,13 8,06 8,05 8,03 8,08 b (*10-3 m) 11,98 11,97 11,99 12,03 12,02 12,0 S1 d (*10-3 m) 9,90 9,94 9,99 9,91 9,97 9,94 A mért adatok átlagértékét a táblázat utolsó oszlopában tüntettem fel. A henger alakú minta esetén a sugár a szükséges adat: r = d/2 = 4,97 *10-3 m. Az (1) összefüggés ellenőrzésére kétféle mérést végeztem. a) Először állandó l hosszúság mellett feljegyeztem az s lehajlásokat különböző F terhelések esetén: l = 40 ± 0,25 cm mindhárom esetben. A1 (i. eset) A1 (ii. eset) S1 F (N) s (0,01 mm) F (N) s (0,01 mm) F (N) s (0,01 mm) 5 57,5 5 47 7,5 82 7,5 66,5 7,5 51 10 92,5 10 76 10 55,5 12,5 101,5 12,5 85,5 12,5 59,5 15 110 15 95 15 64 20 127,5 20 114 20 73 25 145 25 132 25 81 30 163 30 151 30 90 40 199 35 170 40 107 - - 40 188,5 50 123 - - - - 60 140 - - - - 80 172 - - - - 100 206 - - A mért értékpárokat ábrázoltam, a várakozásnak megfelelően mindhárom esetben egyenest kaptam. Az egyenes meredekségéből a másodrendű nyomaték ismeretében a Young-modulusz meghatározható: s= 1 l 3 48 (EI ) F m= 1 l 3 E= 1 l 3 48 (EI ) 48 (mi ) A1 (i.) A1 (ii.) S1 Egyenes meredeksége: m 3,7486*10-5 1,6728*10-5 3,5638*10-5 A meredekség hibája: Δm ± 6,3*10-8 ± 5,8*10-8 ± 2,0*10-8

m 1 = 3,7486*10-5 ± 6,3*10-8 m 2 = 1,6728*10-5 ± 5,8*10-8 m 3 = 3,5638 *10-5 ± 2,0*10-8

A Young-modulusz hibája a hibaszámítás szabályai alapján: Δ E=3 (Δ l ) (Δ m) + l m +(Δ I ) I Az alábbi táblázat tartalmazza a Young-modulusz értékét és hibáját, valamint a számításhoz szükséges másodrendű nyomaték értékét és hibáját egyaránt: A1 (i.) A1 (ii.) S1 Másodrendű nyomaték: I 5,275*10-10 m 4 1,1635*10-9 m 4 4,792*10-10 m 4 Másodrendű nyomaték hibája: ΔI 1,5*10-11 m 4 1,9*10-11 m 4 1,5*10-11 m 4 Young-modulusz: E 6,743 *10 10 N/m 2 6,851 * 10 10 N/m 2 7,8 * 10 10 N/m 2 Young-modulusz hibája: ΔE ± 0,33 *10 10 N/m 2 ± 0,26 * 10 10 N/m 2 ± 0,43 *10 10 N/m 2 b) Ezt követően állandó 1000 g-os majd 3000 g-os terhelés mellett megmértem a lehajlásokat különböző l éktávolságok mellett az S1 minta esetén. A mért értékek az alábbi táblázatban találhatók: l (cm) 40 36 32 28 24 20 16 12 s 0 (*0,01 mm) 92,5 87 71 67 61 56 51 45 s t (*0,01 mm) 163 139 112 93 76 65 56 48 s = s t -s 0 (*0,01 mm) 70,5 52 41 26 15 9 5 3 Az s= 1 l 3 48 (EI ) F=m l3 m= 1 F alapján a Young-modulus meghatározható. 48 (EI ) Ha az s lehajlást az l 3 függvényében ábrázoljuk, megkapjuk a szükséges egyenes merdekségét. Az egyenest a Gnuplot program segítségével illesztettem, a merededség: m = 0,01116 ± 0,00035. Lehajlás s (*10-5 m) m = 0,01116 ± 0,00035 l 3 (*10-3 m 3 )

