ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ

ВОРОНЕЖКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

«СЕМИЛУКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Г.Е. Яшина

Методические указания по организации и проведению

лабораторных занятий по физике

(лабораторный практикум)

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТЯМ:

19.02.10 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОДУКЦИИ ОБЩЕСТВЕННОГО ПИТАНИЯ

15.02.01 МОНТАЖ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ (ПО ОТРАСЛЯМ)

13.02.11 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ (ПО ОТРАСЛЯМ)

18.02.05 ПРОИЗВОДСТВО ТУГОПЛАВКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И СИЛИКАТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

СЕМИЛУКИ

2014

Рекомендовано методическим советом

ГОБУ СПО ВО «СГТЭК»

Автор-составитель: Г.Е. Яшина

Методические указания по организации и проведению лабораторных занятий являются частью учебно-методического комплекса для освоения дисциплины Физика, разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине Физика, составленной на основе Федерального компонента государственного стандарта среднего (полного) образования базовый уровень, приказ Минобразования России от 05.03. 2004 г. № 1089 «Об утверждении Федерального компонента государственных образовательных стандартов начального общего, основного общего среднего (полного) общего образования».

Методические указания по организации и проведению лабораторных занятий

по дисциплине Физика представляют собой лабораторный практикум для обучающихся специальностей: 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 18.02.05 Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий, 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 19.02.10 Технология продукции общественного питания, ориентированный на использование современных физических приборов, электронного учебника «Открытая физика»

Г.Е.Яшина, 2014 г.

ГОБУ СПО ВО «СГТЭК»

Содержание

Введение 4

Раздел 1. Общие положения 6

Раздел 2. Методические указания по проведению лабораторных занятий репродуктивным методом

Лабораторное занятие № 1 «Изучение движения тела по окружности под действием силы тяжести и упругости» ……………………………………………………………………………………..... 9

Лабораторное занятие № 2 «Изучение одного из изопроцессов -закона Бойля-Мариотта»……. 12

Лабораторное занятие №3 «Определение относительной влажности воздуха»………………… 14

Лабораторное занятие №4 «Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости»…………………………………………………………………………………………… 16

Лабораторное занятие №5 «Определение модуля упругости (модуля Юнга) резины»………. 20

Лабораторное занятие №6 «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии»………………………………………………………………………. 20

Лабораторная работа №7.«Определение ускорения свободного падения с помощью маятника» 24

Лабораторное занятие №8 «Изучение устройства и работы трансформатора»………………… 26

Лабораторное занятие №9 « Измерение показателя преломления стекла»…………………………….. 28

Лабораторное занятие №10 «Наблюдение интерференции и дифракции света»…………….. 31

Лабораторное занятие №11 «Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки»……………………………………………………………………………………………. 34

Лабораторное занятие №12 « Определение удельной теплоёмкости вещества»………………... 36

Лабораторное занятие №13 «Определение удельного сопротивления проводника»…………... 40

Лабораторное занятие №14 «Изучение электрических свойств полупроводников»………….... 42

Лабораторное занятие №15 «Определение электрической емкости конденсатора»…………… 44

Лабораторное занятие №16 «Изучение последовательного и параллельного соединения проводников»………………………………………………………………………………………. 47

Лабораторное занятие №17 «Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания, от напряжения на ее зажимах»…………………………………………………….. 49

Лабораторное занятие№18 «Изучение явления электромагнитной индукции»………………... 51

Лабораторное занятие №19 «Изучение явления фотоэффекта»…………………………………. 57

Лабораторное занятие №19* «Изучение явления фотоэффекта»………………………………… 59

Лабораторное занятие №20 «Наблюдение сплошного и линейчатого спектров»……………… 62

Лабораторное занятие №20* «Наблюдение спектров испускания и поглощения атома водорода» 65

Лабораторное занятие №21 «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»... 68

Раздел 3. Методические указания по проведению лабораторных занятий поисковым методом…………………………………………………………………………………………………. 72

Дидактическая игра- Лабораторное занятие «Измерение относительной влажности воздуха»…...72

Дидактическая игра -Лабораторное занятие «Изучение изопроцессов»…………………… 74

Оформление отчета при выполнении и проведении лабораторных занятий поисковым методом…………………. 80 Литература……………………………………………………………………………………………….82

Введение

Основное назначение методических указаний - оказать помощь обучающимся в подготовке и проведении лабораторных занятий, а также облегчить работу преподавателя по организации и проведению лабораторных занятий.

Систематическое и аккуратное выполнение всей совокупности лабораторных занятий позволит обучающимся овладеть умениями самостоятельно ставить физические опыты, фиксировать свои наблюдения и измерения, анализировать их делать выводы в целях дальнейшего использования полученных знаний и умений.

Лабораторные занятия являются эффективным средством активизации и мотивации обучения физике, способствуют применению различных методов и приемов обучения для формирования у обучающихся системы прочных знаний, интеллектуальных и практических умений и навыков, помогают развитию мышления обучающихся, так как побуждают к выполнению умственных операций: анализу, синтезу, сравнению, обобщению и др.

Лабораторные и практические занятия (ЛПР) - основные виды учебных занятий, направленные на экспериментальное подтверждение теоретических положений и формирование учебных и профессиональных практических умений

Целями выполнения и проведения лабораторных занятий является:

• обобщение, систематизация, углубление, закрепление полученных теоретических знаний по конкретным темам дисциплины;

• формирование умений применять полученные знания на практике, реализация единства интеллектуальной и практической деятельности;

• развитие интеллектуальных умений у будущих специалистов; аналитических, проектировочных, конструктивных и др.

• выработку при решении поставленных задач таких профессионально значимых качеств, как самостоятельность, ответственность, точность, творческая инициатива.

В пособии содержатся методические рекомендации по выполнению и проведению лабораторных занятий, репродуктивным и поисковым методом, выполняемых с использованием электронного учебника «Открытая физика».

При выполнении работ, носящих репродуктивный характер, обучающиеся пользуются подробными инструкциями, в которых указаны цель , пояснение (теория, основные характеристики), оборудование, материалы и их характеристики, порядок выполнения заданий , таблицы, выводы, контрольные вопросы, учебная литература.

Задания, носящие частично-поисковый характер, отличаются тем, что при их выполнении обучающиеся не пользуются подробными инструкциями, им не задан порядок выполнения необходимых действий, от обучающихся требуется самостоятельный подбор оборудования, выбор способов выполнения задания, инструктивной и справочной литературы.

Задания, носящие поисковый характер, отличаются тем, что обучающиеся решают для них новую проблему, опираясь на имеющиеся у них знания.

Лабораторные занятия составлены по разделам курса общей физики согласно разработанной рабочей программе и выполняются на типовом лабораторном оборудовании в некоторых случаях с использованием электронного учебника «Открытая физика», что позволяет вести обучение физике на экспериментальной основе.

Лабораторные занятия №19^* и №20^* по квантовой физике даны в двух вариантах : выполнение на лабораторном оборудовании или по электронному учебнику «Открытая физика». Для этих работ представлены компьютерные эксперименты: анимация, графика, численные эксперименты. Изменяя параметры и наблюдая результат компьютерного эксперимента, обучающийся может провести интерактивные физические исследования и выполнить творческое задание, выполнение компьютерных экспериментов дает более глубокое понимание физических законов.

Раздел 1. Общие положения

Для более эффективного выполнения и проведения лабораторных занятий необходимо повторить соответствующий теоретический материал, а на занятиях, прежде всего, внимательно ознакомиться с содержанием и оборудованием.

В ходе выполнения задания необходимо строго соблюдать правила по технике безопасности; все измерения производить с максимальной тщательностью; для вычислений использовать микрокалькулятор.

После выполненных заданий каждый обучающийся составляет отчет по следующей схеме:

1. дата, наименование и номер занятия ;

2. перечень оборудования;

3. схема или зарисовка установки;

4. запись цены деления шкалы измерительного прибора;

5. таблица результатов измерений и вычислений заполняется по ходу выполнения заданий;

6. расчетная формула, обработка результатов измерений и определение относительной погрешности;

7. вывод

Небрежное оформление отчета, исправление уже написанного недопустимо. В конце занятия преподаватель ставит зачет, который складывается из результатов наблюдения за выполнением практической части, проверки отчета, беседы в ходе выполнения задания и в конце выполнения. Все лабораторные задания должны быть выполнены и защищены в сроки, определяемые программой и календарно-тематическим планом преподавателя. Обучающиеся, не получившие зачет, к экзамену не допускаются.

Критерии оценок

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

а) выполнил лабораторное задание в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений;

б) самостоятельно и рационально выбрал и подготовил для опыта все необходимое оборудование, все опыты провел в условиях и режимах, обеспечивающих получение результатов и выводов с наибольшей точностью;

в) в представленном отчете правильно и аккуратно выполнил все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления и сделал выводы;

г) правильно выполнил анализ погрешностей;

д) соблюдал требования безопасности труда.

