Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 2, Harmoninen värähtelijä



Samankaltaiset tiedostot
Kiihtyvyys a on paikan x toinen aikaderivaatta 2

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Työ 5: Putoamiskiihtyvyys

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

tutustua kiertoheilurin teoriaan ja toimintaan harjoitella mittauspöytäkirjan itsenäistä tekemistä sekä työselostuksen laatimista

Jousen jousivoiman riippuvuus venymästä

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

Kojemeteorologia (53695) Laskuharjoitus 1

nopeammin. Havaitaan, että kussakin tapauksessa kuvaaja (t, ϕ)-koordinaatistossa on nouseva suora.

Tehtävänä on määrittää fysikaalisen heilurin hitausmomentti heilahdusajan avulla.

Luento 11: Periodinen liike

tutustua kiertoheilurin teoriaan ja toimintaan

Torsioheiluri IIT13S1. Selostuksen laatija: Eerik Kuoppala. Ryhmä B3: Eerik Kuoppala G9024 Petteri Viitanen G8473

Jousen jaksonaikaan vaikuttavat tekijät

Jani-Matti Hätinen Työn pvm assistentti Stefan Eriksson

PERUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

HARMONINEN VÄRÄHTELIJÄ

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

Luento 13: Periodinen liike

TTY FYS-1010 Fysiikan työt I Asser Lähdemäki, S, 3. vsk. MA 2.2 Kääntöheiluri Antti Vainionpää, S, 3. vsk.

Heilurin heilahdusaikaan vaikuttavat tekijät

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Virhearviointi. Fysiikassa on tärkeää tietää tulosten tarkkuus.

KALTEVA TASO. 1. Työn tavoitteet. 2. Teoria

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Luento 11: Periodinen liike

OHJEITA TYÖSELOSTUKSEN LAATIMISEEN

KIERTOHEILURI JA HITAUSMOMENTTI

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Termodynamiikan mukaan ideaalikaasujen molaaristen lämpökapasiteettien erotus on yleinen kaasuvakio R

761121P-01 FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 1. Oulun yliopisto Fysiikan tutkinto-ohjelma Kevät 2016

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Värähtelevä jousisysteemi

0.3 LOPPUTULOKSEN ESITTÄMISTARKKUUS

7. Resistanssi ja Ohmin laki

Koesuunnitelma. Tuntemattoman kappaleen materiaalin määritys. Kon c3004 Kone ja rakennustekniikan laboratoriotyöt. Janne Mattila.

Perusopintojen Laboratoriotöiden Työselostus 1

= vaimenevan värähdysliikkeen taajuus)

PERUSMITTAUKSIA. 1. Työn tavoitteet. 1.1 Mittausten tarkoitus

PERUSMITTAUKSIA. 1. Työn tavoitteet. 1.1 Mittausten tarkoitus

Fysiikan laboratoriotyöt 3 Sähkömotorinen voima

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Ohjeita fysiikan ylioppilaskirjoituksiin

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

Pinnoitteen vaikutus jäähdytystehoon

Aki Taanila YHDEN SELITTÄJÄN REGRESSIO

TASAVIRTAPIIRI - VASTAUSLOMAKE

Aineopintojen laboratoriotyöt 1. Veden ominaislämpökapasiteetti

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

PHYS-A1110 Laboratoriotyöosuus. Vastaava opettaja Jani Sainio puh: huone 138 (OK 4A)

FY6 - Soveltavat tehtävät

d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila

Työn tavoitteita. Yleistä. opetella johtamaan yleisestä teoriasta tai mallista mitattavissa olevia ennusteita ja testaamaan niitä kokeellisesti

Ch 12-4&5 Elastisuudesta ja lujuudesta

Työ 3: Veden höyrystymislämmön määritys

Theory Finnish (Finland)

FYSIIKAN LABORAATIOTYÖ 4 LÄMMÖNJOHTAVUUDEN, LÄMMÖNLÄPÄISYKERTOI- MEN JA LÄMMÖNSIIRTYMISKERTOIMEN MÄÄRITYS

VASTUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Ene LVI-tekniikan mittaukset ILMAN TILAVUUSVIRRAN MITTAUS TYÖOHJE

