Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине ОДП. 12 фИЗИКА

ОДП.12 ФИЗИКА

Методические указания

по выполнению лабораторных работ

для специальностей

09.02.01 Компьютерные системы и комплексы

21.02.01 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта

Для студентов очной формы обучения

Отрадный, 2014

ОДОБРЕНА УТВЕРЖДЕНА

Цикловой комиссией ЕНЦ Методическим советом

Председатель ЦК ГБПОУ «ОНТ»

Председатель МС

__________Бердыева О.А. ____________Серёгина Л.Н.

протокол № 5 протокол № 2

« 10 » декабря 2014 года « 11 » декабря 2014 года

Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине

ОДП.12 Физика являются частью основной профессиональной образовательной программы ГБОУ СПО «ОНТ» по специальностям:

09.02.01 Компьютерные системы и комплексы,

21.02.01 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений,

23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта

в соответствии с требованиями ФГОС СПО третьего поколения.

Методические указания по выполнению лабораторных работ адресованы студентам

1 курса очной формы обучения.

Методические указания включают в себя учебную цель, перечень образовательных результатов, заявленных во ФГОС СПО третьего поколения, задачи, обеспеченность занятия, краткие теоретические и учебно - методические материалы по теме, вопросы для закрепления теоретического материала, задания для практических работ студентов и инструкцию по их выполнению, порядок и образец отчета о проделанной работе.

Составитель: преподаватель ГБПОУ «ОНТ» Денисова Т.А.

Рецензент: преподаватель ГБПОУ «ОНТ» Горбунова Н.А.

Содержание

Пояснительная записка…………………………………………………………………………3

Справочный материал 5

Знакомство с методами измерения и расчета абсолютной и относительной

погрешности прямых измерений. Прямое измерение……………………………………….7

Знакомство с методами измерения и расчета абсолютной и относительной

погрешности прямых измерений. Косвенное измерения …………………………………9

Лабораторная работа № 1. Изучение движения тела, брошенного горизонтально…… 10

Лабораторная работа № 2. Движение тела по окружности под действием силы

тяжести и упругости 13

Лабораторная работа № 3. Проверка закона сохранения энергии при действии сил тяжести и упругости. 16

Лабораторная работа № 4. Определение ускорения свободного падения

с помощью математического маятника. 18

Лабораторная работа № 5. Изучение изотермического процесса в газе. 20

Лабораторная работа № 6. Измерение удельной теплоёмкости вещества. . 22

Лабораторная работа № 7. Определение относительной влажности воздуха…………...24

Лабораторная работа № 8. Определение коэффициента натяжения жидкости 26

Лабораторная работа № 9. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления

источника тока. 28

Лабораторная работа № 10. Изучение законов последовательного

соединения проводников. 30

Лабораторная работа № 11. Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания от напряжения на её зажимах 32

Лабораторная работа № 12. Изучение явления электромагнитной индукции. 33

Лабораторная работа № 13. Изучение устройства и принципа работы

трансформатора. 36

Лабораторная работа № 14. Определение показателя преломления стекла. 37

Лабораторная работа № 15. Определение главного фокусного расстояния и

оптической силы линзы… ………………………………………………………………… 39

Лабораторная работа № 16. Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решётки. 41

Лабораторная работа № 17. Изучение взаимодействия частиц и ядерных

реакций (по фотографиям). 44

Список литературы 47

Пояснительная записка

Лабораторные задания разработаны в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины ОДП.12 Физика и предназначены для студентов очной формы обучения всех специальностей.

Цель проведения лабораторных работ: отработка и закрепление на практике умений и навыков, полученных на теоретических занятиях.

Лабораторные работы проводятся по разделам: «Механика», «Молекулярная физика», «Электродинамика», «Оптика», «Квантовая физика».

Лабораторные работы проводятся с применением оборудования, необходимого для выполнения цели работы, имеющегося в лаборатории физики. Методические указания для проведения лабораторных работ состоят:

- макет о ходе выполнения лабораторной работы;

- справочный материал по определению погрешности измерений;

- теоретическая часть, где систематизированы основные теоретические понятия необходимые для проведения работы;

- практическая часть, где сформулированы задания, которые необходимо выполнить в ходе работы;

- контрольные вопросы и задания;

- список литературы.

Для успешного выполнения лабораторной работы студент должен ознакомиться с теоретической частью, примерами и условиями выполнения заданий. По окончании лабораторной работы студент должен оформить отчёт о выполнении работы в соответствии с макетом. Время выполнения лабораторных работ определяется рабочей программой дисциплины и календарно-тематическим планом.

В ходе выполнения заданий, у обучающихся формируются практические умения и навыки обращения с различными приборами, установками, лабораторным оборудованием, аппаратурой, которые могут составлять часть профессиональной практической подготовки, а также исследовательские умения (наблюдать, сравнивать, анализировать, устанавливать зависимости, делать выводы и обобщения, самостоятельно вести исследование, оформлять результаты).

Особенностями методической разработки является формирование умения проводить физический эксперимент и формирования общих компетенций с опорой на стремление обучающихся к самоопределению, самореализации, самообразованию, профильную ориентацию и обязательный минимум содержания общего образования.

При оценке лабораторных работ учитываются умения:

• планировать проведение опыта;

• собирать установку по схеме;

• пользоваться измерительными приборами;

• проводить наблюдения, снимать показания измерительных приборов, составлять таблицы зависимости величин и строить графики;

• оценивать и вычислять погрешности измерений;

• составлять краткий отчет и делать выводы по проделанной работе.

Критерии оценок лабораторных работ:

Оценка «5» ставится в том случае, если обучающийся:

• выполнил работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений;

• самостоятельно и рационально смонтировал необходимое оборудование, все опыты провел в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов; соблюдал требования безопасности труда;

3

• в отчете правильно и аккуратно выполнял все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графика, вычисления;

• правильно выполнил анализ погрешностей.

Оценка «4» ставится в том случае, если были выполнены требования к оценке «5», но обучающийся допустил недочеты или негрубые ошибки.

Оценка «З» ставится, если результат выполненной части таков, что позволяет получить правильные выводы, но в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

Оценка «2» ставится, если результаты не позволяют сделать правильных выводов, если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Во всех случаях оценка снижается, если обучающийся не соблюдал требования безопасности труда.

4

Справочный материал

Как оформлять лабораторные работы

1. Лабораторная работа № …

2. Наименование работы.

3. Цель работы.

4. Приборы и материалы.

5. Чертеж или схема установки (если требуется).

6. Формулы искомых величин и их погрешностей.

7. Таблица с результатами измерений и вычислений погрешностей (если требуется).

8. Вычисления результатов.

9. Окончательный результат, вывод и прочее (согласно цели работы).

В выводе необходимо ответить на вопросы:

- что вы делали, в чём цель вашей работы;

- какие результаты вы ожидали получить;

- совпали ли результаты вашей работы с ожидаемыми.

Правила поведения и техника безопасности при выполнении

лабораторных работ по физике

Неаккуратность, невнимательность, недостаточное знакомство с приборами и

незнание правил техники безопасности могут повлечь за собой несчастные случаи.

1.Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите ее описание,

уясните ход ее выполнения.

2.Будьте внимательны, дисциплинированны, осторожны, точно выполняйте указания

преподавателя.

3.Не оставляйте рабочее место без разрешения преподавателя.

4.Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном преподавателем.

5.Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

6.Производите сборку электрических цепей, переключения в них, монтаж и ремонт

электрических устройств только при отключенном источнике питания.

7.Не включайте источники электропитания без разрешения преподавателя.

8.Проверяйте наличие напряжения на источнике питания или других частях электроустановки с помощью указателя напряжения.

9.Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов были наконечники, при сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно зажимайте клеммами. Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголенным проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением).

10.Не прикасайтесь к конденсаторам даже после отключения электрической цепи от источника электропитания: их сначала нужно разрядить.

11.По окончании работы отключите источники электропитания, после чего разберите электрическую цепь.

12.Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом преподавателю.

Как записать результат измерения

А = А_изм ± А

ε =…%

Как определять погрешности измерений

Выполнение лабораторных работ связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений.

Прямое измерение - определение значения физической величины непосредственно средствами измерения.

Косвенное измерение - определение значения физической величины по формуле, связывающей ее с другими физическими величинами, определяемыми прямыми измерениями.

Процесс любого измерения считается полностью завершенным, когда указаны абсолютная и относительная погрешности результата измерения.