Оценка «4» ставится в том случае, если выполнены требования к оценке 5, но:

а) опыт проводился в условиях, не обеспечивающих достаточной точности измерений;

б) или было допущено два-три недочета, или не более одной негрубой ошибки и одного недочета.

Оценка «3» ставится, если задание выполнено не полностью, но объем выполненной части таков, что можно сделать выводы, или если в ходе проведения опыта и измерений были допущены следующие ошибки:

а) опыт проводился в нерациональных условиях, что привело к получению результатов с большей погрешностью,

б) или в отчете были допущены в общей сложности не более двух ошибок ( в записях единиц, измерениях, в вычислениях, графиках, таблицах, схемах, анализе погрешностей и т.д.), не принципиального для данной работы характера, не повлиявших на результат выполнения,

в) или не выполнен совсем или выполнен неверно анализ погрешностей,

г) или работа выполнена не полностью, однако объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы по основным, принципиально важным задачам работы.

Оценка «2» ставится в том случае, если:

а) работа выполнена не полностью, и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильные выводы,

б) или опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно,

в) или в ходе работы и в отчете обнаружились в совокупности все недостатки, отмеченные в требованиях к оценке «3».

В тех случаях, когда обучающийся показал оригинальный и наиболее рациональный подход к выполнению задания, но не избежал тех или иных недостатков, оценка за выполнения задания по усмотрению преподавателя может быть повышена по сравнению с указанными выше нормами.

Правила выполнения и проведения лабораторных занятий

0. Прежде чем начать работу внимательно прочитайте порядок её выполнения.

1. Проверьте наличие всех приборов, необходимых для проведения лабораторных работ

2. Выполняя работу, будьте внимательны и аккуратны.

3. Самое главное - строго соблюдайте правила техники безопасности при проведении опытов, поэтому внимательно следуйте инструкциям.

4. Вы обязаны выполнять весь объём домашнего задания, указанный в методических рекомендациях по выполнению и проведению лабораторных занятий.

5. После выполнения заданий, студент должен представить отчёт о проделанной работе с обсуждением полученных результатов, теории и выводов.

Правила техники безопасности

0. Будьте внимательны, дисциплинированы, осторожны: точно выполняйте указания преподавателя.

1. Не оставляйте рабочего места без разрешения преподавателя.

2. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.

3. Производите сборку электрических цепей, переключений в них, монтаж и ремонт электрических устройств только при отключении источника питания.

4. Не включайте источники электропитания без разрешения преподавателя.

5. Проверьте наличие напряжения на источнике питания или других частях электроустановки с помощью указателя напряжения.

6. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна. И на концах проводов были наконечники: при сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно закрепляйте клеймами.

7. Выполняйте, наблюдения и измерения соблюдая, осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголённым проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением).

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

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

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

11. Студенты, не ознакомившиеся с инструкциями по технике безопасности к лабораторных занятиям не допускаются.

Раздел 2. Методические указания по выполнению и проведению лабораторных занятий репродуктивным методом

Лабораторное занятие № 1

Изучение движения тела по окружности под действием силы тяжести и упругости.

Цель занятия: Изучить движение тела по окружности и определить его основные характеристики: частоту, период, скорость и центростремительное ускорение

Оборудование:

нить, штатива, груз, на весы лист бумаги с начерченной на нем окружностью радиусом

15-20 см.

Основные теоретические положения

Движения тела по окружности или дуге окружности довольно часто встречается в природе и технике. Приблизительно по окружности движется Луна вокруг земли ; каждая точка земной поверхности движется по окружности вокруг земной оси ; дуги окружности описывают различные точки самолета во время виража, автомобиля при повороте, поезда на закруглении дорого и т.д.

Равномерное движение тела по окружности, это такое движение, при котором скорость и ускорение не меняется по модулю, а изменяются лишь по направлению.

Поэтому ускорение точки при её равномерном движении по окружности называют центростремительным.

Так как в процессе движения точки по окружности ускорение все время направлено по радиусу к центру, то оно непрерывно изменяется по направлению.

Следовательно, равномерное движение точки по окружности является движением с переменным ускорением и переменной скоростью. Отметим, что модули скорости и ускорения при этом остаются постоянным.

Порядок выполнения заданий

I Подготовительный этап

На рисунке схематически показаны качели, известные под названием «гигантские шаги». Найдите центростремительную силу, радиус, ускорение и скорость обращения человека на качелях вокруг столба. Длина веревки равна 5 м, масса человека равна 70 кг. Столб и веревка при обращении образуют угол 30⁰. Определите период, если частота обращения качелей равна 15 мин^-1.

Подсказка: На тело, обращающееся по окружности, действуют сила тяжести и сила упругости веревки. Их равнодействующая сообщает телу центростремительное ускорение.

Результаты расчетов внесите в таблицу:

Время обращения, с

Число оборотов

Период обращения, с

Радиус обращения, м

Масса тела, кг

центростремительная сила, Н

скорость обращения, м/с

центростремительное ускорение, м/с²

II. Основной этап

Приборы и материалы:

1. Перед опытом подвешивают на нити к лапке штатива груз, предварительно взвешенный на весах.

2. Под висящим грузом положите лист бумаги с начерченной на нем окружностью радиусом 15-20 см. Центр окружности расположите на отвесной линии, проходящей через точку подвеса маятника.

3. У точки подвеса нить берут двумя пальцами и аккуратно приводят маятник во вращательное движение, так чтобы радиус вращения маятника совпадал с радиусом нарисованной окружности.

4. Приведите маятник во вращение и подсчитывая число оборотов замерьте время, за которое эти обороты произошли.

5. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

6. Равнодействующая силы тяжести и силы упругости, найденная в ходе эксперимента, рассчитывается из параметров кругового движения груза.

С другой стороны, центростремительную силу можно определить из пропорции

Здесь масса и радиус уже известны из предыдущих измерений и, чтобы определить центробежную силу вторым способом надо измерить высоту точки подвеса над вращающимся шариком. Для этого оттягивают шарик на расстояние, равное радиусу вращения и измеряют расстояние по вертикали от шарика до точки подвеса.

7. Сравните результаты, полученные двумя разными способами и сделайте вывод.

III Контрольный этап

При отсутствии в домашних условиях весов цель и оборудование может быть изменено.

Цель : измерение линейной скорости и центростремительного ускорения при равномерном движении по окружности

Приборы и материалы:

1.Возьмите иголку с двойной ниткой длиной 20-30 см. Острие иголки воткните в ластик, маленькую луковицу или пластилиновый шарик, и вы получите маятник.

2. Поднимите свой маятник за свободный конец нити над листом бумаги, лежащим на столе, и приведите его в равномерное вращение по окружности, изображенной на листе бумаги. Измерьте радиус окружности, по которой движется маятник.

3.Добейтесь устойчивого вращения шарика по заданной траектории и по часам с секундной стрелкой зафиксируйте время для 30 оборотов маятника. По известным формулам рассчитайте модули линейной скорости и центростремительного ускорения.

5.Составьте для записи результатов таблицу и заполните ее.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение периода , частоты, амплитуды.

2. Каким образом можно определить равнодействующую силу тяжести и силу упругости, используя результаты эксперимента

3. Дайте определение центростремительного ускорения.

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 17 ; с. 43-45

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008., §1.4 с.16-19

Лабораторное занятие № 2

Изучение одного из изопроцессов -закона Бойля-Мариотта

Цель занятия: проверить зависимость между объемом , давлением и температурой для массы газа, проверить закон Бойля-Мариотта.

Оборудование: прибор для изучения газовых законов, барометр, термометр, сосуды с холодной и горячей водой вместимостью 6-7 л (общие для всех), испытуемый газ - воздух.

Основные теоретические положения

Изотермический процесс. Процесс изменения состояния системы макроскопических тел (термодинамической системы) при постоянной температуре называют изотермическим. Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системы - термостатом. Иначе при сжатии или расширении температура газа будет меняться. Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса.

Согласно уравнению состояние идеального газа в любом состоянии с неизменной температуры произведение давления газа на его объем остается постоянным:

рV=const при T= const

Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно.

Закон Бойля - Мариотта справедлив обычно для любых газов, а так же и для их смесей, например для воздуха. Лишь при давлениях в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становится существенным.

Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре графически изображают кривой, которую называют изотермой. Изотерма газа изображает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объемом. Кривую такого рода в математике называют гиперболой.

Различным постоянным температурам соответствуют различные изотермы. При повышении температуры газа давление согласно уравнению состояние увеличивается, если V=const. Поэтому изотерма, соответствующая более высокой температуре Т_2, лежит выше изотермы, соответствующей более низкой температуре Т₁.

