background image

Data: 

  14.10.2014r. 

 

Ocena 

Nr ćwiczenia: 

 

Temat ćwiczenia: 

 

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego 

za pomocą wahadła  prostego oraz 

logarytmicznego dekrementu tłumienia 

wahadła fizycznego. 

 

 

Uwagi prowadzącego: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Część teoretyczna 

Przyspieszenie ziemskie – przyspieszenie grawitacyjne ciał spadających na Ziemię, bez oporów ruchu. 
Wartość przyspieszenia ziemskiego nie jest stała; zależy m.in. od położenia punktu na powierzchni Ziemi. 
Przyczynami tego zjawiska są: a) spłaszczenie kuli ziemskiej, b) ruch obrotowy Ziemi,  
c) niejednorodność budowy Ziemi. Ziemia ma w przybliżeniu kształt elipsoidy obrotowej, spłaszczonej od 
strony biegunów geograficznych. Wskutek tego wartość przyspieszenia ziemskiego zależy od szerokości  
geograficznej i jest największa na biegunach a najmniejsza na równiku. Ruch obrotowy Ziemi powoduje 
powstanie siły dośrodkowej, która zmniejsza ciężar każdego ciała  znajdującego się na Ziemi. Zmniejszanie 
ciężaru ciał jest największe na równiku. Wartość przyspieszenia ziemskiego zmienia się od około 9.78 m/s 
na równiku do wartości około 9.83 m/s na biegunach. Lokalne wahania wartości przyspieszenia ziemskiego 
są wynikiem niejednorodności budowy Ziemi oraz ukształtowaniem powierzchni Ziemi.  

Wahadło matematyczne zwane inaczej wahadłem prostym to idealizacja wahadła fizycznego. Jest nim punkt 
materialny zawieszony na nieważkiej (w rzeczywistości o pomijalnej masie) i nierozciągliwej nici. Za 
pomocą takiego wahadła możemy wyznaczyć wartość przyspieszenia ziemskiego przy użyciu wzoru, który 
otrzymamy przekształcając wzór na okres drgań: 
 
 
 

 
gdzie L to długość nici, a T to okres drgań. Wzór ten jest poprawny jedynie dla małych amplitud. 
 

background image

Logarytmiczny dekrement tłumienia wyznaczamy natomiast za pomocą wahadła fizycznego, którym jest 
sztywna bryła, mogąca wykonywać obroty wokół osi, która znajduje się powyżej środka ciężkości tej bryły. 
Dekrement tłumienia to stosunek dwóch kolejnych amplitud w czasie jednego okresu. Logarytmiczny 
dekrement tłumienia to logarytm naturalny z tegoż właśnie dekrementu: 
 
 
 
 

 

 

 

Współczynnik oporu ośrodka obliczamy za pomocą wzoru: 
 
 

 

 

 

 

Opis ćwiczenia
 

 

Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego 
 
Wyznaczamy długość wahadła prostego: trzykrotnie mierzymy średnicę kulki suwmiarką, następnie długość 
nici przy pomocy katetometru. Cztery razy mierzymy sekundomierzem czas trwania trzydziestu pełnych 
wahnięć. Wszystkie pomiary wpisujemy do tabeli. 
 

 

Wyznaczanie logarytmicznego dekrementu tłumienia. 

 
Wahadło fizyczne wychylamy poza skalę pomiaru, swobodnie puszczamy i odczytujemy 10 kolejnych 
amplitud z jednej strony położenia równowagi. Wyniki umieszczamy w tabeli. Sekundomierzem mierzymy 
czas 10 pełnych wahnięć. Zapisujemy oszacowanie niepewności i masę wahadła. 

 

 

 

 

background image

TABELE POMIARÓW SA ZAWARTE NA OSOBNYCH KARTKACH 

OBLICZENIA : 

 

 

  kulka drewniana 

 

długość nici l = 

      ; średnia średnica kulki d =       ;  

długość wahadła 

          ; średnia wartość okresu T =       ;  

stosunek 

 

 

 

 

      
     

 

         

przyspieszenie 

   

  

 

  

 

 

 

  

 

       

     

 

       

 

 

 

 

 

kulka złota 

 

długość nici l = 

      ; średnia średnica kulki d =         ;  

długość wahadła 

            ; średnia wartość okresu T =       ; 

 stosunek  

 

 

 

 

       

     

 

        

 

 

 

  

przyspieszenie 

   

  

 

  

 

 

 

  

 

        

     

 

       

 

 

 

 

 

kulka żelazna 

 

długość nici l = 

      ; średnia średnica kulki =         ; długość wahadła    

        ; średnia wartość okresu T =       ; stosunek 

 

 

 

 

       

     

 

         

przyspieszenie 

   

  

 

  

 

 

 

  

 

        

     

 

       

 

 

 

 

  kulka srebrna 

 

długość nici l = 

      ; średnia średnica kulki d =       ;  

długość wahadła 

            ; średnia wartość okresu T =        ;  

stosunek 

 

 

 

 

       

     

 

         

przyspieszenie 

   

  

 

  

 

 

 

  

 

        

     

 

        

 

 

 

 

 

 
 

background image

 

 
Wartości niepewności

wzorcowania:  

 

