v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Wahadła fizyczne, wybór osi i pomiary bezwładności · 1 min czytania

Cztery odczyty stopera: wyznacz g i promień bezwładności

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Dla tej samej bryły zebrano następujące dane ćwiczeniowe. t₂₀ oznacza czas 20 pełnych okresów; h jest odległością od środka masy do jednej z równoległych osi zawieszenia. Amplitudy są małe.

h (m)t₂₀ (s)
0,10028,36
0,20025,36
0,30026,40
0,40028,36

Oblicz T, X = h² i Y = T²h. Dopasuj prostą Y = aX + b zwykłą metodą najmniejszych kwadratów, a następnie wyznacz g oraz k. Nie wymuszaj przejścia prostej przez początek. Jest to ćwiczenie rachunkowe z zadanych liczb; nie wyznaczaj niepewności prawdziwego pomiaru wyłącznie z ich rozrzutu.

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Po podzieleniu czasów przez 20 oblicz nowe współrzędne. Możesz użyć a=\sum(X_i-\overline X)(Y_i-\overline Y)/\sum(X_i-\overline X)^2 oraz b=\overline Y-a\overline X. Zachowaj cyfry robocze przy podnoszeniu T do kwadratu.

Rozwiązanie

1. Przekształcamy każdy odczyt

Okres jest równy t₂₀/20. Nie podnosimy całego czasu 20 drgań do kwadratu zamiast T²: dałoby to czynnik 400 w Y. Wyniki robocze są następujące:

T (s)X (m²)Y (m·s²)
1,4180,01000,2010724
1,2680,04000,3215648
1,3200,09000,5227200
1,4180,16000,8042896

2. Dopasowanie z wyrazem wolnym

Średnia X wynosi 0,0750 m². Podstawienie do wzorów z podpowiedzi daje a\approx4{,}02178\ \mathrm{s^2/m} oraz b\approx0{,}160778\ \mathrm{m\,s^2}. Małe odchylenia punktów od prostej wynikają już z zaokrągleń podanych czasów. Nie są wystarczającą podstawą do deklarowania dokładności laboratoryjnej.

3. Interpretacja parametrów

g=\frac{4\pi^2}{a}\approx9{,}816\ \mathrm{m/s^2},\qquad k=\sqrt{\frac ba}\approx0{,}19994\ \mathrm m.

Rozsądne zaokrąglenie wyników tego ćwiczenia to g ≈ 9,82 m/s² i k ≈ 0,200 m. Jednostka b/a jest m². Nie można brać pierwiastka z samego b i nazywać wyniku długością.

4. Kontrola fizyczna

Dwa skrajne h dają takie samo T, a ich iloczyn 0,100 · 0,400 = 0,0400 m² jest bliski wyznaczonemu k². To niezależna kontrola interpretacji. Dodatni wyraz wolny zgadza się z niezerowym momentem centralnym. Wymuszenie b = 0 nie byłoby „uproszczeniem regresji”, lecz zastąpieniem bryły modelem punktowym. W rzeczywistym doświadczeniu analiza niepewności musi ponadto uwzględniać błędy h w obu współrzędnych i wspólne wyznaczenie C.

Powiązana teoria

Zmierz g wahadłem fizycznym: dlaczego wykreślamy T²h względem h²?

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Od okresu do prostego wykresu

Najpierw przewiduj: Zapisz T i h dla trzech zawieszeń. Oblicz T²h i h²: dlaczego te punkty układają się na prostej? To przewidywania modelu, nie pomiary.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Ruch uruchamiasz samodzielnie. Esc zatrzymuje animację; suwaki i przycisk „Jeden krok” pozwalają oglądać kolejne chwile bez odtwarzania.

Linearyzacja pomiarów wahadła: T²h w funkcji h².
Linearyzacja pomiarów wahadła: T²h w funkcji h². Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

Pręt o długości 1 m, zawieszony na końcu: h = 0,5 m, I/m = 1/3 m². Przy g = 9,81 m/s² okres wynosi około 1,638 s.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Przy małych wychyleniach T=2\pi\sqrt{\frac{I_{\rm cm}/m+h^2}{gh}}. Dla pręta Icm/m = L²/12, dysku R²/2, a cienkiej obręczy R². Oś pozostaje w obrębie bryły. Suwak położenia osi podaje ułamek maksymalnego h: L/2 dla pręta oraz R dla koła. Nie jest bezpośrednio odległością w metrach.

Wykres pokazuje T(h). Minimum wypada przy h = √(Icm/m). Zbliżanie osi do środka masy osłabia moment siły przywracającej; dla h → 0 okres rośnie bez ograniczenia. Sam punkt h = 0 nie opisuje takiego wahadła i nie jest dostępny. Animacja używa amplitudy 10°, przybliżenia małych kątów i stałego g = 9,81 m/s². Pomija tarcie, podatność zawieszenia oraz opory powietrza.

Dodatkowo T²h = (4π²/g)h² + (4π²/g)(Icm/m). Podane pod wykresem wartości pozwalają zbudować prostą na papierze. Masa skraca się tylko wtedy, gdy porównujesz tę samą geometrię rozkładu masy.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.