Для того чтобы процесс происходил при постоянной температуре, сжатие или расширение газа должно происходить очень медленно. Дело в том , что, например, при сжатие газ нагревается, так как при движении поршня в сосуде скорость молекул после ударов о поршень увеличивается, а следовательно, увеличивается и температура газа. Именно поэтому для реализации изотермического процесса надо после небольшого смещения поршня подождать, когда температура газа в сосуде станет равной температуре окружающего воздуха.

Порядок выполнения заданий

рис. 1

Состояние данной массы газа характеризуется тремя величинами (параметрами) : объемом -V, давлением -Р и термодинамической температурой -Т. В природе и технике, как правило, происходят изменения всех величин одновременно, но при этом соблюдается закономерность, выраженная уравнением состоянием газа:

Р V = соnst , при т = соnst

Т

Для данной массы газа произведение объема на давление, деленное на термодинамическую температуру, есть величина постоянная.

Проверить эту зависимость экспериментально можно, используя прибор для изучения газовых законов. Прибор состоит из металлического гофрированного цилиндра переменного объема (сифона), манометра и резинового шланга- (рис.1) Прикрепленная к сифону демонстрационная шкала позволяет измерить объем воздуха в цилиндре в условных единицах.

1. Определить цену деления шкалы манометра.

2. Собрать установку по рис. 1

3. Открыть у манометра краны 5 и 6, вращением винта 7 установить верхнюю крышку цилиндра против пятого деления демонстрационной шкалы, после чего кран 6 закрыть.

4. Снять показания прибора и данные занести в табл.1

5. Перенести сифон в сосуд с холодной водой и с помощью винта изменить объем воздуха. Через 2-3-мин наступит тепловое равновесие, т.е. температура воды и воздуха (в сифоне) станут одинаковыми.

6. Снять показания приборов и данные записать в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Номер опыта

Показание барометра р₀ Па

Показание манометра Δр_0, Па

Давление воздуха в сифоне, Па фоне р, Па

Объем воздуха V, м³

Показания термометра Т,К

Постоянная

р V = С

Т

Па . м³\К

Среднее значение постоянной С_ср, Па . м₃ \К

Относительная погрешность

7. Повторить опыт с горячей водой и данные записать в табл.2.

8. Вычислить постоянную С для каждого опыта.

9. Сравнить результаты измерений и сделать вывод.

10. Определить среднее значение постоянной С и найти относительную погрешность методом среднего арифметического.

Методические рекомендации:

1. Цилиндр изготовлен из тонкой фольги, поэтому не следует допускать при работе резких движений сифона, не следует слишком сжимать и растягивать его.

2. Цилиндр следует помещать в воду так, чтобы она покрыла его верхнюю крышку

3. По шкале манометра определяется разность давлений воздуха атмосферного и находящегося в сифоне.

4. Поскольку манометр измеряется давлением газа в атмосферах , а барометр - в мм рт. ст., пересчитать единицы давления в Паскалях , учитывая, что 1 мм. рт.ст. = 133 Па, 1 атм= 10⁵ Па.

Контрольные вопросы

1. Почему в данной работе объем воздуха можно выражать в условных единицах?

2. Изменится ли найденное значение С, если опыт проводить с другой массой газа?

3. Какие причины влияют на точность определения постоянной С ?

4. Что означает нулевое деление шкалы манометра?

5. Выделить объем исследуемого газа в кубических метрах, учитывая, что диаметр сильфона равен 100 мм, а расстояние между двумя соседними делениями шкалы прибора - 15 мм.

Литература: Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 68,69 ; с. 183-191

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008., § 4.7-с.103 -10

Лабораторное занятие № 3

Определение относительной влажности воздуха

Цель занятия : научиться определять относительную влажность воздуха с помощью специального прибора - психрометра.

Оборудование: психрометр, химический стакан с водой, вата, термометр, психрометрическая таблица, таблица зависимостей давлений р и плотностей ρ насыщенных паров от температуры.

Основные теоретические положения

Водяной пар в атмосфере. Водяной пар в воздухе, несмотря на огромные поверхности океанов, морей, озер и рек, далеко не всегда является насыщенным. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в других, на оборот, преобладает конденсация. Но в воздухе практически всегда имеется некоторое количество водяного пара.

Содержание водяного пара в воздухе, т.е. его влажность, можно характиризовать несколькими величинами.

Плотность водяного пара в воздухе называется абсолютной влажностью. Абсолютная влажность измеряется, следовательно, в килограммах на метр кубический (кг/м³)

Парциальное давление водяного пара. Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нем тела. Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давление водяного пара. Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления - паскалях или миллиметрах ртутного столба.

Атмосферное давление определяется суммой парциальных давлений компонет

сухого

воздуха, водорода, азота, водяного пара

Относительная влажность. По парциальному давлению водяного пара и абсолютной влажности еще нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Вот почему вводят величину, показывающую, на сколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению, - относительную влажность.

Относительной влажностью воздуха называют отношения парциального давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению рн.п насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах :

Относительная влажность воздуха обычно меньше 100 % .

Ход занятия

Работа с психрометром и термометром:

1. По психрометру определить температуру сухого термометра.

2. Определить температуру смоченного термометра.

3. Пользуясь психрометрической таблицей определить относительную влажность.

4. Результаты измерений занести в таблицу.

5. По термометру определить температуру сухого термометра.

6. Смочить ватку и обернуть резервуар термометра.

7. Подождать до тех пор, показания смоченного термометра не установятся на одном уровне.

8. Определить температуру смоченного термометра.

9. Определить относительную влажность воздуха, пользуясь той же таблицей.

Результаты записать в таблицу:

Показания термометров

Разность показаний термометров

Относительная

влажность воздуха

сухого

смоченного

Исходные данные: в помещении 150 м³ влажность воздуха при температуре 20 ⁰С равна 30%.Определить массу водяного пара в помещении.

Контрольные вопросы

1. Почему при продувании воздуха через эфир на полированной поверхности камеры гигрометра появляется роса? В какой момент появляется роса?

2. Почему показания влажного термометра психрометра меньше показаний сухого термометра'? При каком условии разность показаний термометра наибольшая?

3. Сухой и влажный термометры психрометра показывают одну и ту же температуру? Какова относительная влажность воздуха?

4. Почему после жаркого дня роса бывает наиболее обильной?

5. Почему перед дождем ласточки летают низко?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§70-72; с. 192-198

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008.,§7.3-7.4, с 168-172

Лабораторное занятие №4

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Цель занятия : Определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Оборудование. 1. Бюретка с краном. 2. Весы учебные с разновесом. 3. Сосуд с водой . 4. Сосуд для сбора капель. 5. Микрометр. 6. Набор игл. 7.Стакан с водой. 8. Две капиллярные трубки различного сечения. 9. Набор игл. 10. Масштабная линейка. 11. Лупа.

Основные теоретические положения

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости.

Как и любая механическая система, поверхностный слой жидкости, стремясь уменьшить потенциальную энергию, сокращается. При этом совершается работа A: A=σ·∆S,

где σ - коэффициент пропорциональности , называемый поверхностным натяжением : σ = A/∆S или σ = F/ l , где F - сила поверхностного натяжения, l - длина границы поверхностного слоя жидкости.

Поверхностное натяжение можно определить различными методами.

1. Метод отрыва капель.

Опыт осуществляют с бюреткой, в которой находится исследуемая жидкость. Открывают кран бюретки так, чтобы из бюретки медленно падали капли. Перед моментом отрыва капли сила тяжести ее P = mg равна силе поверхностного натяжения, граница свободной поверхности - окружности шейки капли . Следовательно, F = m_kg ; l = d_Ш.К σ = m_kg /(d_ш.к )

Опыт показывает, что d_ш.к = 0,9d_б , где d_ύ - диаметр канала узкого конца бюретки.

Оборудование. 1. Бюретка с краном. 2. Весы учебные с разновесом. 3. Сосуд с водой . 4. Сосуд для сбора капель. 5. Микрометр. 6. Набор игл.

Порядок выполнения заданий

1. Измерить диаметр канала узкого конца бюретки. Для этого ввести до упора в канал бюретки иглу соответствующей толщины, заметить то место, до которого она вошла, и микрометром измерить диаметр иглы в отмеченном месте. Измерения микрометром повторить несколько раз, поворачивая при этом иглу различаться, взять их среднее значение.

2. Определить массу пустого сосуд для сбора капель, взвесив его

Т а б л и ц а

Номер опыта

Масса

Число капель n

Диаметр канала бюретки

d_6.m

Поверхностное натяжение σ,

H/м

Среднее значение поверхностного натяжения

σ_ср H/М

Табличное значение поверхностного натяжения

σ_табл

Относительная погрешность

σ,%

Пустого сосуда m₁

Сосуда с каплями

Капель m

кг

3. Подставить под бюретку сосуд, в котором была вода, и, плавно открывая кран, добиться медленно отрывания капель ( капли должны падать друг за другом через 1-2с.).