Погрешности измерений в соответствии с причиной их возникновения классифицируются на случайные, систематические и промахи.

Результаты повторных измерений одной и той же величины, проведенных с одинаковой тщательностью и в одинаковых условиях, всегда несколько отличаются друг от друга. Нельзя обеспечить одинаковость условий при повторных испытаниях. Нельзя устранить трение в оси, влияние потоков воздуха, одновременность начатия всех опытов и т. д. Погрешности, возникающие из-за таких причин, называют случайными.

Погрешности, связанные с влиянием измерительных приборов на исследуемые процессы, называют систематическими.

Промах - погрешность, которая существенно превышает систематические и случайные погрешности. Причинами промахов обычно являются ошибки наблюдателя, неисправность средств измерений. Промах обычно возникает при проведении первого опыта.

Введем следующие обозначения:

А, В, С, …- физические величины.

А_изм- приближенное значение физической величины, т. е. значение, полученное путем прямых или косвенных измерений.

А - абсолютная погрешность измерения физической величины, показывает на сколько можно ошибиться при измерениях физической величины.

_- относительная погрешность измерения физической величины, равная _*100%, определяет качество измерения. Показывает, какую часть абсолютная погрешность составляет от измеренного результата.

_иА - абсолютная инструментальная погрешность, определяемая конструкцией прибора

(см. табл.1)

_оА - абсолютная погрешность отсчета (получающаяся от недостаточно точного отсчета показаний средств измерения). Она равна в большинстве случаев половине цены деления; при измерении времени - цене деления секундомера или часов.

6

Прямые измерения

Максимальная абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютной инструментальной погрешности и абсолютной погрешности отсчета при отсутствии других погрешностей:

ΔА= _иА+_оА (таблица 1).

=100%

Абсолютная погрешность измерения обычно округляют до одной значащей цифры

(А = 0,17 = 0,2); численное значение результата измерений округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности (А=10,332=10,3).

При выполнении школьных лабораторных работ необходимо определять максимальные погрешности измерения физических величин. При этом для получения результата достаточно одного измерения.

Абсолютные инструментальные погрешности средств измерений.

Таблица 1.

№ п/п

Средства измерений

Предел измерения

Цена деления

Абсолютная инструментальная погрешность

1

Линейка ученическая

до 50 см

1 мм

1 мм

2

Лента измерительная

до 150 см

0,1см

0,2 см

3

Измерительный цилиндр

до 250 см³

2 см³

2 см³

4

Штангенциркуль

до 150 мм

0,1 мм

0,05 мм

5

Микрометр

25 мм

0,01 мм

0,005 мм

6

Динамометр учебный

4 Н

0,1 Н

0,05 Н

7

Весы учебные

200 г

--

0,1 г

8

Секундомер

0- 30 мин

1 с

1 с за 30 мин

9

Барометр - анероид

720 - 780

мм рт. ст.

1 мм рт. ст.

3 мм рт. ст.

10

Термометр лабораторный

0 - 100⁰ С

1⁰С

1⁰С

11

Амперметр

2 А

0,1А

0,05А

12

Вольтметр

6В

0,2В

0,15В

Косвенные измерения

Относительная погрешность косвенных измерений определяется так, как показано в таблице 2.

Сначала определяется относительная погрешность используя табл.2, а затем определяется абсолютная погрешность косвенных измерений по формуле А = А_изм*

(ε выражается десятичной дробью).

7

Таблица 2.

№ п/п

Формула физической величины

Формула относительной погрешности

1

А=ВСD

=

2

А=

Та же что и выше

3

А=В±С

=

4

A = B*(C - D)

5

А=В^k_*С_*Dⁿ

=

6

Как сравнить полученный результат с табличным

Простейший способ оценки погрешности это сравнение результата с табличным:

= |Х_изм - Х_табл|, , это может служить простой оценкой качества измерения. А_таб

• •

А-ΔА А_изм А+ΔА

Как сравнивать результаты измерений.

А₁ = А₂

Записать результаты измерений в виде двойных неравенств, полученные интервалы указать на оси в одинаковом масштабе. Если интервалы не пересекаются, то результаты неодинаковы, если перекрываются - одинаковы при данной относительной погрешности измерений.

А₁-ΔА₁ А₁ А₁+Δ А₁

А₂ - ΔА₂ А₂ А₂+Δ А₂

Если при проверке законов оценку погрешностей провести трудно, то можно рассчитать отклонение отношения А₁/А₂ от 1. Тогда разность позволяет сделать заключение о качестве экспериментальной проверки равенства А₁ = А₂. Пример, изучение закона сохранения энергии дало результаты. Уменьшение потенциальной энергии Е_р=52 Дж, увеличение кинетической энергии Е_к=49 Дж.

8

Отношение Е_р/Е_к = 1,06. Вывод, экспериментальная проверка закона сохранения выполнена с относительной погрешностью 6%, =0,06, ε =6%.

Электроизмерительным приборам приписывают класс точности k, который позволяет найти абсолютную погрешность прибора: ΔА_{прибора}=

A_max - предел измерения прибора. Если указатель прибора совпадает со штрихом шкалы, то абсолютную погрешность считают равной абсолютной погрешности прибора.

Если указатель прибора не совпадает со штрихом шкалы, то за результат измерения принимается числовое значение, соответствующее ближайшему штриху прибора. Абсолютная погрешность при этом определяется суммой погрешности прибора и погрешности отсчета, которая не превосходит половины цены деления шкалы прибора.

ΔА= ΔА_{прибора}+ С/2 где С цена деления прибора.

Если появляются случайные погрешности, то для их нахождения измерения повторяют и за результат измерения принимают среднее арифметическое результатов отдельных измерений. Например, проведено n измерений и получены числовые значения х₁, х₂, х₃, …, х_n, то за результат измерений принимается:

Но и среднее арифметическое не совпадает с истинным значением измеряемой величины. Чтобы найти погрешность результата измерений, рассчитывают среднюю абсолютную погрешность:

.

максимальное значение абсолютной погрешности ΔА = ΔА_изм + ΔА_сл

А = А_ср ± (ΔА_изм + ΔА_сл)

Также при случайных погрешностях может определяться среднее квадратичное отклонение σ, которое при очень большом числе опытов может быть рассчитано по формуле Оно имеет следующий смысл: 68% результатов измерений находится в интервале [x_ср±σ], 95% в интервале [x_ср±2σ] и 99% в интервале [x_ср±3σ]. Поэтому применяют «правило 3σ», согласно которому граница случайной погрешности может быть принята равной 3σ. Вероятностный смысл этого состоит в следующем: если по результатам большого числа опытов определены х_ср и 3σ, то можно утверждать, что результат любого однократного измерения величины х в неизменных условиях будут принадлежать интервалу [x_ср±3σ].

9

Лабораторная работа № 1

Изучение движения тела, брошенного горизонтально

Цель работы: измерить начальную скорость тела, брошенного горизонтально.

Оборудование, средства измерения: 1) стальной шарик; 2) лоток дугообразный; 3) штатив лабораторный; 4) фанерная доска; 5) два листа белой бумаги; 6) копировальная бумага;

7) измерительная линейка.

Теоретическое обоснование:

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке. Шарик, начинающий движение в верхней части дугообразного лотка вылетает горизонтально в точке О с начальной скоростью v₀, пролетая вдоль вертикальной фанерной доски. Желоб закреплен в штативе так, что точка О находится на высоте h над горизонтальной фанерной доской, на которую падает шарик.

Для фиксации точки падения шарика на доску помещают лист белой бумаги, а сверху прикрепляют лист копировальной бумаги. Падение шарика на доску оставляет метку на белой бумаге.

Движение шарика, брошенного горизонтально с высоты h, происходит в вертикальной плоскости XY (X - горизонтальная ось, направленная вправо, Y - вертикальная ось, направленная вниз). За начало отсчета выбрана точка вылета шарика. (рис 2).

О V₀X 0 v₀l X

h

h

Y

l_срY

рис.1 рис. 2

По измеренным данным, высоте h и дальности полета l, можно найти время полета, и начальную скорость шарика и записать уравнение траектории движения y(x).

Для нахождения этих величин запишем закон движения шарика в координатной форме. Ускорение свободного падения g направлено вертикально вниз. По оси Х движение будет равномерным, а по оси Y - равноускоренным.