A mérési eredmények alapján a minta Young-modulusa: E= 1 F N 48 (mi ) =7,79 1010 m 2. A Young-modulus hibája, ha az erő becsült relatív hibája ± 1%-nak tekinthető: Δ E=[ (Δ F ) m) +(Δ F m +(Δ I ) ] E=0,566 10 10 N I m 2. Az S1 mita Young-modulusa a második módszer alapján: E = (7,79 ± 0,566 )*10 10 N/m 2. c) Az 1/a) mérést a téglalap keresztmetszetű mintán mindkét élell párhuzamos terhelés mellett elvégeztem, a mérési eredmények és a Young-modulus számítása az a) részben megtalálható. m 1 A két merdekség arányára az alábbi mennyiséget kaptam: = (3,7486 10 5 ) m 2 (1,6728 10 5 ) =2,24. Ha tekintjük az I 2 I 1 = (1,1635 10 9 ) (5,275 10 10 ) jegyig azonos, így azt mondhatjuk, hogy a feltételezett mérési hibából származik. =2,20 arányt, a két mennyiség a második tizedes m 1 m 2 = I 2 I 1 teljesül, a kis eltérés a 2) Torziómodulusz mérése, és az inga tehetetlenségi nyomatékának meghatározása: A torziós ingában található vékony szál geometriai adatait csavarmikrométer, valamint miliméter beosztású mérőszalag segítségével mértem, a csvarmikrométer hibája ± 0,005 mm, a hosszmérés hibája ± 0,05 cm. A mért adatok átlagát a táblázat utolsó oszlopában tüntettem fel: d (mm) 0,71 0,70 0,72 0,70 0,71 0,72 0,71 l (cm) 59,1 A súlyok geometriai adatait tolómérő és csavarmikrométer segítségével állapítottam meg, a tömeget analítikai mérleg segítségével mértem. A tolómérő hibája ± 0,025 mm, a tömegmérés estén a hiba ±0,0001 g. A méréshez az 5. és 8. sorszámú súlyokat használtam. A táblázat utolsó oszlopában az egyes mennyiségek átlaga szerepel. 5. 8. d ±0,025 (mm) 45,1 45,0 45,05 45,0 45,04 h ± 0,005 (mm) 13,78 13,74 13,75 13,74 13,75 m 1 (g) 194,6370 d ±0,025 (mm) 45,1 45,0 45,1 45,0 45,05 h ± 0,005 (mm) 13,86 13,90 13,86 13,9 13,88 m 2 (g) 196,2680 Az alábbi táblázat az óvatosan kitérített inga lengésidejét, és a hozzájuk tartozó súlyok pozícióját tartalmazza. A súlyok az ingán található kereten szimmetrikusan helyezkedtek el, a táblázatban található a érték a súlyok rögzítési pontjának (jó közelítéssel a középpontok) távolságát jelzik ±0,05 mm pontossággal.

T 10 (s) Az időmérést minden esetben kétszer elvégeztem, a mérési eredméyekből látszik, hogy a műszer három tizedesjegy pontosággal méri a lengsidőt, a mérés sajátosságaiból adódóan azonban a mérési erdmények a második tizedesjegytől kezdve eltérnek, ezért célszerű a továbbiakban a számolást az első tizedesjegyre kerekített értékekkel végezni. 28,672 35,790 40,335 45,574 51,166 57,097 63,339 69,522 76,007 28,746 35,800 40,322 45,595 51,163 57,100 63,311 69,499 76,001 T (s) 2,87 3,58 4,03 4,56 5,12 5,71 6,33 6,94 7,60 a (cm) 0 3 4 5 6 7 8 9 10 A T 2 értékeket az a 2 függvényében ábrázolta és a (8) összefüggésnek megfelelően egyenest kaptam. Az egyenes egyenlete: y = 4937,5 x + 8,36. A meredekség hibája: Δm = ± 11,18. A tengelymetszet: b = 8,36 ± 0,06. A G torziómodulusz meghatározásához szükséges a K állandó kiszámítása: K =8π l 1 r 4 =(9,35 0,26) 1014 m 3 G=K (m 1 +m 2 ) m = 9,35 1014 (0,1946370+0,1962680) =7,40 10 10 N 4937,5 m 2 A G torziómodulusz hibája az alábbi képlet alapján számítható ki: Δ G=[ (Δ K ) K +(Δ m 1+Δ m 2 ) (Δ m) (Δl ) (Δ r) + ]G=[ +4 (m 1 +m 2 ) m l r Tehát az inga torziómodulusza: G = (7,40 ± 0,02) *10 10 N/m 2. + (Δ m 1+Δ m 2 ) + (m 1 +m 2 ) (Δ m) m ]G

Tehetetlenségi nyomaték: Az inga tehetetlenségi nyomatékának maghatározásához szükség van a két test tehetetlenségi nyomatékára: Θ si = 1 2 m R 2 i i. Így az 5. tárcsa tehetetlenségi nyomatéka Θ s1 = 0,0000494 kg m 2, a 8. súly tehetetlenségi nyomatéka pedig Θ s2 = 0,0000498 kg m 2. Az inga tehetetlenségi nyomatéka: Θ ü =G b K Θ s1 Θ s2 =5,62 10 4 kg m 2. A tehetetlenségi nyomaték hibájának meghatározásához szükség van a tárcsák tehetetlenségi nyomatékának hibájára: Δ Θ si =[ (Δ m i) +2 (Δ R i) ]Θ m i R si. i ΔΘ s1 = ± 1,09 *10-7 ; ΔΘ s2 = ± 1,10 *10-7 ; Az üres inga tehetetlenségi nyomatékának hibája a fenti összefüggésben szereplő mennyiségek abszolút hibáinak összegeként adódik. Az üres inga tehetetlenségi nyomatéka Θ ü = (5,62 ± 0,46) *10-4 kg m 2. Az egyenes korrelációs együtthatójára az R = 0,9999 mennyiség adódott, ezzel igazolást nyert a Steiner-tétel.