Työ 31A VAIHTOVIRTAPIIRI. Pari 1. Jonas Alam Antti Tenhiälä

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

LibreOfficen kaavaeditori

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

ja J r ovat vektoreita ja että niiden tulee olla otettu saman pyörimisakselin suhteen. Massapisteen hitausmomentti on

Vastksen ja diodin virta-jännite-ominaiskäyrät sekä valodiodi

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

MATEMATIIKKA. Matematiikkaa pintakäsittelijöille. Ongelmanratkaisu. Isto Jokinen 2017

4.1 Kaksi pistettä määrää suoran

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

Palkin taivutus. 1 Johdanto. missä S on. määritetään taivuttamalla. man avulla.

Dynamiikan peruslaki ja voima

Lämpötila Lämpölaajeneminen Ideaalikaasu. Luku 17

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

On määritettävä puupalikan ja lattian välinen liukukitkakerroin. Sekuntikello, metrimitta ja puupalikka (tai jääkiekko).

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

Ryhmä T. Koesuunnitelma. Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt, KON-C3004

TESTAUSSSELOSTE Nro VTT-S Uponor Tacker eristelevyn dynaamisen jäykkyyden määrittäminen

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

4B6A. KIMMOISUUSTUTKIMUKSIA

DirAir Oy:n tuloilmaikkunaventtiilien mittaukset

Matemaattisen mallinnuksen peruskurssin harjoitustyö Keinun pyöriminen

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Arjen riippuvuuksia. Tavoitteet:

origo III neljännes D

Transkriptio:

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 2, Harmoninen värähtelijä Tekijä: Mikko Laine Tekijän sähköpostiosoite: miklaine@student.oulu.fi Koulutusohjelma: Fysiikka Mittausten suorituspäivä: 04.02.2013 Työn ohjaajan nimi: Otto Mankinen 1

Sisältö 1 Työn tarkoitus 3 2 Teoria 3 2.1 Jousivakion määritys venymän avulla..................... 3 2.2 Jousivakion määritys jaksonajan avulla.................... 3 2.3 Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden määritys............ 3 3 Mittausmenetelmät 4 4 Mittaustulokset ja niiden käsittely 4 4.1 Jousivakion määrittäminen venymämittausten perusteella.......... 4 4.2 Jousivakion määrittäminen jaksonaikamittausten perusteella........ 4 4.3 Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden määritys matemaattisen heilurin avulla................................... 5 5 Tulosten luotettavuuden arviointi 6 6 Lopputulokset ja johtopäätökset 6 7 Liitteet 6 2

1 Työn tarkoitus Työ tehtiin jousen jousivakion määrittämiseksi sekä jousen venymän että sen värähtelyliikkeen jaksonajan avulla. Molempia suureita tarkasteltiin massan funktiona. Myös jousen massa määritettiin mitattujen suureiden perusteella. Lisäksi määritettiin Maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys matemaattisen heilurin avulla, heilahdusliikkeen jaksonajan ja langan pituuden mittaamisen jälkeen. Samalla opeteltiin käyttämään sekuntikelloa ja metrimittaa sekä määrittämään niiden lukematarkkuudet. Mittaustuloksia opeteltiin käsittelemään taulukkomuodossa ja esittämään graafisesti. Työssä tutustuttiin myös pienimmän neliösumman menetelmään. 2 Teoria 2.1 Jousivakion määritys venymän avulla Tutkitun jousen venymä x saadaan yhtälöstä x = g k m = a 1 + b 1 m, (1) missä g on Maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys, k jousen jousivakio ja m käytetyn punnuksen massa. Termit a 1 ja b 1 vastaavat pienimmän neliösumman suoran vakiotermiä ja suoran kulmakerrointa. Kun a 1 0, kulmakertoimen, jousivakion ja Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden välille saadaan seuraavanlainen yhteys b 1 = g k k = g b 1. (2) 2.2 Jousivakion määritys jaksonajan avulla Punnuksineen värähtelevän jousen jaksonajan neliö T 2 saadaan yhtälöstä T 2 = 4π2 m j 3k + 4π2 k m = a 2 + m, (3) missä m j on jousen massa, k jousen jousivakio ja m käytetyn punnuksen massa. Termit a 2 ja vastaavat pienimmän neliösumman suoran vakiotermiä ja suoran kulmakerrointa. Pienimmän neliösumman suoran parametrien sekä jousivakion ja jousen massan välillä on seuraavanlainen yhteys = 4π2 k = 4π2 k a 2 = 4π2 m j. (4) m 3k j = 3a 2 2.3 Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden määritys Maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys g saadaan yhtälöstä missä l on langan pituus ja T heilurin jaksonaika. g = 4π2 l T 2, (5) 3