4. Под бюретку с отрегулированными каплями подставить взвешенный сосуд и отсчитать 100 капель.

5. Измерив массу сосуда с каплями, определить массу капель.

6. Результаты измерений и вычислений записать в табл.

7. Вычислить поверхностное натяжение по формуле

8. Опыт повторить 1-2 раза с другим количеством капель.

9. Найти среднее значение σ _ср ; сравнить полученный результат с табличным значением поверхностного натяжения с учетом температуры.

10. Определить относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

Методические измерения

1. Для опыта рекомендуется использовать дистиллированную или хорошо прокипяченную воду.

1. В качестве сосуда с водой удобно взять мензурку, имеющую отлив.

2. Чтобы при падении капель вода в сосуде не разбрызгивалась, конец трубки расположить близко от сосуда.

3. При повторном измерении взять 150-170 капель в зависимости от диаметра узкого конца бюретки.

4. Для проведения опыта можно использовать воронку (или трубку) с пипеткой; стеклянный резервуар пипетки соединить с воронкой резиновой трубки с зажимом.

2. Метод подъема воды или другой смачивающей жидкости в капиллярах.

Поднятие смачивающей жидкости в капиллярной трубке над уровнем жидкости в большом сосуде происходит в результате того, что поверхность жидкости стремится сократиться, поэтому на жидкость оказывается дополнительное давление

где ∆p = 2σ / R - радиус капилляра. Смачивающая жидкость в капилляре поднимается на такую высоту, при которой вес ее столбика над уровнем жидкости в большом сосуде уравновесится силой дополнительного давления: mg = ∆pS , или ρShg = 2rs / R , откуда h = 2σ /(Rρg) , где ρ - плотность жидкости.

Порядок выполнения задания

1. Опустить в стакан с водой поочередно каждую из двух капиллярных трубок.

2. Измерить высоту подъема воды в капиллярной трубке над поверхностью воды в стакане.

3. Подобрать иглу требуемой толщины, ввести ее в капилляр и отметить на ней место, до которого она вошла в капилляр. Микрометр измерить диаметр иглы в отмеченном месте.

4. Произвести вычисления поверхностного натяжения по формуле

r = hRgρ / 2 = hdρg / 4

1. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 5

2. Сравнить результаты с табличным значением поверхностного натяжения и определить относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

Т а б л и ц а 1

Номер капиллярной трубки

Диаметр канала капиллярной трубки

d,m

Высота подъема воды в капилляре h,m

Плотность воды

ρ, кг/м³

Поверхностное натяжение σ, H/м

Среднее значение поверхностного натяжения σ_СР.H/M

Табличное значение поверхностного натяжения σ_ТАБ.H/М

Относительная погрешность

δ%

Методические рекомендации

1. Капиллярные трубки пронумеровать.

2. Предварительно смочить внутреннюю поверхность капиллярной трубки исследуемой жидкостью, а затем провести опыт.

3. Высоту поднятия жидкости измерять по нижней части мениска в капилляре. Для удобства отсчета наблюдение производить через лупу.

4. Относительную погрешность определить по формуле

δ = ∆σ / σ = ∆h/h+∆d/d

5. Работу можно провести на занятиях физического кружка с целью исследования зависимости поверхностного натяжения от температуры, влияния примесей, исследования зависимости от концентрации примеси.

Т а б л и ц а 2

Поверхностное натяжение воды при различных температурах

Температура , Т К

Поверхностное натяжение 10^-3 Н/м

Температура Т, К

Поверхностное натяжение 10^-3 Н/м

283

288

293

74,0

73,3

72,5

298

303

71,8

71,0

Контрольные вопросы

1. Почему поверхностное натяжение зависимости от вида жидкости?

2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?

3. В двух одинаковых пробирках находится одинаковое количество капель воды. В одной пробирке вода чистая, в другой - с прибавкой мыла. Одинаковы ли объемы отмеренных капель? Ответ обоснуйте.

4. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?

5. Изменится ли результат вычисления , если диаметр канала трубки будет меньше ?

6. Почему в варианте 1: а) рекомендуется проводить измерения для возможно большого числа капель б) следует добавиться медленного падения капель?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§59, 60, с. 156-160

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008.,§6.8, с 154-156

Лабораторное занятие №5

Определение модуля упругости (модуля Юнга) резины.

Цель занятия :

определить модуль упругости (модуль Юнга) резины.

Оборудование.

Установка для измерения модуля Юнга резины показана на рисунке 1, а, где 1-штатив с муфтой и лапкой, 2-резиновый шнур, 3-грузы.

Основные теоретические положения

Модуль Юнга вычисляют по формуле полученной из закона Гука. Здесь Е-модуль Юнга; F- сила упругости, возникающая в растянутом шнуре и равная весу прикрепленных к шнуру грузов; S-площадь поперечного сечения деформированного шнура; L₀- расстояние между метками А и В на не растянутом шнуре/ р и с. 203,в/. Если поперечное сечение шнура имеет форму круга, то площадь сечения выражается через диаметр шнура : S=

Окончательно формула для определения модуля Юнга имеет вид: E_пр=

Вес грузов определяется динамометром, диаметр шнура- штангенциркулем, расстояние метками А и В - линейкой. Относительная и абсолютная погрешности изменений модуля Юнга определяются по формулам: ∆E=E_пр*

Погрешностью можно пренебречь.

Порядок выполнения заданий

1. Подготовить бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений/

инструментальные погрешности определяются с помощью таблицы №1.

известно

Вычислено

L₀, м

L, м

∆L, м

F,

н

∆₀L
м

∆L
м

∆F

(н)

∆₀ F

(н)

F

(н)

E

(па)

%

∆E

Па

2.Соберите экспериментальную установку.

3. Нанесите метки карандашом на резиновом шнуре.

Проведение эксперимента, обработка результатов измерений

1. Измерьте расстояние между метками А и В на не растянутом шнуре.

2. Подвесьте грузы к нижнему концу шнура, предварительно определив общий вес.

Измерьте расстояние между рисками на шнуре и диаметр шнура в растянутом состоянии.

3. Вычислите модуль Юнга резины: относительную и абсолютную погрешности измерения модуля Юнга

4. Запишите полученный результат: E=E_пр ±∆E, =…%. Сравните этот результат с табличным.

Контрольные вопросы.

1. Почему модуль Юнга выражается столь большим числом?

2. Приведите примеры деформации растяжения и сжатия?

3. Дать определение модуля Юнга, механического напряжения?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§34, с. 91-94

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008.,§6.3, с 141-153

Лабораторное занятие №6

Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии

Цель занятия : измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование: источник электрической энергии, амперметр, три резистора с сопротивлением 1,2,4 Ом, ключ, соединительные провода.

Основные теоретические положения

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключение сил электростатического происхождения (т.е. кулоновских), называют сторонними силами.

Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет еще очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии. Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нем заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии - проводник нагревается следовательно, в цепи должен быть какой -то источник энергии, поставляющий её в цепь. В нем, по мимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние , непотенциальные силы. Работа этих сил вдоль замкнутого контура должна быть отлично от нуля. Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают её затем проводникам электрической цепи.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т.д.

При замыкании цепи создаётся электрическое поле во всех проводниках в цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительного заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле.

Природы сторонних сил. Природы сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонние силы - это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.

В гальваническом элементе, например элементе Вольта, действуют химические силы. Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов , помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы называют растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка , а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. ( Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая и обусловливает ток в замкнутой электрической цепи.

Электродвижущая сила. Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой ( сокращенно ЭДС ).

Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру величине этого заряда.

Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.

Ход занятия

1. Определить цену деления шкалы амперметра.

2. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.1 установив в цепи резистор известным сопротивлением.

Рис.1

3. Замкнуть ключ и снять показание амперметра.

4. Ключ разомкнуть, заменить резистор на другой, а затем замкнуть и вновь снять показания амперметра.

5. Опыт (п.4) повторить с третьим резистором.

6. Результаты измерений подставить в уравнение E=I(R+r) и, решив систему уравнений:

E=I₁(R₁+r), E=I₁(R₁+r), E=I₂(R₂+r)

E=I₃(R₃+r) E=I₃(R₃+r). E=I₂(R₂+r)

7.Определить средние значения найденных величин r_ср., E_ср.

8.Определить относительную погрешность методом среднего арифметического.

9.Результаты измерений, вычислений записать в таблицу:

№№

Cопротивление,

R ,Ом

Сила тока,

I,А

Внутреннее

сопротивле

ние,

r, Ом

ЭДС

E, В

Средн. значе-ние,

r_ср., Ом

Средн.