Следовательно, координаты (x,y) шарика в произвольный момент времени определяются уравнениями: (1)

, (2)

В точке падения шарика y = h, поэтому из уравнения (2) можно найти время его полета:

(3)

Координата х шарика в точке падения равна дальности полета шарика l, которая измеряется в работе линейкой. Из уравнения (1) легко найти начальную скорость шарика с учетом выражения (3). .

10

Порядок выполнения работы:

1. Соберите экспериментальную установку, установите высоту вылета шарика около h=196 мм. При измерении h линейкой с миллиметровыми делениями, можно принять, что максимальная погрешность Δh = 1 мм.

2. Запишите полученный результат высоты h_изм = h ± Δh

3. Вычислите время полета шарика по формуле (3). При этом g = 9,81 м/с².

t_n=

4. Для измерения дальности полета проведите пять пусков шарика из одной и тоже точки дугообразного лотка. Результаты измерений l_k (k = 1, …, 5) занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

Номер опыта, k

1

2

3

4

5

l_k, м

5. Вычислите среднюю дальность полета:

6. Найдите модуль отклонения каждого измерения от среднего арифметического значения |l_k - l_ср|. Запишите в таблицу 2.

Таблица 2.

Номер опыта, k

1

2

3

4

5

|l_k - l_ср|, м

7. Рассчитайте случайную погрешность:

8. Вычислите максимальную абсолютную погрешность: Δl = Δl_ср + Δl_пр =

где - максимальная абсолютная приборная погрешность при измерении линейкой с миллиметровыми делениями.

9. Запишите результат измерения дальности полета: l = l_ср ± Δl.

10. Вычислите начальную скорость шарика по формуле (4): _{0 ср}

11. Рассчитайте относительную погрешность косвенного измерения начальной скорости (см. табл. 2 справочного материала):

12. Найдите абсолютную погрешность косвенного измерения начальной скорости:

13. Запишите окончательный результат измерения начальной скорости шарика:

Дополнительное задание.

Сравните реальную траекторию шарика с расчетной.

1. Для получения расчетной траектории движения шарика, брошенного горизонтально, выразите время из уравнения (1): Подставляя его в уравнение (2), получите уравнение параболы:

2. Используя уравнения (1), (2) и зная найдите координаты шарика через каждые 0,05 с. Постройте расчетную траекторию движения на листе бумаги. Для удобства используйте таблицу 3, в которой координата уже подсчитана.

11

Таблица 3.

Вывод:

12

Лабораторная работа № 2

Движение тела по окружности под действием силы тяжести и упругости

Цель работы: проверить справедливость второго закона Ньютона для движения тела по окружности под действием нескольких сил.

Оборудование, средства измерения: 1) груз; 2) нить; 3) штатив с муфтой и кольцом; 4) лист бумаги; 5) измерительная лента; 6) часы с секундной стрелкой.

Теоретическое обоснование:

Экспериментальная установка состоит из груза, привязанного на нити к кольцу штатива. На столе под маятником располагают лист бумаги, на котором нарисована окружность радиусом 10 см. Центр окружности находится на вертикали под точкой подвеса маятника. При движении груза по окружности, изображенной на листе, нить описывает коническую поверхность. Поэтому такой маятник называют коническим.

К

h

X О R

Y

рис.1

1. Центростремительное ускорение а_nмаятника, направленное к точке О, создается одновременным действием на него силы тяжести mg и силы натяжения нити F_n . Второй закон Ньютона для движения груза в векторной форме имеет вид

(1) уравнение в проекциях на оси принимает вид

(Х) ma_n = F_n*Sin (2)

(Y) 0 = mg - F_n*Cos ,

где α- угол, образуемый нитью с вертикалью

Выразим F_n из последнего уравнения и подставим в уравнение (2). Тогда, a_n= g*tg (3)

Известно . Период можно определить, измерив время t, за которое маятник совершает N оборотов: T = t/N, из рисунка видно tg = R/h, h - расстояние от точки подвеса до центра окружности О, радиуса R. Собрав в одну формулу (3) получим

(4), формула (4) - прямое следствие второго закона Ньютона. Таким образом, первый способ проверки справедливости второго закона Ньютона сводится к экспериментальной проверке тождественности левой и правой части равенства.

2. Второй способ основан на непосредственном измерении равнодействующей силы

силы тяжести и силы натяжения :

Сила сообщает маятнику центростремительное ускорение а_n= F/m.

13

С учетом формул ускорения и периода второй закон Ньютона принимает вид:

(5), сила измеряется с помощью динамометра. Маятник оттягивают от положения равновесия на расстояние равное радиусу окружности R, и снимают показания динамометра. Масса груза считается известной.

K

h

О R

F рис.2

Следовательно, еще один способ проверки справедливости второго закона Ньютона, сводится к экспериментальной проверке тождественности левой и правой частей равенства (5). Так как у (4) и (5), левые части равенств равны, то можно сравнить выражения

Порядок выполнения работы:

1. Соберите экспериментальную установку по рис. 1, выбирая длину маятника

около 50 см.

2. На листе бумаги начертите окружность радиусом 10 см. (Погрешность измерения здесь R =0,2 см.)

3. Лист бумаги расположите так, чтобы центр окружности находился под точкой подвеса маятника по вертикали, чуть касаясь бумаги.

4. Измерьте расстояние h между точкой подвеса К и центром окружности О сантиметровой лентой: h =

При этом погрешность измерения: h = 1 см.

5. Приведите в движение конический маятник вдоль начерченной окружности с постоянной скоростью. Измерьте время t , в течение которого маятник совершает

N= 10 оборотов.

t = с.

Погрешность измерения времени можно принять равной: t = 1 с.

6. Вычислите центростремительное ускорение груза - левую часть равенства (4):

7. Рассчитайте абсолютную погрешности левой части равенства (4):

Л₄

8. Вычислите правую часть равенства (4): П₄=

9. Рассчитайте абсолютную погрешности правой части: П₄= П₄=

10. Запишите результат измерения правой и левой частей равенства:

Л₄= Л_4изм Л₄ П₄= П_4изм П_4.

11. Сравните полученные результаты (см. справочный материал), сделай вывод.

14

12. Оттяните маятник от положения равновесия на расстояние равное радиусу окружности R, и определите показания динамометра: F =

13. При этом погрешность измерения силы принимается равной цене деления динамометра: F=

14. Вычислите правую часть формулы (5). При этом масса груза равна:

m = m ±m =(100 0,5) г П₅= =

15. Рассчитайте абсолютную погрешности П₅ (смотри пункт 7):

П₅ = П₅=

16. Левые части равенств (4) и (5) равны, то: Л₄ = Л₅

17. Запишите результат измерения правой и левой частей равенства:

Л₅= Л_5изм Л₅ П₅= П_5изм П₅

18. Сравните полученные результаты (см. справочный материал), сделай вывод.

Вывод:

15

Лабораторная работа № 3

Проверка закона сохранения энергии при действии сил тяжести и упругости

Цель работы: измерить максимальную скорость тела, колеблющегося на пружине, с использованием закона сохранения энергии.

Оборудование, средства измерения: 1) динамометр; 2) штатив лабораторный; 3) груз массой 100 г - 2 шт.; 4) измерительная линейка.

Теоретическое обоснование:

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.

Динамометр укреплен вертикально в лапке штатива. При подвешивании к динамометру грузов растяжение пружины определяется положением указателя. При этом максимальное удлинение (или статическое смещение) пружины х₀ возникает тогда, когда сила упругости пружины с жесткостью k уравновешивает силу тяжести груза массой m: х₀= mg, (1) где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

Следовательно, (2)

Статическое смещение характеризует новое положение равновесия О' нижнего конца пружины (рис. 2).

Х

0

2 х₀

А

О'

А

1

рис.1 рис.2

Если груз оттянуть вниз на расстояние А от точки О' и отпустить в точке 1, то возникают периодические колебания груза. В точках 1 и 2, называемых точками поворота, груз останавливается, изменяя направление движения на противоположное. Поэтому в этих точках скорость груза равна 0.

Максимальной скоростью _max груз будет обладать в средней точке О'. На колеблющейся груз действуют две силы: постоянная сила тяжести mg и переменная сила х, Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести в произвольной точке с координатой х равна mgх. Потенциальная энергия деформированного тела соответственно равна

При этом за нуль отсчета потенциальной энергии для обеих сил принята точка х = 0, соответствующая положению указателя для нерастянутой пружины.

Полная механическая энергия груза в произвольной точке складывается из его потенциальной и кинетической энергии. Пренебрегая силами трения, воспользуемся

16

законом сохранения полной механической энергии.