 

 

 

eksperymentatora: 

Δdl=0,001m   

 

 

 

             Δel=0,05m 

Δdr=0,00005m 

 

 

 

             Δer=0,001m 

Δdt=0,05s 

 

 

 

 

             Δet=1s 

 

Obliczanie niepewności
 

 

Niepewność standardowa pomiaru czasu u(T) 

 

Niepewność zmierzenia trwania okresu: 

 

n

i

i

T

n

T

1

)

(

1

 

 

)

1

(

)

(

)

(

2

1

n

n

T

T

T

u

n

i

i

 

 

- dla kulki drewnianej 
 

s

T

u

014

,

0

2

*

3

)

03

,

0

(

)

01

,

0

(

)

01

,

0

(

)

(

2

2

2

 

 

- dla kulki złotej 

 

s

T

u

021

,

0

2

*

3

)

04

,

0

(

)

01

,

0

(

)

03

,

0

(

)

(

2

2

2

 

 
 
 

- dla kulki żelaznej 

 

s

T

u

012

,

0

2

*

3

)

02

,

0

(

)

02

,

0

(

)

01

,

0

(

)

(

2

2

2

 

 

- dla kulki srebrnej 

 

s

T

u

091

,

0

2

*

3

)

01

,

0

(

)

02

,

0

(

)

(

2

2

 

background image

 

 

 

 

Niepewność standardowa pomiaru długości u(L) 

 

Niepewność standardowa długości nici: 

 

        

  

 

  

 

    

 

  

 

 

         

 

             

 

            

        

       

 

        

 

 

            = 0,816 mm 

 
 

1.  Wyznaczanie logarytmicznego dekrementu tłumienia

Wahadło fizyczne 

 

Tabela z wyliczonymi wartościami logarytmicznego dekrementu tłumienia D:  

 

D1 

D2 

D3 

D4 

D5 

D6 

D7 

D8 

D9 

Dśr 

0,167 

0,147 

0,151 

0,130 

0,123 

0,129 

0,183 

0,106 

0,066 

0,133 

 

 

Obliczanie niepewności wartości standardowej metodą typu A 

 

  

Di 

Di-Dśr  

(Di-Dśr )^2

 

0,167 

0,034 

0,005469 

0,147 

0,014 

0,001105 

0,151 

0,018 

0,000979 

0,130 

-0,003 

0,000472 

0,123 

-0,01 

0,000001 

0,129 

-0,004 

0,001105 

background image

0,183 

0,05 

0,000434 

0,106 

-0,027 

0,005486 

0,066 

-0,067 

0,001105 

 

Przykładowe obliczenia: 

 

Obliczanie logarytmicznego dekrementu tłumienia 

      

 

 

 

   

     

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

    

   
   

        

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

   

 

   

 

   

 

   

 

   

 

   

 

   

 

 

 

     

 

        

 

Obliczamy  

 

 

   

 

 

 

 

 

 

1.   

              

 

           

2.   

              

 

           

background image

3.   

              

 

     00324 

4.   

              

 

           

5.   

              

 

        00 

6.   

              

 

           

7.   

              

 

           

8.   

              

 

           

9.   

              

 

           

 

 

 

 

Współczynnik oporu ośrodka 
 
 

   

  

 

     , gdzie:             ,            ,              

   

      

     

                   

 

 

 

Współczynnik tłumienia 

 

        

   

 

  

 

   

        

      

         

 

 

 

Wartości niepewności

wzorcowania:  

 

 

 

 

eksperymentatora: 

Δdl=0,001m   

 

 

 

             Δel=0,01m   

 

 

              

Δdt=0,05s 

 

 

 

 

             Δet=1s 

Δdm=0,005kg 
m=0,2485 kg 

 
Obliczanie niepewności

 

 
 

background image

 

Niepewność standardowa pomiaru czasu u(T) 
 

)

1

(

)

(

)

(

2

1

n

n

T

T

T

u

n

i

i

s

T

u

11

,

0

2

*

3

)

19

,

0

(

)

19

,

0

(

)

(

2

2

 

 

 

Niepewność standardowa masy u(m) 
 

        

  

 

  

 

 

   

        

 

 

            

 

 

Niepewność złożona u

c

(β): 

 

 

 

        

 

 

       

 

   

  

 

 

       

 

    

 

     

           

 

   

          

     

 

       

 

          

  

 

 

 

 

 

 

Niepewność złożona u

c

(b): 

 

 

 

                    

 

             

 

                          

 

                         

 

 = 

0,00002 

  

 

 

 

 

 

Wnioski:  

Uzyskana wartość przyspieszenia różni się od wartości tablicowej, ale obliczając niepewność 

rozszerzoną możemy stwierdzić, że uzyskana wartość jest zgodna z wartością tablicową. Prawdopodobnie 
jest to spowodowane błędami pomiarów oraz tym, że w obliczeniach nie zostały uwzględnione opory 
powietrza i tarcie. Nie bez znaczenia jest również położenie układu pomiarowego. 

Ruch wahadła fizycznego miał charakter gasnący w skutek oporów powietrza oraz tarcia, w związku 

z czym amplituda jego wychyleń malała. Mieliśmy więc do czynienia z ruchem tłumionym.