значе

ние,

E_ср., В

Относит.

погреш

ность внутр сопротив.

δ %

Относит.

погрешность ЭДС,

δ %

Контрольные вопросы

1. Какова физическая суть электрического сопротивления?

2. Какова роль источника тока в электрической цепи?

3. Каков физический смысл ЭДС? Дать определение вольту.

4. Соединить на короткое время вольтметр с источником электрической энергии, соблюдая полярность. Сравнить его показания с вычисленным по результатам опыта E.

5. От чего зависит напряжение на зажимах источника тока?

6. Пользуясь результатами произведенных измерений, определить напряжение на внешней цепи.

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 107, 108 с.303-306

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования/ Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §.9.1-9.3, с.219-228

Лабораторное занятие № 7

Определение ускорения свободного падения при помощи маятника

Цель занятия: Определить ускорение свободного падения при помощи маятника

Оборудование: часы с секундной стрелкой, измерительная лента с погрешностью ∆_л = 0,5 см, шарик с отверстием, нить, штатив с муфтой и кольцом.

Основные теоретические положения

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

В работе используется простейший маятник - шарик на нити. При малых размерах шарика по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях от положения равновесия период колебаний равен периоду колебаний математического маятника Для увеличения точности измерения периода нужно измерить время t достаточно большого числа N полных колебаний маятника . Тогда период T= и ускорение свободного падения может быть вычислено по формуле g = 4 ²

Проведение эксперимента

1. Установите на краю стола штатив. У его верхнего конца укрепите с помощью муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 1 - 2 см от пола.

2. Измерьте лентой длину l маятника (длинна маятника должна быть не менее 50 см).

3. Возбудите колебания маятника, отклонив шарик в сторону на 5 - 8 см и отпустив его.

4. Измерьте в нескольких экспериментах время t 50 колебаний маятника и вычислите t _ср : t_ср = где n - число опытов по измерению времени.

5. Вычислите среднюю абсолютную погрешность измерения времени

∆t_ср=

и результаты занесите в таблицу.

Номер опыта

t, c

t_ср, c

∆t, c

∆t_ср, c

l, м

1

2

3

4

5

6

6. Вычислите ускорение свободного падения по формуле

g = 4 ²

7. Определите относительную погрешность измерения времени _t .

8. Определите относительную погрешность измерения длины маятника _l = Значение складывается из погрешности мерной ленты и погрешности отсчета, равной половине цены деления ленты: = _л + _отсч.

9. Вычислить относительную погрешность измерения g по формуле

ε_g = ε_l+ ε+ 2ε_t ,

учитывая что погрешностью округления можно пренебречь, если = 3,14; также можно пренебречь ε_t , если она в 4 раза (и более) меньше 2 ε_t..

10. Определите ∆g = ε_q g_ср и запишите результат измерения в виде

g_ср - g ≤ g ≤ g_ср + ∆g.

убедитесь в достоверности измерений и проверьте принадлежность известного значения g полученному интервалу.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение математического маятника

2. Напишите формулу для определения периода колебания математического маятника

3. Зависит ли ускорение свободного падения от периода колебания математического маятника

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 22, 20 с.58-63

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования/ Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §.13.1-13.2, с.319-328

Лабораторное занятие №8

Изучение устройства и работы трансформатора

Цель занятия : смоделировать трансформатор и определить коэффициент трансформации

Оборудование: трансформатор, вольтметр переменного тока, амперметр, соединительные провода, источник электрической энергии.

Основные теоретические положения

Рис.1Назначение трансформаторов. ЭДС мощных генерато­ров электростанций довольно велика. Между тем в практи­ке чаще всего нужно не слишком высокое напряжение.

Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляет­ся с помощью трансформаторов.

Устройство трансформатора. Транс­форматор состоит из замкнутого сталь­ного сердечника, собранного из пла­стин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными об­мотками( рис.1). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устрой­ства, потребляющие электроэнергию, называется вторич­ной. Условное обозначение трансформатора приведено на рисунке 2.

Рис.2

Действие трансфор­матора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в витках каждой обмотки. Сердечник из трансформаторной стали концент­рирует магнитное поле, так что магнитный поток сущест­вует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно за­кону Фарадея оно определяется формулой

е = -Ф'

где Ф' - производная потока магнитной индукции по вре­мени.

Величина К называется коэффициентом трансформа­ции, он равен отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора. При К> 1 транс­форматор является понижающим, а при К< 1 - повы­шающим.

Ход занятия

1. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1

Рис.1

2. Измерить первичное и вторичное напряжение

3. Определить коэффициент трансформации и сделать вывод

4. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 2

Рис.2

5. Снять показания амперметра

6. Определить ток в первичной цепи

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

U₁,B

U₂,B

к

I ₁, A

I ₂, A

Контрольные вопросы

1. Назначение трансформатора. Кем и когда он был изобретен?

2. Назвать основные элементы устройства трансформатора.

3. Объяснить принцип работы трансформатора.

4. Что называют коэффициентом трансформации?

5. Какой трансформатор называют повышающим? Какой понижающим? Каков коэффициент трансформации у каждого из них?

6. С какой целью для передачи электрической энергии используют трансформатор? Ответ обосновать.

7. Какие виды электростанций можете назвать?

8. Что вы знаете о единой энергетической системе?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 37,38, с. 111-114

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 14.7, с 362-364

Лабораторное занятие №9

Измерение показателя преломления стекла

Цель занятия : получить практические навыки в измерении показателя преломления стекла.

Оборудование: плоскопараллельная пластинка, транспортир, линейка, булавки, таблица значений синусов для углов 0-90^0.

Основные теоретические положения

Законы преломления света.

1. Падающий луч, преломленный луч и нормаль к границе раздела двух сред в точке падения лежат в одной плоскости.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для этих двух сред, равная относительному показателю

3. преломления второй среды относительно первой.

Показатель пре­ломления равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он показывает, во сколько раз скорость света в ва­кууме больше, чем в среде, и равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломле­ния принято называть оптически менее плотной средой.

Абсолютный показатель преломления определяется ско­ростью распространения света в данной среде, которая зави­сит от физических свойств и состояния среды, т. е. от темпе­ратуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от длины волны света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового. Поэтому в таблицах значений показателей преломления для разных веществ обычно указывается, для какого света приведено данное значение пив каком состоянии

находит­ся среда. Если таких указаний нет, то это означает, что за­висимостью от приведенных факторов можно пренебречь.

В большинстве случаев приходится рассматривать пере­ход света через границу воздух -твердое тело или воз­дух-жидкость, а не через границу вакуум - среда. Одна­ко абсолютный показатель преломления п₂ твердого или жидкого вещества отличается от показателя преломления того же вещества относительно воздуха незначительно. Так, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен примерно п_х ~ 1,000292.

Ход занятия

I способ

1. Положить на середину листа стеклянную пластинку и обвести ее карандашом.

2. Построить перпендикуляр и луч падения желательно, чтобы он был (40-50⁰). На падающем луче отметить две точки А и В воткнуть в них булавки (рис. 1)

Рис 1

3. С противоположной стороны стекла отыскать А и В найти такое положение глаза, чтобы булавки закрывали друг друга. Чтобы зафиксировать луч зрения, с этой стороны у самого стекла поставьте третью булавку так, чтобы все три булавки казались на одной линии. Отметьте точку С. Точно также, на некотором расстоянии от стекла найдите точку D.

4. Проведите прямую CD и постройте луч преломления (рис.2)

Рис.2

5.Измерить углы падения и преломления и рассчитать показатель преломления стекла по формуле:

n=sinα/sin β

II способ

1. На расстоянии 8-15 мм друг от друга провести две параллельные прямые. На них положить пластинку (рис. 3)

Рис.3

2. Посмотрите на параллельные прямые через стекло также, как это делали в предыдущем опыте. Поворачивайте пластинку до тех пор, пока две прямые не сольются в одну.

3. Обведите пластинку карандашом и достройте его, как показано на рис.4 (построить перпендикуляр и прямую АВ).

Рис.4

4. Измерить углы L и B и рассчитать n:

n₂= sinα/sin β

5. Рассчитайте среднее значение для показателя преломления из первого и второго опыта:

n= (n₁+n₂)/2

6. Рассчитайте относительную погрешность

δ=(|n_cр-n_m|)· ^х 100% / n_m,

где n_m-табличное значение

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

№ опыта

Угол падения

α

Угол преломления

β

Показатель преломления

n

Средний показатель преломления

n_cр

Относительная погрешность

δ

Контрольные вопросы

1. Что называют относительным показателем преломления и абсолютным показателем преломления? Что они характеризуют?

2. Запишите закон преломления света при переходе границ сред с абсолютными показателями преломления п₁ и п₂. Чем отличается ход луча при его преломлении в оптически более плотную среду от преломления в оптически менее плотную?