Приравняем полную механическую энергию груза в точке 2 с координатой - (х₀ - А) и полную механическую энергию груза в точке О' с координатой (х₀):

(3).

Раскрывая и делая преобразования выражения (3), получаем формулу (4).

Тогда модуль максимальной скорости грузов (5).

Жесткость пружины можно найти, измерив статическое смещение х₀. Как следует из формулы (1) . Соответственно (7).

Порядок выполнения работы:

1. Соберите экспериментальную установку (см. рис. 1).

2. Измерьте линейкой статическое смещение пружины (новое положение равновесия нижнего конца пружины динамометра) при подвешивании груза: х₀ =

3. Абсолютная погрешность измерения статического смещения груза принимают равной цене деления шкалы линейки (в см): х₀ =

4. Оттяните груз вниз на 5 - 6 см от нового положения равновесия, это будет амплитуда колебания А. Измерьте амплитуду колебания: А =

5. Абсолютную погрешность измерения амплитуды колебаний А груза принимают равной цене деления шкалы линейки (в см): ΔА =

6. Рассчитайте модуль максимальной скорости колеблющегося груза по формуле:

=

7. Вычислите относительную погрешность: ε = =

8. Рассчитайте абсолютную погрешность измерения скорости:

Δ _max = =

9. Запишите окончательный результат измерения максимальной скорости груза в виде:

_max Δ _max

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Какие колебания совершает груз, подвешенный на пружине?

2. В каких единицах измеряется коэффициент жёсткости пружины?

3. Сформулируйте закон сохранения энергии.

17

Лабораторная работа № 4

Определение ускорения свободного падения с помощью

математического маятника

Цель: определить ускорение свободного падения с помощью математического маятника.

Оборудование, средства измерения: 1) штатив с держателем; 2) шарик с нитью; 3) пробка

с прорезью в боковой поверхности; 4) секундомер; 5) измерительная линейка;

6) штангенциркуль.

Теоретическое обоснование:

Для измерения ускорения свободного падения применяются маятниковые приборы. С их помощью удается измерить ускорение свободного падения с абсолютной погрешностью порядка 10^-5м/с².

В работе используется простейший маятник - шарик на нити. Если отклонить маятник от точки О в точку А, т.е. от положения равновесия, на угол и отпустить, то он будет колебаться (рис.1). Маятник совершит полное колебание, если он из точки А перейдёт в точку В и вернётся обратно. Время полного колебания называют периодом.

Рис. 1

При малых размерах шарика по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях (5⁰-10⁰) от положения равновесия период колебаний равен периоду колебаний математического маятника:

Из формулы видно, что период колебаний математического маятника не зависит от массы подвешенного груза и амплитуды колебаний.

Для увеличения точности измерения периода нужно измерить время t достаточно большого числа n полных колебаний маятника. Тогда период:

и ускорение свободного падения может быть вычислено по формуле:

Порядок выполнения работы:

1. Поместите штатив с держателем на край стола.

2. Укрепите свободный конец шарика в прорези и зажать в держателе.

3. Измерьте диаметр шарика штангенциркулем: d_{ш =}

длину нити линейкой: ₁ =

4. Отклоните шарик на небольшой угол (5-10⁰) (примерно на 5 см) и отпустить. По секундомеру определить время, t₁= с, за которое маятник совершит n полных колебаний, например, 50.

18

5. Вычислите период колебаний математического маятника:

6. Используя формулу периода колебаний математического маятника
   , вычислите ускорение свободного падения:
   , где l= l_н + d_ш/ 2.

7. Опыт повторите 2 раза, меняя длину маятника (протягивая нить через пробку) и число полных колебаний его.

t₂₌

n₂₌

T₂₌

l_н2=

l₂₌

g₂₌

8. Определите среднее значение:
   

9. Сравните результаты опыта с табличным значением ускорения свободного падения для данной географической широты g_т= 9,816 м/с².

10. Найдите относительную погрешность:
    

11. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

№

Длина нити

Диаметр шарика

Длина маятника

Число полных колебаний

Время полных колебаний

Период полного колебания

Ускорение свободного падения

Среднее значение ускорения свободного падения

Относительная погрешность

l_н

d_ш

l

n

t

T

g

g_ср

м

м

м

с

с

м/с²

м/с²

%

1.

2.

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Подтвердил ваш эксперимент теоретически предсказанную зависимость частоты колебаний математического маятника от его длины?

2. Будет ли верным выражение: для определения частоты колебаний маятника при больших углах отклонения от положения равновесия?

3. Чему равно ускорение свободного падения?

4. Где находят применение маятники?

19

Лабораторная работа № 5

Изучение изотермического процесса в газе

Цель работы: экспериментально проверить закон Бойля-Мариотта путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.

Оборудование, средства измерения: 1) прибор для изучения газовых законов; 2) барометр; 3) штатив лабораторный; 4) полоска миллиметровой бумаги размером 300х10 мм;

5) измерительная линейка.

Теоретическое обоснование:

Закон Бойля-Мариотта определяет взаимосвязь давления и объема газа данной массы при постоянной температуре газа. Чтобы убедиться в справедливости этого закона или равенства р₁V₁= р₂V₂, (1) достаточно измерить давление p₁ , p₂ газа и его объема V₁, V₂ в начальном и конечном состоянии соответственно. Увеличение точности проверки закона достигается, если вычесть из обеих частей равенства (1) произведение p₂V₁. Тогда формула (1) будет иметь вид: V₁(p₂ - p₁) = p₂(V₁ - V₂), (2)

или (3)

Прибор для изучения газовых законов состоит из двух стеклянных трубок 1 и 2 длиной 50 см, соединенных друг с другом резиновым шлангом 3 длиной 1 м, пластинки с зажимами 4 размером 300х50х8 мм и пробки 5 (рис. 1, а). К пластинке 4 между стеклянными трубками прикреплена полоска миллиметровой бумаги. Трубку 2 снимают с основания прибора, опускают вниз и укрепляют в лапке штатива 6. Резиновый шланг заполнен водой. Атмосферное давление p_а измеряется барометром в мм рт.ст. При фиксации подвижной трубки в начальном положении (рис.1, б) цилиндрический объем газа в неподвижной трубке 1 может быть найден по формуле: V₁=Sl₁ (4),

где S - площадь поперечного сечения трубки 1. Начальное давление p₁ газа в ней, выраженное в мм рт. ст., складывается из атмосферного давления и давления столба воды высотой h₁ в трубке 2: мм рт. ст., (5) где - разность уровней воды в трубках (в мм).

В формуле (5) учтено, что плотность воды в 13,6 раза меньше плотности ртути. При подъеме вверх трубка 2 и фиксации ее в конечном положении (рис. 1, в) объем V₂ газа в

20

трубке 1 уменьшается: V₂=Sl₂ (6), где l₂ длина воздушного столба в неподвижной трубке 1. Конечное давление p₂ газа находится по формуле: мм рт. ст. (7)

Подстановка начальных (p₁,V₁) и конечных (p₂,V₂) параметров газа в формуле (3) позволяет представить закон Бойля-Мариотта в виде: (8)

Таким образом, проверка справедливости закона Бойля-Мариотта сводится к экспериментальной проверке тождественности левой Л₈ и правой П₈ частей равенства (8).

Порядок выполнения работы:

1. Соберите экспериментальную установку.

2. Подвижную трубку 2 опустите вниз и укрепите в лапке штатива.

3. Откройте пробку 5 в неподвижной трубке.

4. В трубки, соединенные резиновым шлангом, наливайте воду, пока не сравняются ее уровни около нижнего конца неподвижной трубки1 и верхнего конца подвижной трубки 2.

5. Неподвижную трубку закройте пробкой, поднимите подвижную трубку и зафиксируйте ее.

6. Измерьте длину l₁ воздушного столба в неподвижной трубке 1: l₁=

Абсолютную погрешность измерения длины l₁ можно принять равной: l₁=2 мм.

7. Измерьте разность уровней h₁ воды в трубках: h₁=

Абсолютную погрешность h₁ можно принять равной: h₁=2 мм.

8. Поднимите еще выше подвижную трубку 2 и зафиксируйте её (см. рис. 1, в).

9. Повторите измерения длины столба воздуха в трубке 1 и разности уровней воды в трубках. Запишите результаты измерений:

l₂=

l₂=2 мм),

h₂=

h₂=2 мм).

10. Измерьте атмосферное давлениеp_a барометром: p_a=

Абсолютную погрешность p_a принимают равной: p_a=3 мм рт. ст.