3 Mittausmenetelmät Työssä käytettiin ylhäältä ripustettua kierrejousta, jonka takana oli kiinteä metrimittaasteikko. Jousen venymämittauksissa jousesta valittiin kohta, jonka paikkaa kiinteällä metrimitta-asteikolla havaittiin. Paikka luettiin ilman punnusta ja punnuksin, jotka kiinnitettiin jousen alaosaan. Venymämittausten rinnalla mitattiin jousen värähtelynliikkeen jaksonajat kunkin punnuksen kohdalla saattamalla jousi punnuksineen värähtelemään ja mittaamalla sekuntikellolla kymmenen peräkkäisen jakson aika kolme kertaa. Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden määritykseen käytetyn matemaattisen heilurin langan pituus mitattiin metrimitalla. Heiluri saatettiin heilahdusliikkeeseen ja mitattiin sekuntikellolla kahdenkymmenen peräkkäisen heilahduksen aika kolme kertaa. 4 Mittaustulokset ja niiden käsittely Mittaustulokset käyvät ilmi liitteenä olevasta mittauspöytäkirjasta. 4.1 Jousivakion määrittäminen venymämittausten perusteella Liitteenä olevassa kuvaajassa Venymä massan funktiona mittauspisteiden välille on sovitettu pienimmän neliösumman suora, jonka kulmakerroin b 1 on 0, 5075 m. Pienimmän neliösumman suoran vakiotermi a 1 saa arvon 0, 0016 0, joten jousivakion k arvo saadaan yhtälön (2) mukaisesti k = g b 1 = 9, 82 m 0, 5075 m = 19, 34975369 19, 35 s = 19, 35 N 2 m. Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden g arvona on käytetty 9, 82 m, joka on varsin tarkka likiarvo Oulun leveyspiirillä vallitsevasta kiihtyvyydestä. 4.2 Jousivakion määrittäminen jaksonaikamittausten perusteella Taulukko 1: Pienimmän neliösumman suoran parametrien laskemisessa tarvittavat arvot i m () T (s) m 2 ( 2 ) Tka 2 ( ) mtka 2 ( ) 1 0, 1 0, 748 0, 01 0, 559504 0, 055950 2 0, 2 0, 856 0, 04 0, 733307 0, 146661 3 0, 3 0, 971 0, 09 0, 942841 0, 282852 4 0, 4 1, 073 0, 16 1, 150614 0, 460246 5 0, 5 1, 161 0, 25 1, 347921 0, 673961 6 0, 6 1, 248 0, 36 1, 558336 0, 935002 7 0, 7 1, 315 0, 49 1, 729225 1, 210458 8 0, 8 1, 399 0, 64 1, 958134 1, 566507 9 0, 9 1, 475 0, 81 2, 175625 1, 958063 10 1, 0 1, 535 1, 00 2, 355202 2, 355202 Σ 5, 5 11, 781 3, 85 14, 510709 9, 744902 4