3. Сформулируйте закон преломления света и докажите его с помощью принципа Гюйгенса.

4. Какое физическое явление называют полным внутренним отражением?

5. Как вычислить угол полного внутреннего отражения?

6. За стеклянной призмой происходит разложение белого света в цветной спектр. Какой из перечисленных цветов отклоняется на наименьший угол: зеленый, оранжевый, желтый, голубой, синий.

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 61,62, с. 175-179

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 16.2-16.3, с 400-406

Лабораторное занятие №10

Наблюдение интерференции и дифракции света

Цель занятия: научиться самостоятельно наблюдать интерференционные и дифракционные картины и их условия наблюдения.

Оборудование

две стеклянные пластины, лист фольги с прорезью длинной 1-2 см, сделанной с помощью лезвия бритвы, лампа накаливания (одна на весь класс), цветные карандаши, грампластинка, лазерный диск, капроновый лоскут.

Основные теоретические положения

Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согла­сованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную во времени разность фаз в любой точке пространства. Согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз называются когерентными.

Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хо­рошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить постоян­ство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдель­ными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имею­щими обычно длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате ампли­туда колебаний в любой точке пространства хаотично меня­ется со временем в зависимости от того, как в данный мо­мент времени цуги волн от различных источников сдвинуты относительно друг друга по фазе. Волны от различных источ­ников света некогерентны из-за того, что разность фаз волнне остается постоянной. Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.

Если свет представляет собой волновой процесс, то на­ряду с интерференцией наблюдается и дифракция света. Дифракция - огибание волнами краев препят­ствий - присуща любому волновому движению. Но на­блюдать дифракцию света нелегко, так как волны откло­няются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны, как мы с вами знаем, очень мала.

Ход выполнения задания

Наблюдение интерференции света

1. Сложите стеклянные пластины вместе и слегка сожмите пальцами. При этом вокруг отдельных мест соприкосновения пластин образуются воздушные зазоры разной формы. (Эти зазоры играют роль тонкой пленки.)

2. Рассматривайте пластины в отраженном свете и наблюдайте радужную интерференционную картину.

3. Увеличьте нажим на стеклянные пластины и наблюдайте за изменениями картины.

Таблица 1.

Условия наблюдения

Интерференционная картина

В отраженном свете

В проходящем свете

При слабом нажиме на пластины

При увеличении нажима на пластины

С бумагой между краями пластин

4. Поместите между краями пластин кусочек бумаги. Наблюдайте интерференционную картину.

5. Наблюдайте интерференционные картины в проходящем свете.

6. Зарисуйте в табл. 1 наблюдаемые интерференционные картины.

Выводы:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Наблюдение дифракции света

1. Расположите лист фольги со щелью вертикально и приблизьте её вплотную к глазу.

2. Смотря сквозь щель на нить лампы, установленную на демонстрационном столе, наблюдайте дифракционную картину.

3. Увеличивайте ширину щели, слегка растянув фольгу, и наблюдайте за измерениями дифракционной картины.

4. Наблюдайте дифракционную картину, получаемую с помощью лоскутков капрона в проходящем свете.

5. Наблюдайте дифракционную картину в отраженном свете, полученную с помощью грампластинки или лазерного диска.

6. Зарисуйте в табл., 2 наблюдаемые при разных условиях дифракционные картины.

Таблица 2.

Условия наблюдения

Дифракционная картина

Узкая щель

Более широкая щель

От лоскутка капрона

В отраженном свете

Выводы:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы

1. Почему интерференционные и дифракционные картины, получаемые от источников белого света, имеют радужную окраску?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Каковы отличия интерференционных картин, полученных в отраженном и проходящем свете?_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§68,71 с. 198-202

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 20.1-20.6, с 503-521

Лабораторное занятие №11

Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Цель занятия : познакомиться с дифракционной решеткой как оптическим прибором и с ее помощью измерить длину световой волны

Оборудование: прибор для определения длины световой волны, дифракционная решетка, источник света

Основные теоретические положения

На явлении дифракции основано устройство оптическо­го прибора - дифракционной решетки.

Дифракционная решетка представляет собой совокуп­ность большого числа очень узких щелей, разделенных не­прозрачными промежутками. Хорошую решетку изготовляют с помощью специальной делительной маши­ны, наносящей на стеклянную пластину параллельные штрихи. Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1 мм; общее число штрихов превышает 100 000. Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Наилучшими качествами обладают так называемые отражательные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки, отражающие свет и рассеивающие его. Рассеивающие свет штрихи наносятся резцом на отшлифованную металличе­скую пластину.

Если ширина прозрачных щелей (или отражающих свет полос) равна а, и ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) равна b , то величина d= а + b на­зывается периодом решетки. Обычно период дифракцион­ной решетки порядка 10 мкм.

Ход выполнения заданий

1. Вставить дифракционную решётку в рамку прибора.

2. Экран прибора установить на возможно большем расстоянии от дифракционной решетки

3. Смотря через дифракционную решетку, определить расстояние от нулевого деления шкалы экрана до середины фиолетовой полосы справа или слева «а» для спектров I порядка

4. Измерить по шкале бруска установки расстояние «b» от экрана прибора до дифракционной решетки.

5. Опыт повторить со спектром II порядка.

6. Такие же измерения выполнить и для красных полос дифракционного спектра.

7. Вычислить по формуле (I) длину волны фиолетового света для спектров I и II порядков, длину волны красного света I и II порядка.

8. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:

№ опыта

период дифракционной решетки, мм

порядок спектра

расстояние от дифракц. решетки до экрана,

мм

расстояние от нулевого макс до фиол. света,

мм

расстояние от нулевого максимума до красного света мм

длина световой волны

красного излучения мм

Фиолето

вого излуче

ния,

мм

Контрольные вопросы

1. Какое физическое явление называют дифракцией? Каким волновым процессам оно свойственно.

2. Кто разработал теорию дифракции?

3. Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света - белая полоса, а максимум высших порядков набор цветных полос?

4. Почему максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?

5. Какой вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?

6. В каких точках экрана получается световой минимум?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 71,72, с. 210-212

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования/Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §.17.6, с 428

Лабораторное занятие №12

Определение удельной теплоёмкости вещества

Цель занятия : определить удельную теплоемкость металла.

Оборудование, средства измерения: 1) калориметр с водой, 2) чайник (один на класс), 3) цилиндр металлический, 4) проволочный крючок для удаления цилиндра из чайника, 5) бумага фильтровальная, 6) весы с гирями, 7) термометр.

Основные теоретические положения

Молекулярная картина теплообмена. При теплообмене на границе между телами происходит взаимодействие медленно дви­жущихся молекул холодного тела с быстро движущимися молекулами горячего тела. В результате кинетические энергии молекул выравниваются и скорости молекул холодно­го тела увеличиваются, а горячего - умень­шаются.

При теплообмене не происходит превра­щения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.

Количество теплоты и теплоемкость. Вам уже известно, что для нагревания тела массой т от температуры t_lдо тем­пературы t₂необходимо передать ему количество теплоты:

Q= cm(t₂- t_t) = cm∆ t.

При остывании тела его конечная температура t₂ока­зывается меньше начальной температуры и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно.

Коэффициент С в формуле называют удельной теплоемкостью вещества. Удельная теплоемкость - это величина, численно равная количеству теплоты, которое получает или отдает вещество массой 1 кг при изменении его температуры на 1 К.

Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляет­ся теплопередача. Если нагревать газ при постоянном дав­лении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания газа на 1 °С при постоянном давлении ему нужно передать большее количество теплоты, чем для на­гревания его при постоянном объеме, когда газ будет толь­ко нагреваться.

Жидкие и твердые тела расширяются при нагревании незначительно. Их удельные теплоемкости при постоян­ном объеме и постоянном давлении мало различаются. В калориметр массой m₁ налита вода массой m₂ при температуре t₁. Из чайника с кипящей водой достают металлический цилиндр массой m, имеющий температуру t₂, и погружают его в калориметр. Когда температура воды в калориметре перестанет повышаться, измеряют термометром ее значение . Количество теплоты Q_отд, отданное металлическим цилиндром при остывании до температуры , равно:

Q_отд = cm(t₂-), (1)

где с - удельная теплоемкость вещества цилиндра.

Количество теплоты Q_пол, полученное калориметром и водой при нагревании до температуры ,

Q_пол = c₁m₁(-t₁)+c₂m₂(-t₁), (2)

где с₁- удельная теплоемкость металла, из которого сделан калориметр, с₂- удельная теплоемкость воды.