11. Вычислить левую часть Л₈ равенства (8): Л₈ ==

12. Рассчитайте абсолютную погрешность Л_8: Л₈ = Л₈=

13. Вычислите правую часть П₈ равенства (8): П₈=

14. Рассчитайте абсолютную погрешность П_8: П₈ = П₈=

15. Найдите модуль разности и сравните его с суммой абсолютных погрешностей

16. Выполнение неравенства < доказывает справедливость закона Бойля-Мариотта.

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. При каких условиях справедлив закон Бойля-Мариотта?

2. Объясните закон для изотермического процесса, пользуясь молекулярно-кинетической теорией.

21

Лабораторная работа № 6

Измерение удельной теплоемкости вещества

Цель работы: определить удельную теплоемкость металла.

Оборудование, средства измерения: 1) калориметр с водой; 2) чайник (один на класс);

3) цилиндр металлический на нити; 4) проволочный крючок для удаления цилиндра из чайника; 5) бумага фильтровальная; 6) весы с гирями; 7) термометр.

Теоретическое обоснование:

Необходимое оборудование представлено на рисунке 1.

Рис. 1

В калориметр массой налита вода массой при температуре . Из чайника с кипящей водой достают металлический цилиндр массой , имеющий температуру , и погружают его в калориметр. Когда температура воды в калориметре перестанет повышаться, измеряют термометром её значение .

Количество теплоты , отданное металлическим цилиндром при остывании до температуры равно:

, (1)

где - удельная теплоемкость вещества цилиндра.

Количество теплоты , полученное калориметром и водой при нагревании до температуры , равно:

, (2)

где - удельная теплоемкость металла, из которого сделан калориметр, - удельная теплоемкость воды.

При теплообмене количество теплоты, отданное нагретым телом (металлическим цилиндром), равно количеству теплоты, полученному холодными телами (калориметром и водой):

,

или . (3)

Из уравнения теплового баланса можно найти неизвестную удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр:

(4)

Порядок выполнения работы:

1. В чайник с водой поместите цилиндр, изготовленный из металла с неизвестной удельной теплоёмкостью. Воду в чайнике нагрейте до кипения.

22

2. Определите на весах массу внутреннего сосуда калориметра:

3. Налейте в калориметр воду (менее половины объема) и определите массу калориметра с водой:

4. Определите массу воды в калориметре:

5. Собрав калориметр, измерьте начальную температуру воды термометром:

6. Из чайника с кипящей водой достаньте проволочным крючком металлический цилиндр при температуре, близкой , и быстро перенесите его в калориметр.

7. Измерьте температуру воды при установлении теплового баланса, т.е. когда температура воды перестанет повышаться:

8. Выньте металлический цилиндр из воды и, осушив фильтровальной бумагой, определите его массу:

9. Вычислите удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр, по формуле:

10. Абсолютные погрешности измерения масс определяются массой минимальной разновески при взвешивании. Из-за выполнения неравенств погрешностями при измерении масс можно пренебречь. Поэтому относительную погрешность при косвенном измерении удельной теплоемкости можно представить выражением:

.

При измерении жидкостным термометром можно считать, что

.

Тогда относительная погрешность измерения удельной теплоемкости:

11. Рассчитайте абсолютную погрешность измерения удельной теплоемкости:

12. Окончательный результат измерения удельной теплоемкости представьте в виде:

Вывод:

23

Лабораторная работа № 7

Определение относительной влажности воздуха

Цель: определить относительную влажность воздуха при помощи психрометра.

Оборудование, средства измерения: 1) психрометр; 2) психрометрическая таблица.

Теоретическое обоснование:

Количество водяных паров в воздухе характеризуют его абсолютную влажность - величина, показывающую, какая масса паров воды находится в 1 м³ воздуха. Кроме абсолютной влажности необходимо знать и степень насыщения воздуха паром. Она характеризуется его относительной влажностью - величиной, равной отношению абсолютной влажности _а к количеству _н водяного пара в 1 м³, насыщающего воздуха при данной температуре, и выраженной в процентах:

,

где _а -плотность водяных паров в воздухе, а _н - плотность насыщающих паров при температуре воздуха.

Если воздух не содержит паров воды, то его абсолютная и относительная влажность равна нулю.

Абсолютную влажность воздуха можно определить по точке росы. Точке росы соответствует температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. Значения _а для разных температур даются в справочной таблице. Таким образом, зная точку росы и температуру воздуха и взяв из таблиц значения _а и _н можно определить .

Влажность воздуха определяют с помощью психрометра. Он состоит из двух термометров, резервуар одного из них обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода, поднимаясь по капиллярам марли, смачивает резервуар термометра. Если воздух не насыщен водяным паром, то вода с марли испаряется, охлаждая термометр, поэтому, термометр с влажным резервуаром покажет более низкую температуру, чем термометр с сухим резервуаром. Чем суше воздух, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. По этой разности из психометрических таблиц определяют относительную влажность воздуха. Если воздух насыщен водяным паром, то показания термометров будут одинаковыми, относительная влажность составит 100%.

Порядок выполнения работы:

1. Рассмотрите психрометр и определите, где сухой и влажный термометры.

2. Определите температуру сухого термометра:

t_сух= (⁰С)

3. Определите температуру влажного термометра:

t_влаж= (⁰С)

4. Рассчитайте разность показаний сухого и влажного термометров в градусах:

Δt = t_сух - t_влаж(⁰С)

5. Внимательно посмотрите на психрометрическую таблицу. В первом вертикальном столбце найдите показания вашего сухого термометра, в первой горизонтальной строке найдите вашу разность показаний сухого и влажного термометров. То число, которое находится на пересечении столбца и строки и является значением влажности воздуха

φ = (%)

24

6. Определить абсолютную влажность воздуха _а из формулы:

, где _н - плотность насыщенного пара при температуре (данные таблицы).

7. Определить точку росы t_р по значению абсолютной влажности _а с помощью таблицы.

8. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

Показания

сухого

термометра

Показания

влажного

термометра

Разность термометров

Относительная влажность

Абсолютная влажность

Точка росы

t⁰_сух

t⁰_влаж

t⁰

, %

_а, кг/м³

t⁰_р

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Определение абсолютной и относительной влажности воздуха.

2. Объясните испарение жидкостей с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

3. Значение влажности воздуха для жизнедеятельности организма.

4. В комнате объёмом 150 м³ при температуре 25 ⁰С содержится 2,07 кг водяных паров. Определите абсолютную и относительную влажность воздуха.

25

Лабораторная работа № 8

Определение коэффициента натяжения жидкости

Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения.

Оборудование, средства измерения: 1) пипетка; 2) бюкса; 3) стаканчик; 4) весы с разновесом; 5) микрометр; 6) стакан с испытуемой жидкостью.

Теоретическое обоснование:

В этой работе коэффициент поверхностного натяжения жидкости определяется методом отрыва капель. Такой метод называется сталагмометрическим (от греческих слов stalagma - капля и metron - мера). Жидкость, медленно вытекающая из узкого кончика пипетки, образует у нижнего отверстия каплю, которая перед отрывом принимает грушевидную форму. Отрыв капли от кончика происходит в тот момент, когда сила тяжести, действующая на каплю, станет равной равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих на границе соприкосновения отрывающейся капли с кончиком пипетки: Fтяж = Fпов.натяж. Измерив радиус «шейки» капли в момент ее отрыва, а также массу оторвавшейся капли, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения жидкости: mg = σ 2 πr , где m - масса одной капли, g - ускорение свободного падения, σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, а 2 πr - длина окружности шейки капли в момент отрыва. Отсюда: .

Обычно диаметр шейки капли принимают примерно равным диаметру отверстия нижнего кончика пипетки. Внешний диаметр этого отверстия измеряют штангенциркулем или микрометром, а для измерения его внутреннего диаметра кроме этих измерительных приборов используют маленький клинышек.

Описанный способ экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения дает хорошие результаты, несмотря на то, что в действительности отрыв капли происходит не совсем так, как описано выше. При внимательном наблюдении за поведением отрывающихся капель можно заметить, что на самом деле капля не отрывается по линии окружности шейки. В тот момент, когда масса капли достигает значения, определяемого равенством силы тяжести и сил поверхностного натяжения, ее шейка начинает быстро сужаться, как это показано на рис.1(г), причем обычно вслед за отрывающейся каплей сразу образуется еще одна маленькая капелька, как это показано на рис.1 (д).