Kutakin massaa vastaavat kymmeneen värähdysliikkeeseen kuluvat ajat kolmen havainnon keskiarvona on kirjattu liittenä olevaan mittauspöytäkirjaan. Jakamalla nämä ajat kymmenellä saadaan selville tutkitun harmonisen värähtelijän jaksonajat. Pienimmän neliösumman menetelmää varten tarvitaan jaksonaikojen neliöt, massojen neliöt sekä massan ja jaksonajan neliön tulon kulloinkin käytetyllä massan arvolla. Nämä on laskettu yllä olevaan taulukkoon (Taulukko 1). Pienimmän neliösumman suoran vakiotermi a 2 voidaan määrittää seuraavasta yhtälöstä a 2 = Σm2 i ΣTi 2 Σm i Σm i Ti 2 = 3, 85 2 14, 510709 5, 5 9, 744902 NΣm 2 i (Σm i ) 2 10 3, 85 2 (5, 5 ) 2 = 55, 86622965 2 53, 596961 2 = 2, 26926865 2 38, 5 2 30, 25 2 8, 25 2 = 0, 2750628667 0, 2751. ja suoran kulmakerroin yhtälöstä = NΣm iti 2 Σm i ΣTi 2 = 10 9, 744902 s2 5, 5 14, 510709 NΣm 2 i (Σm i ) 2 10 3, 85 2 (5, 5 ) 2 = 97, 44902 s2 79, 8088995 38, 5 2 30, 25 2 = = 2, 138196424 s2 2, 1382 s2. 17, 6401205 s2 8, 25 2 Saadun kulmakertoimen arvon perusteella jousen jousivakioksi k saadaan yhtälön (4) nojalla k = 4π2 = 4π 2 2, 138196424 s2 Vastaavasti jousen massaksi m j saadaan = 18, 46341953 18, 46 s = 18, 46 N 2 m. m j = 3a 2 = 3 0, 2750628667 s2 2, 138196424 s2 = 0, 3859274063 0, 3859 = 385, 9 g. 4.3 Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden määritys matemaattisen heilurin avulla Matemaattisen heilurin kahdenkymmenen peräkkäisen heilahduksen aika kolmen havainnon keskiarvona on kirjattu liitteenä olevaan mittauspöytäkirjaan. Jakamalla tämä aika kahdellakymmenellä saadaan selville tutkitun matemaattisen heilurin jaksonaika. Siis 54, 876 s T = = 2, 74383 s 20 Heilurissa käytetyn langan pituus l on 1, 878 m. Sijoittamalla arvot yhtälöön (5), saamme putoamiskiihtyvyyden g arvoksi g = 4π2 l T 2 = 4π2 1, 878 m (2, 74383 s) 2 = 9, 84781472 m 9, 85 m 5

5 Tulosten luotettavuuden arviointi Arvioidaan putoamiskiihtyvyydelle g saadun arvon virhettä kokonaisdifferentiaalimenetelmällä. Koska g = g(l, T ), kiihtyvyyden absoluuttisen virheen ylärajaksi saadaan jossa g l l + T T, ja l = 4π2 T 2 0,3 s 20 T = 8π2 l. T 3 Langan pituuden l mittausvirhe l = 0, 001 m ja jaksonajan T mittausvirhe T = = 0, 015 s. Joten absoluuttisen virheen yläraja 4π 2 g 0, 001 m (2, 74383 s) 2 + 8π 2 1, 878 m 0, 015 s (2, 74383 s) 3 ja suhteellisen virheen yläraja = 0, 1129159309 m 0, 113 m g g 0, 1129159309 m 9, 84781472 m = 0, 0114660901 1, 2%. 6 Lopputulokset ja johtopäätökset Jousen jousivakioksi saatiin venymämittausten perusteella 19, 35 N ja jaksonaikamittausten perusteella 18, 46 N. m m Jousen massalle määritettiin arvo 390 g. Pienimmän neliösumman suoralta katsottuna jousen massaksi m j saadaan 3 ( 130) g 390g. Maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden arvoksi saatiin matemaattisen heilurin avulla (9, 85 ± 0, 12) m = 9, 85 m ± 1, 2%. Oulun leveyspiirillä putoamiskiihtyvyydelle käytetään yleisesti likiarvoa 9, 82 m, joten saatu tulos ei ole ollenkaan hassumpi. 7 Liitteet Tämän työselostuksen liitteenä on mittauspöytäkirja sekä Venymä massan funktiona ja Jaksonajan neliö massan funktiona -kuvaajat. 6