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

Q_отд = Q_пол,

или

cm(t₂-)=(c₁m₁+c₂m₂)(-t₁). (3)

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

с = (4)

Ход выполнения заданий

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

2. Определите на весах массу внутреннего сосуда калориметра.

m₁=

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

m₁+m₂ =

4. Определите массу воды в калориметре.

m₂ =

5. Собрав калориметр, измерьте начальную температуру воды термометром.

t₁ =

6. Из чайника с кипящей водой достаньте проволочным крючком металлический цилиндр при температуре, близкой t₂ = 100°C, 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.

m =

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

с =

(где с₁ = 920; с₂ = 4180 ).

10. Абсолютные погрешности измерения масс ∆m_1, ∆m_2, ∆m определяются массой минимальной разновески при взвешивании. Из - за выполнения неравенств ∆m₁ ≤ ∆m_1; ∆m₂ ≤ ∆m_2; ∆m≤ m 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 абсолютною погрешность измерения удельной теплоемкости.

∆с = с =

12. Окончательный результат измерения удельной теплоемкости представьте в виде

c ± ∆c =

Контрольные вопросы

1. Что называется количеством теплоты.

2. От чего зависит удельная теплоемкость вещества.

3. В каких случаях количество теплоты положительная величина, а в каких случаях отрицательная величина

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 77 с. 214-216

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §5.3 -5.7 с.117-121

Лабораторное занятие №13

Определение удельного сопротивления проводника

Цель занятия: измерить удельное сопротивление проводника и по табличным данным установить (ориентировочно) материал, из которого он изготовлен.

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, реостат, реохорд, микрометр, ключ, соединительные провода.

Основные теоретические положения

Основная электрическая характеристика проводника - сопротивление., от этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении Сопротивление проводника, представляет собой меру противодействия проводника

направленному движению электрических зарядов. Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Сопротивление проводника длиной L с постоянной площадью поперечного сечения S равно:
R=^. L / S, где - величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь). Величину называют удельным сопротивлением проводника. Удельное сопротивление материала численно равно сопротивлению проводника из этого материала длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м²

Ход занятия

1. Собрать цепь по схеме, изображенной на рис.1

А В

Рис.1.

2. Измерить диаметр проволоки

3. Определить площадь поперечного сечения

4. Ввести в цепь реостат и отрегулировать им ток таким образом, чтобы при полной длине проволоки ток в цепи не превышал 0,5 А. Разомкнуть цепь.

5. Ввести в цепь, перемещая, ползунок исследуемую наибольшую длину.

6. Включить ток. Определить величину тока и напряжения на концах проводника. Выключить ток.

7. Опыт повторить, изменяя длину. Снять показания амперметра и вольтметра.

8. Вычислить сопротивление проволоки по формуле при различных длинах

R=U/I.

9. Вычислить удельное сопротивление.

10. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

№ опыта

D,

м

S,

м²

L,

м

I,

A

U,

B

R,

Ом

,

Ом*м

_ср,

Ом*м

, Ом*м

Δ,

Контрольные вопросы:

1. Почему удельное сопротивление проводника зависит от рода материала?

2. Зависит ли удельное сопротивление от температуры?

3. Удельное сопротивление фехраля 1.1·10^-6 Ом ^х м. Что это значит?

4. Как изменится напряжение на участке электрической цепи, если медную проволоку на этом участке заменить никелевой?

5. Назвать известные вам методы определения сопротивления резистора?

6. Как электронная теория электропроводности металлов объясняет природу электрического сопротивления?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 102-104 с. 289-293

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования/ Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §.9.4-9.5, с. 228-232

Лабораторное занятие №14

Изучение электрических свойств полупроводников

Цель занятия: на опыте убедиться в односторонней проводимости диода и графически представить вольтамперную характеристику диода

Оборудование: источник электрического питания, амперметр, диод, реостат, соединительные провода, ключ, вольтметр, лампочка на подставке.

Основные теоретические положения

Строение полупроводников- кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке его атома имеется четыре электрона, сравнительно слабо связанных с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырём. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отделяются от атома, которому они принадлежат (коллективе -роются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Не надо думать, что коллективированная пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи в кристалле кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны являются как бы «цементирующим раствором», удерживающим кристаллическую решетку, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия. Электронная проводимость. При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, создавая электрический ток . Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления. Дырочная проводимость. При разрыве связи между атомами полупроводника образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, не разорванными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парно электронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу. Если напряженность электрического поля в образце рав¬на нулю, то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому несоздает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов. В отсутствие внешнего поля на один свободный электрон (-) приходится одна дырка (+). При наложении поля свободный электрон смещается против напряженности поля. В этом направлении перемещается также один из связанных электронов. Это выглядит как перемещение дырки в направлении поля. Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью, таким образом представлен механизм проводимости чистых полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников.Проводимость

полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Именно эта зависимость сделала полупроводники тем, чем они стали в современной технике. Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собствен­ной проводимостью возникает дополнительная -примес­ная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, мож­но значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупро

водники с преимущественной концентрацией одного из но­сителей тока электронов или дырок. Эта особенность полу­проводников открывает широкие возможности для их практического применения. Донорные примеси. Оказывается, что при наличии при­месей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Происходит это по следующей причине. Ато­мы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 10¹⁶ см^-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями. Поскольку полупроводники, имеющие донорные приме­си, обладают большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками п-типа (от английского слова negative- отрицательный). В полупроводнике п-типа электроны являются основ­ными носителями заряда, а дырки - неосновными. Акцепторные примеси. Если в качестве примеси ис­пользовать индий, атомы которого трехвалентны, то ха­рактер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия недостает одного электрона. В ре­зультате образуется дырка. Число дырок в кристалле рав­но числу атомов примеси . Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими).При наличии электрического поля дырки перемещают­ся по полю и возникает дырочная проводимость. Полупро­водники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p-типа (от анг­лийского слова positive- положительный). Основными но­сителями заряда в полупроводнике p-типа являются дыр­ки, а неосновными - электроны. Донорные примеси отдают лишние валентные электро­ны: образуется полупроводник n-типа. Акцепторные при­меси создают дырки: образуется полупроводник р -типа. Контакт двух полупроводников называют р-n или n- р -переходом.

р-n-переход, можно использовать для выпрямления электрического тока. Такое устройство называется полупроводниковым диодом.

Полупродниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ. Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью р-типа, содержащий атомы индия,, нагревается до высокой температуры . Пары примеси n-типа ( например мышьяк)Осаждают на поверхности кристалла.

Вследствие диффузии они внедряются в кристалл , и на поверхности кристалла с проводимостью р-типа образуется область с электронным типом проводимости ( рис.1)

Рис.2 Схематическое изображение диода

Ход занятия

I. Проверка односторонней проводимости диода.

1. Собрать цепь по схеме, изображенной на рисунке 1

Рис.1

2. Диод включить по схеме в прямом направлении. Замкнуть цепь, отметить показания амперметра.

3. Диод включить в обратном направлении. Замкнуть цепь, отметить показания амперметра.

4. По результатам наблюдений сделать вывод.

II. Снятие вольтамперной характеристики диода.

1. Диод включить в прямом направлении. Замкнуть цепь, установить наименьшее значение напряжения. Снять показания приборов.

2. Перемещая постепенно движок реостата, снять 4-5 раз показания приборов.

3. По результатам измерений построить вольтамперную характеристику диода.

Контрольные вопросы:

1. В чем различие проводимости проводников и полупроводников?

2. Нарисуйте схему вакуумного диода и объясните принцип его работы.

3. В чем состоит основное свойство диода?

4. Как объяснить уменьшение удельной проводимости полупроводника при уменьшении температуры?

5. По вольтамперной характеристике диода определить чему равно внутреннее сопротивление диода при включении в прямом и обратном направлениях.

U_np=0,3(B)

U_o6p= -400 (В)

6. Какие носители заряда являются основными в полупроводнике с акцепторной примесью.

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 113-116, с. 314

-321

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §10.4-10.5, с.249-255

Лабораторное занятие №15

Определение электрической емкости конденсатора

Цель занятия: научиться определять электроемкость конденсатора.

Оборудование: источник электрической энергии, миллиамперметр, конденсаторы (3-4 шт.) известной емкости (0,5; 1; 2мкФ), конденсатор неизвестной емкости, двухполюсный переключатель, соединительные провода.

Основные теоретические положения

Большой электроемкостью обладают сис­темы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой два проводника, разде­ленные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом- случае называются обкладками конденсатора.

Простейший плоский конденсатор состоит из двух оди­наковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друг. Если заряды плас­тин одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на поло­жительно заряженной обкладке конденсатора и оканчива­ются на отрицательно заряженной. По­этому почти все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно.

Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полю­сам источника напряжения, напри­мер к полюсам батареи аккумулято­ров. Можно также первую обкладку соединить с полюсом батареи, у ко­торой другой полюс заземлен, а вто­рую обкладку конденсатора заземлить в переводе на русский язык означает « «сгуститель электрического заряда».¹ Тогда на заземленной обкладке останется заряд, противоположный по знаку и равный по модулю заряду не- заземленной обкладки. Такой же по модулю заряд уйдет в землю.