Рис.1

26

Порядок проведения работы:

1. Взвесьте бюксу с крышкой: m₁.

2. Измерьте внутренний диаметр стеклянной трубки d_тр. При измерении применить следующий прием: вставить в канал трубки стержень обработанный «на конус», измерить её диаметр в отмеченном месте.

3. Вычислите диаметр шейки капли по формуле: d_ш.к.= 0,9^.d_тр

4. Накапайте из пипетки в бюксу 150-100 капель испытуемой жидкости.

5. Взвесьте бюксу с каплями воды: m₂.

6. Определите массу капель: m₂ и m₁; разность: m₂-m₁ и массу одной капли: m = .

7. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения: ^.g

8. Определите относительную погрешность: δ =^. 100%.

σ_т = 0,072 , g = 9,816

9. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

Масса

Число капель

Масса одной капли

Внутренний диаметр трубки

Диаметр шейки капли

Коэффициент поверхностного натяжения

Погрешность

Пустой бюксы

Бюксы с жидкостью

Всех капель

m₁

m₂

m₂-m₁

d_тр

d_ш.к

δ

кг

кг

кг

кг

м

м

Н/м

%

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Увеличив скорость падения капель, выяснить, как повлияет это на массу капли.

2. Какова зависимость величины коэффициента поверхностного натяжения от температуры исследуемой жидкости? Повторить опыт, в качестве жидкости использовать воду температурой 60 - 70 ⁰С.

3. Для какой жидкости (вода, мыльный раствор) коэффициент поверхностного натяжения больше, и почему?

4. Почему поверхностный слой создает давление на жидкость?

27

Лабораторная работа № 9

Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока

Цель: определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование, средства измерения: 1) источник тока; 2) амперметр; 3) вольтметр;

4) ключ; 5) набор проводников; 6) реостат.

Теоретическое обоснование:

При разомкнутом ключе ЭДС источника тока равна напряжению на внешней цепи. В эксперименте источник тока замкнут на вольтметр, сопротивление которого должно быть много больше внутреннего сопротивления источника тока r.

Внутреннее сопротивление источника тока можно измерить косвенно, сняв показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе. Действительно, из закона Ома для замкнутой цепи получаем ε=U +Ir, где U = IR- напряжение на внешней цепи, - ЭДС источника тока, r - внутреннее сопротивление источника, I - сила тока. Поэтому

r_пр =

Порядок проведения работы:

1. Соберите цепь как показано на рисунке:

2. Начертите в тетради схему работы.

3. При разомкнутой цепи вольтметр, подключенный к полюсам источника, показывает U, следовательно, значение ЭДС источника ε.

4. При замыкании ключа, меняя сопротивление ползунком реостата от наименьшего до наибольшего значения тока, измерьте силу тока I и напряжение U.

5. Из закона Ома для полной цепи следует: ε=U +I r

6. Решая систему уравнений

находим:

2. Подставив в уравнение = U₁ + I₁r₁ значения U₁, I_1, r₁ найдите :

3. Из уравнения = U₂ + I₂r₂ найдите и вычислите.

4. Найдите среднее значение:
   

10.Найдите относительную погрешность:

11. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

28

№

Напряжение

Сила тока

ЭДС

Внутреннее сопротивление

Относительная погрешность

U(B)

I(A)

ε(B)

(Ом)

(%)

1

2

3

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».

2. Определите внутреннее сопротивление источника тока с ЭДС 1,2 В, если при внешнем сопротивлении 5 Ом сила тока в цепи 0,2 А.

3. При подключении лампочки к батарее элементов с ЭДС 4,5 В вольтметр показал напряжение на лампочке 4 В, а амперметр - силу тока 0,25 А. Каково внутреннее сопротивление батареи?

4. При питании лампочки от элемента с ЭДС 1,5 В сила тока в цепи равна 0,2 А. Найдите работу сторонних сил в элементе за 1 мин.

29

Лабораторная работа № 10

Изучение законов последовательного соединения проводников

Цель: экспериментально изучить законы последовательного соединения проводников.
Оборудование, средства измерения: 1) источник тока; 2) 3 амперметра; 3) 3 вольтметра;

4) ключ; 5) набор проводников; 6) 2 реостата.

Теоретическое обоснование:

Электрическая цепь обычно состоит не из одного потребителя энергии, а из нескольких, определенным образом соединенных между собой.

Сила тока при последовательном соединении проводников в любых частях цепи одинакова и та же: I = I₁ = I₂ .

Это следует из того, что заряд, проходящий через любое поперечное сечение проводника за 1 с, один и тот же. Он нигде не накапливается.

Соединяя проводники последовательно, мы как бы увеличиваем длину проводника, поэтому при последовательном соединении общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников: R = R₁ + R₂.

Напряжение связано с сопротивлением участка цепи и силой тока по закону Ома:

R = , R₁ = , R₂ = .

Подставив эти равенства в выражение для общего сопротивления и умножив обе части равенства на силу тока, получим: U = U₁ + U₂.

Полное напряжение в цепи в выражении при последовательном соединении проводников равно сумме напряжений на отдельных участках цепи.

Напряжение на проводниках и их сопротивления при последовательном соединении связаны соотношением: = .

Порядок проведения работы:

1. Расположите на столе приборы в соответствии со схемой.

2. Соберите цепь по схеме, соблюдая полярность подключаемых приборов:

3. Измерьте силу тока в различных участках цепи амперметрами.

4. Измерьте напряжение на всем участке цепи и на отдельных участках.

5. Вычислите по результатам измерений сопротивление всего участка и отдельных участков: ; ; .

30

6. Сравните сопротивления всего участка цепи с суммой сопротивления проводников: и R = R₁ + R₂

7. Сравните напряжение на участке двух проводников U с суммой напряжения:

U=

8. Повторите опыт, изменив реостатом силу тока в цепи.

9. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

№

I₁

I₂

I

U

R

A

A

A

B

B

B

Ом

Ом

Ом

1

2

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Что такое электрическая цепь?

2. Сформулируйте и докажите законы последовательного соединения проводников.

3. Почему лампы в квартире соединяют параллельно, а в ёлочных гирляндах - последовательно?

31

Лабораторная работа № 11

Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания от напряжения на её зажимах

Цель: исследовать зависимость мощности, потребляемой лампой накаливания от напряжения на её зажимах.

Оборудование, средства измерения: 1) источник тока; 2) реостат; 3) осветитель с лампой; 4) амперметр; 5) вольтметр; 6) ключ; 7) соединительные провода.

Теоретическое обоснование:

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Мощность тока равна отношению работы тока за время t к этому интервалу времени. Согласно этому определению: Р = = IU.

Это выражение для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи: Р = IU = I²R = .

На большинстве приборов указана потребляемая ими мощность.

Порядок проведения работы:

1. Соберите цепь как показано на рисунке.

2. Начертите в тетради схему работы.

3. Замкнуть цепь и при помощи реостата установите наименьшее значение напряжения. Запишите показания амперметра и вольтметра. Поступать так, пока не будет достигнуто номинальное напряжение в нашем опыте 12 В.

4. Для каждого значения напряжения подсчитайте мощность, потребляемую лампой по формуле: P= U I

5. Для каждого значения подсчитайте сопротивление нити лампы: R= .

6. Постройте графики зависимости: а) мощности от напряжения;

б) сопротивления от напряжения.

7. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

№ опыта

Напряжение

Сила тока

Мощность

Сопротивление

U(В)

I (А)

P (Вт)

R (Ом)

1

Вывод:

Контрольные вопросы:

1.Как зависит количество теплоты, выделяемой в нити лампы от силы тока?

2.Чем спираль стоваттной лампы накаливания отличается от спирали? 32

Лабораторная работа №12

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: доказать экспериментально правило Ленца, определяющее направление тока при электромагнитной индукции.

Оборудование, средства измерения: 1) дугообразный магнит; 2) катушка-моток;

3) миллиамперметр; 4) полосовой магнит.

Теоретическое обоснование:

Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС электромагнитной индукции

Для определения знака ЭДС индукции (и соответственно направления индукционного тока) в контуре это направление сравнивается с выбранным направлением обхода контура.

Направление индукционного тока считается положительным, если оно совпадает с выбранным направлением обхода контура, и считается отрицательным, если оно противоположно выбранному направлению обхода контура. Воспользуемся законом Фарадея-Максвелла для определения направления индукционного тока в круговом проволочном витке площадью предположим, что в начальный момент времени индукция магнитного поля в области витка равна нулю (рис.1, а). В следующий момент времени виток перемещается в область магнитного поля, индукция которого направлена перпендикулярно плоскости витка к нам (рис.1, б).

За направление обхода контура выберем направление по часовой стрелке. По правилу буравчика вектор площади контура будет направлен от нас перпендикулярно площади контура.

Магнитный поток , пронизывающий контур в начальном положении витка, равна нулю ():

Магнитный поток в конечном положении витка

Изменение магнитного потока в единицу времени Значит, ЭДС индукции, согласно формуле (1), будет положительной:

Это означает, что индукционный ток в контуре будет направлен по часовой стрелке. Соответственно, согласно правилу буравчика, для контурных токов, собственная индукция на оси такого витка будет направлена против индукции внешнего магнитного поля (рис.1,б).

Согласно правилу Ленца, индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Индукционный ток наблюдается и при усилении внешнего магнитного поля в плоскости витка без его перемещения. Например, при вдвигании полосового магнита в виток возрастает внешнее магнитное поле и магнитный поток, его пронизывающий.

33

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2. Дугообразный магнит вдвигают северным полюсом в катушку-моток, присоединенную к миллиамперметру. Направление и величину индукционного тока в катушке определяют по знаку и величине отклонения стрелки миллиамперметра.

Результаты данного эксперимента фиксируются в таблице 1. Здесь -показания миллиамперметра, которые считаются положительными при отклонении стрелки вправо.

Таблица 1.

Направление обхода контура

(знак)

I_i

(напр.)

I_A

+

+15 мА

Порядок выполнения работы:

1. Катушку-моток 2 (см. рис. 3) подключите к зажимам миллиамперметра.

2. Северный полюс дугообразного магнита внесите в катушку вдоль её оси. В последующих опытах полюса магнита перемещайте с одной и той же стороны катушки, положение которой не изменяется.

3. Удалите из катушки северный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 2.

4. Внесите в катушку южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 3.

5. Удалите из катушки южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 4.

34

Таблица 2.

Направление обхода контура

(В₂ В₁)

Ф₁

Ф₂

(знак)

(напр.)

Таблица 3.

Направление обхода контура

(В₂ В₁)

Ф₁

Ф₂

(знак)

(напр.)

Таблица 4.

Направление обхода контура

(В₂ В₁)

Ф₁

Ф₂

(знак)

(напр.)

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Напишите условие возникновение ЭДС индукции.

2. Может ли возникнуть ЭДС индукции в проводнике, если он перемещается вдоль силовых линий индукции?

3. Как читается правило Ленца? Как пользоваться правилом Ленца?

4. В чём отличие силы Ампера от силы Лоренца?

5. На чем основано действие электродвигателей и ряда электроизмерительных приборов?

35

Лабораторная работа № 13

Изучение устройства и принципа работы трансформатора

Цель: изучить устройство и принцип работы трансформатора.

Оборудование: 1) лабораторный трансформатор; 2) лампочка; 3) соединительные проводники.

Теоретическое обоснование:

При передаче электроэнергии от электростанций к потребителям часть энергии теряется за счёт нагревания проводов. Снизить эти потери можно, уменьшая силу тока в линиях передач. Существует множество других ситуаций, когда необходимо изменить силу тока и напряжение. В этих случаях используют трансформатор.

Действие трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции.

Порядок выполнения работы:

1. Опишите устройство трансформатора.

2. На основе опыта опишите принцип работы трансформатора

а) холостой ход

б) работу трансформатора с нагрузкой.

К

Контрольные вопросы:

1. Трансформатор включен в сеть с напряжением 120 В. Первичная обмотка содержит 300 витков. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка, чтобы напряжение на ее концах было 6, 4 В?

2. Почему с увеличением нагрузки во вторичной цепи (уменьшением сопротивления) автоматически возрастает потребляемая трансформатором мощность от сети?

36

Лабораторная работа № 14

Определение показателя преломления стекла

Цель: Определить показатель преломления стекла.

Оборудование: 1) стеклянная пластинка с двумя параллельными гранями; 2) транспортир;

3) линейка; 4) иголки.

Теоретическое обоснование:

В работе измеряется показатель преломления стеклянной пластины, имеющей форму трапеции.

Показатель преломления стекла относительно воздуха определяется по формуле:

,

где - угол падения; - угол преломления, n - показатель преломления второй среды относительно первой.

Порядок выполнения работы:

1. На середину листа бумаги положить плашмя пластинку. Расположить так, чтобы глаз находился на уровне стола.

2. Обвести параллельные грани пластинки.

3. Вколоть иголку у параллельной грани, а другую немного дальше под углом меньше 90⁰ к грани.

4. Глядя через пластинку, вколоть иголку по другую сторону пластинки около грани, а другую немного дальше так, чтобы все 4 иголки были на одной линии.

5. Снять пластинку и иголку, и провести лучи через первую и вторую иголки - падающий луч, через первую и третью, четвёртую - вышедший луч.

6. В точке падения луча провести перпендикуляр к грани пластинки.

7. Измерить углы падения и преломления , и вычислите коэффициент преломления стекла:

8. Повторите опыт, измените величину угла падения луча. Вычислите искомый коэффициент преломления стекла.

9. Определите абсолютную и относительную погрешность по формуле:

10. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

№ опыта

Угол падения,

Угол преломления,

n

n_ср

, %

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. Какую физическую величину называют абсолютным показателем преломления? Что она характеризует?

37

2. В каком случае угол преломления равен углу падения?

3. Как изменится скорость распространения света при переходе вакуума в среду с показателем преломления n=2?

4. Солнечный свет падает на поверхность воды в сосуде. Определите угол преломления 42⁰.

5. Определите предельный угол полного отражения:

а) для воды; б) для стекла.

38

Лабораторная работа № 15

Определение главного фокусного расстояния и оптической силы линзы

Цель: определить главное фокусное расстояние и оптическую силу линзы.

Оборудование: 1) собирательная линза; 2) электрическая лампа на подставке; 3) источник электроэнергии; 4) линейка; 5) экран белый.

Теоретическое обоснование:

Простейший способ измерения оптической силы и фокусного расстояния линзы основан на использовании формулы линзы:

D = + или + =

Если на выпуклую (собирающую) линзу, находящуюся в воздухе, направить пучок света параллельно главной оптической оси, то пучок соберётся в точке F - главном фокусе линзы.

Расстояние от оптического центра О до главного фокуса линзы называют фокусным расстоянием линзы. Необходимо измерить это расстояние.

Порядок выполнения работы:

1. Установите источник света, линзу и экран.

2. Перемещайте источник света и линзу до тех пор, пока на экране получится чёткое изображение нити лампы. (Увеличенное или уменьшенное).

3. Измерьте в обоих случаях расстояние от источника света до линзы d и от экрана до линзы f с точностью до 1 мм.

4. Вычислите главное фокусное расстояние линзы F, пользуясь формулой собирательной линзы.

5. По найденному главному фокусному расстоянию линзы, выраженному в метрах, определите оптическую силу линзы D.

6. Постройте увеличенное изображение предмета.

7. Дайте определение главному фокусному расстоянию и оптической силе линзы.

8. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

Изображение

Фокусн.

расстоян.

среднее

значение

Оптич.

сила

линзы

Относит.

погршн.

Увеличенное

Уменьшенное

Расстояние

Главное фокусное расстояние

Расстояние

Главное

фокусное

расстояние

от осветит.

от экрана

от осветит.

от экрана

d

f

F

d

f

F

F_ср

D

см

см

м

см

см

м

м

дптр

%

Вывод:

39

Контрольные вопросы:

1. Найдите оптическую силу и фокусное расстояние собирающей линзы, если изображение предмета, помещенного на расстоянии 15 см от линзы, получается на расстоянии 30 см от неё. Рассмотрите случаи, когда изображение:

а) действительное; б) мнимое.

2. На каком расстоянии перед рассеивающей линзой с оптической силой 2 дптр надо поставить предмет, чтобы иго изображение получилось на середине расстояния между линзой и её фокусом?

3. Определите высоту изображения предмета, если высота предмета равна 10 см, а увеличение линзы - 6.

40

Лабораторная работа № 16

Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Цель: измерить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Оборудование: 1) прибор для измерения длины световой волны.

Теоретическое обоснование:

На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки, которая представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Ширина прозрачных щелей равна а, а ширина непрозрачных щелей равна b.

а + b = d, d - период дифракционной решетки.

Рассмотрим элементарную теорию дифракционной решетки. Пусть на решетку падает плоская монохроматическая волна длиной λ.
Вторичные источники в щелях создают световые волны, распространяющиеся по всем направлениям.

Найдем условие, при котором идущие от щелей волны усиливают друг друга. Рассмотрим для этого волны, распространяющиеся в направлении, определяемом углом φ. Если на отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливать друг друга.

Максимумы будут наблюдаться под углом φ, определяемым условием

d sinφ =k λ

Нужно иметь в виду, что при выполнении данного условия усиливаются волны, идущие от всех других точек щелей. Каждой точке в первой щели соответствует точка во второй щели, находящаяся от первой точки на расстоянии d. Поэтому разность хода испущенных этими точками вторичных волн равна kλ, и эти волны взаимно усиливаются.
За решеткой помещают собирающую линзу и за ней экран на фокусном расстоянии от линзы. Линза фокусирует лучи, идущие параллельно, в одной точке, В этой точке происходит сложение волн и их взаимное усиление. Углы φ, удовлетворяющие условию, определяют положение максимумов на экране.

Так как положение максимумов (кроме центрального, соответствующего k = 0) зависит от длины волны, то решетка разлагает белый свет в спектр (спектры второго и третьего порядков перекрываются). Чем больше λ, тем дальше располагается тот или иной максимум, соответствующий данной длине волны, от центрального максимума. Каждому значению соответствует свой спектр. Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко очерчены максимумы и тем более широкими минимумами они разделены. Световая энергия, падающая на решетку, перераспределяется ею так, что большая ее часть приходится на максимумы, а в минимумы попадает незначительная часть энергии.
С помощью дифракционной решетки можно проводить очень точные измерения длины волны. Если период решетки известен, то определение длины волны сводится к измерению угла φ, соответствующего направлению на максимум.

d sin φ =k λ

λ = , т.к. углы малы, то sin φ = tg φ

Порядок выполнения работы:

1. Внимательно изучите дифракционную решетку.

2. В соответствии с рисунком соберите измерительную установку.

41

3. Вставить дифракционную решетку в рамку на продольной линейки прибора.

4. Экран со шкалой установить на конце продольной линейки прибора.

5. Смотря на источник света через дифракционную решетку, расположить прибор так, чтобы прорезь экрана была видна нить накала лампы или другой источник света.

6. Перемещение экрана со шкалой по продольной линейке добиться на экране наиболее четкого расположения спектров первог8о порядка.

7. Отсчитайте по шкале до середины красной части спектра А_К.

8. Отсчитайте по шкале до середины жёлтой части спектра А_ж.

9. Отсчитайте по шкале до середины фиолетовой части спектра А_ф.

10. Измерьте расстояние от решетки до экрана .

11. Из формулы = dsin принимаем tg = sin = A/, = l, получаются значения длин волн _к = dA_к/, _ж = dA_ж/, _ф = dA_ф /.

12. Определите абсолютную и относительную погрешности.

d = 0,01 мм, А = 0,5 мм, мм

ВГ = dA + 0,5/ - 1, НГ= dA - 0,5/ + 1, ср = ВГ + НГ/2, = ВГ - НГ/2,

= /_ср 100%

13. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

Постоянная решетки

Расстояние от решетки до экрана

Красная часть спектра

Желтая часть спектр

Фиолетовая часть спектра

Смещение

Длина волны

Погрешность

Смещение

Длина волны

Погрешность

Смещение

Длина волны

Погрешность

d

А_к

_к

А_ж

_ж

А_ф

_ф

мм

мм

мм

мм

%

мм

мм

%

мм

мм

%

Вывод:

42

Контрольные вопросы:

1. Чем спектры, полученные при помощи дифракционных решеток с 50 и до 100 штрихами на миллиметр, отличаются друг от друга?

2. Какое значение имеют ширина и число щелей дифракционной решетки?

3. Найти длину волны монохроматического света, падающего на решетку с периодом 30 мкм, если угол отклонения спектра третьего порядка равен 4⁰.

4. При помощи дифракционной решетки с периодом 0,02 мм получаем первый дифракционный максимум на расстоянии 3,6 см от центрального максимума и на расстоянии 1,8 м от решетки. Найдите длину световой волны.

43

Лабораторная работа № 17

Изучение взаимодействия частиц и ядерных реакций (по фотографиям)

Цель работы: проанализировать фотографии треков заряженных частиц, движущихся в магнитном поле и участвующих в ядерных реакциях.

Оборудование, средства измерения: 1) фотография трека заряженных частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, 2) фотография треков частиц при реакции взаимодействия а - частиц с ядром атома азота.

Теоретическое обоснование:

Для изучения взаимодействия элементарных частиц, для регистрации ядерных реакций и измерения физических величин, характеризующих состояние частиц, в них участвующих, используют камеру Вильсона.

Эта камера заполнена перенасыщенными парами воды и этилового спирта. Такие пары легко конденсируются в виде маленьких капелек на ионах, образующих при полете быстрых частиц. Водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта - на положительных, вдоль всего пути частицы возникает трек - тонкий след из капелек, благодаря чему ее траектория движения становится видимой. Треки частиц фотографируют при дополнительной подсветке паров в камере Вильсона.

Толщина трека зависит от величины заряда частиц.

Чем больше заряд пролетающей частицы, тем больше ионов образуется при ее пролете, а следовательно, тем больше толщина трека частицы.

Длина трека зависит от энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем медленнее она расходует энергию на ионизацию паров, тем длиннее трек частицы.

Часть I.

На фотографии (рис. 1), сделанной в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, изображены траектории двух заряженных частиц.

Трек I на фотографии принадлежит протону, трек II - частице, которую надо идентифицировать. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии. Линии индукции внешнего магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии.

Идентификация неизвестной частицы с зарядом q и массой m осуществляется путем

44

сравнения ее удельного заряда с удельным зарядом протона . Под действием силы Лоренца заряженная частица движется по окружности радиусом . Согласно второму закону Ньютона:

=, или m= qvB,

где В - индукция внешнего магнитного поля.

Тогда

Для протона аналогично:

Отношение удельных зарядов обратно пропорционально отношению радиусов треков:

Для измерения радиуса кривизны трека вычерчивают две хорды и восставляют к ним перпендикуляры из центров хорд (рис.2). Центр окружности лежит не пересечении этих перпендикуляров. Ее радиус измеряют линейкой.

Часть II.

По фотографии (рис.3), сделанной в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, изучают ядерную реакцию взаимодействия α-частиц с атомом азота, впервые осуществленную в 1919 г. Э. Резерфордом.

В результате реакции образуется протон и частица Массовое число и зарядовое число этой частицы можно найти из законов сохранения электрического и баринного заряда.

Порядок выполнения работы:

1. Определите знак электрического заряда неизвестной частицы на фотографии см.рис.1 ________________________________________________________________________

2. Укажите на фотографии направление вектора магнитной индукции

3. Измерьте радиус трека неизвестной частицы на фотографии.

=

4. Измерьте радиус трека неизвестной частицы на фотографии.

=

5. Сравните удельные заряды неизвестной частицы и протона.
   =

6. Идентифицируйте заряженную частицу.

Вывод:

Контрольные вопросы:

1. При естественном радиоактивном распаде энергия -частиц и -частиц почти одинакова. Почему же в камере Вильсона треки -частиц короткие , а треки -частиц

45

настолько длинные, что полностью не вмещаются в камере?

2. Почему концы треков -частиц не прямолинейны?

46

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. Учебник для 10 класса. М. Просвещение, 2012.- 366 с.

2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. Учебник для 11 класса. М. Просвещение, 2012.- 399 с.

3. Касьянов В.А. Физика. Учебник для 10 класса. М.: Дрофа, 2013. - 416 с.

4. Касьянов В.А., Коровин В.А., Физика: Тетрадь для лабораторных работ 11 класс.-

М.: Дрофа, 2013.-455 с.

5. Касьянов В.А., Коровин В.А., Физика: Тетрадь для лабораторных работ 10 класс.-

М.: Дрофа, 2011.

6. Дмитриева В.Ф. Учебное пособие для техникумов. М.: Высшая школа, 2004.- 415 с.

7. Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы.-М.: Просвещение, 1991.-367 с.

8. Ландау Л.Д. Физика для всех. -М.: Государственное издательство физико-матема-

тической литературы, 1974.-392 с.

47