Под зарядом конденсатора понимают абсолютное зна­чение заряда одной из обкладок.

Электрические поля окружающих тел почти не прони­кают внутрь конденсатора и не влияют на разность потен­циалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденсатора практически не зависит от наличия вблизи него каких-либо других тел.

Ход занятия

1. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рис 1. В цепи установить один из конденсаторов известной емкости.

Рис.1.

римс

2. Конденсатор зарядить; для этого соединить его (переключателем) на короткое время с источником электрической энергии.

3. Сосредоточив внимание на миллиамперметре, быстро замкнуть конденсатор на измерительный прибор и определить число делений, соответствующее максимальному отключению стрелки.

4. Опыт повторить для более точного определения числа делений n и найти отношение найденного количества делений к емкости взятого конденсатора С:

n/C=k

5.Опыт повторить 2-3 раза с другими конденсаторами известной емкости.

6. Результаты измерений, вычислений записать в таблицу:

№ опыта

емкость конденсаторов

С, мкФ

число делений по шкале милли-

амперметра,

n

отношение числа делений к емкости n/C=k

найденная емкость конденсатора

С_х, мкФ

относительная погрешность

δ=(С_табС_х)/С_таб

100%

1.

2.

3.

7. Опыт (п. 1-4) повторить с конденсатором неизвестной емкости С_х. Определить в этом случае число делений n_х и найти емкость из соотношения С_х=n_x / k.

8. Узнать у преподавателя емкость исследуемого конденсатора и, приняв ее за табличное значение, определить относительную погрешность.

9. Соединить два конденсатора емкостью 0,5 и 1,0 мкФ параллельно и опытным путем определить емкость батареи. Сравнить полученный результат с величиной емкости батареи, определенной по формуле

С=С₁+С₂.

10. Соединить два конденсатора емкостью 1 и 2 мкФ последовательно и определить емкость батарею конденсаторов опытным путем. Сравнить с емкостью определенной по формуле

1/С=1/С₁+ 1/С₂.

11. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

Исходные данные:

Записать в тетради характеристики данных конденсаторов и определить энергию и мощность при температуре t=10⁰С.

Пример. С=1мкФ, U=2 кВ

W=СU²/2=2 Дж.,

N_э.п=А/t=2·10⁶Вт=2МВт.

т.е. заряженный конденсатор опасен для жизни!

Контрольные вопросы:

1. Конденсатор в переводе - сгуститель. По какой причине прибору дано такое странное название?

2. В чем сущность указанного метода определения емкости конденсатора?

3. Прочесть так: емкость конденсатора прямо пропорциональна его заряду и обратно пропорциональна напряжению между его обкладками?

4. Почему емкость конденсатора постоянна?

5. От чего и как зависит емкость простейшего конденсатора? Запишите формулу этой емкости.

6. Как надо соединить конденсаторы, чтобы их общая емкость увеличилась? Уменьшилась?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 100, 101 с. 280-283

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §.8.9, 8.10- с.207-217

Лабораторное занятие №16

Изучение последовательного и параллельного соединения проводников

Цель занятия : изучить законы последовательного и параллельного соединения проводников.

Оборудование: источник постоянного напряжения, два проволочных резистора, амперметр, вольтметр, реостат

Основные теоретические положения

От источника тока энергия может быть передана по проводам к устройствам, потребляющим энергию: электрической лампе, радиоприемнику и др. Для этого составляют электрические цепи различной сложности.Электрическая цепь обычно состоит из источника тока, устройств, потребляющих электрическую энергию, соединительных проводов и выключателей для замыкания цепи. Часто в электрическую цепь включают приборы, контролирующие силу тока и напряжение на различных участках цепи, - амперметры и вольтметры. К наиболее простым и часто встречающимся соединениям проводников относятся последовательное и параллельное соединения.

Последовательное соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Рис.1

На рисунке показано последовательное соединение двух проводников 1 и 2, имеющих сопротивления R1 и R2. Это могут быть две лампы, две обмотки электродвигателя и др. Сила тока в обоих проводниках одинакова, т. е. I₂ =I₂ = I так как в проводниках электрический заряд в случае постоянного тока не накапливается и через любое поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.. Напряжение на концах рассматриваемого участка цепи складывается из напряжений на первом и втором проводниках: U = U₂+U₂. Применяя закон Ома для всего участка в целом и для участков с сопротивлениями проводников R1 и R2, можно доказать, что полное сопротивление всего участка цепи при последовательном соединении равно: R = R₁ + R₂. Это правило можно применить для любого числа последовательно соединенных проводников. Напряжения на проводниках и их сопротивления при последовательном соединении связаны соотношением

U₁/U₂=R₁/R₂

Параллельное соединение проводников.

рис..2

На рисунке 2 показано параллельное соединение двух проводников 1 и 2 сопротивлениями R1 и R₂. В этом случае электрический ток I разветвляется на две части (рис.2). Силу тока в первом и втором проводниках обозначим через I₁ и I₂. Так как в точке а - разветвлении проводников (такую точку называют узлом) - электрический заряд не накапливается, то заряд, поступающий в единицу времени в узел, равен заряду, уходящему из узла за это же время. Следовательно, I =I₁+I₂ . Напряжение U на концах проводников, соединенных параллельно, одинаково, так как они присоединены к одним и тем же точкам цепи. В осветительной сети обычно поддерживается напряжение 220 В. На это напряжение рассчитаны приборы, потребляющие электрическую энергию. Поэтому параллельное соединение - самый распространенный способ соединения различных потребителей. В этом случае выход из строя одного прибора не отражается на работе остальных, тогда как при последовательном соединении выход из строя одного прибора размыкает цепь.

Применяя закон Ома для всего участка в целом и для участков сопротивлениями проводников R1 и R2, можно доказать, что величина, обратная полному сопротивлению участка , равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников: отсюда следует, что 1/R=1/R₁+1/R₂

R=R₂ R₁ /R₁+R₂

Напряжения на параллельно соединенных проводниках равны: следовательно,

I₁/I₂=R₂/R₁

Ход занятия

I. Изучения последовательного соединения резисторов

1. Соберите цепь для изучения последовательного соединения резисторов; для регулирования силы тока в цепи можно использовать реостат. Вольтметр и амперметр при проведении измерений поочередно подключают к нужным точкам цепи.

2. Измерьте силу тока и напряжения;

3. Результаты измерений занесите в таблицу (таблицу составьте сами по образцу предыдущих работ)

4. Проверьте выполнение законов соединения и сделайте вывод.

II. Изучение параллельного соединения резисторов.

1.Соберите цепь для изучения параллельного соединения резисторов;

2. Вольтметр и амперметр при проведении измерений поочередно подключают к нужным точкам цепи.

3. Измерьте токи и напряжение;

4. Результаты измерений занесите в таблицу (таблицу составьте сами по образцу предыдущих работ)

5. Проверьте выполнение законов соединения и сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

1. Какие сопротивления можно получить, имея три резистора по 6 кОм?

2. Сопротивление одного из последовательно включенных проводников в п раз больше сопротивления другого. Во сколько раз изменится сила тока в цепи (напряжение постоянно), если эти проводники включить параллельно?

3. Какую гидродинамическую аналогию можно использовать для моделирования последовательного и параллельного соединения проводников?

4. Как зависит мощность, выделяемая в проводниках с током, от типа их соединения?

5. Как соединены потребители электроэнергии в квартирах? Почему?

6. Как соединены лампочки в елочной гирлянде?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 105,с.296-298

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, Глава 9, с 219-240

Лабораторное занятие №17

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

Цель занятия: исследовать зависимости мощности, потребляемой лампой от напряжения и сопротивления проводника от температуры

Оборудование: электрическая лампа, источник постоянного напряжения, реостат ползунковый, амперметр, вольтметр, омметр, ключ, соединительные провода.

Основные теоретические положения

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и т. д.) рассчитан на потребление опре­деленной энергии в единицу времени. Поэтому, наряду с работой тока, очень важное значение имеет понятие мощность тока. Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока- P= А/t

Из этой формулы очевидно, что мощность тока выра­жается в ваттах (Вт).

Это выражение для мощности тока можно переписать в нескольких эквивалентных формах: P=I·U,

используя закон Ома для участка цепи: I=U/ R

P=I·U= U/ R·U= U²/ R т.е. P= U²/ R , аналогично вывести формулу P= I²· R

.

Ход занятия

1. Определить цену деления шкалы измерительных приборов;

2. Омметром измерить сопротивление нити лампы при комнатной температуре;

3. Составить электрическую цепь по схеме на рисунке 1, соблюдая полярность приборов;

Рис.1

4. После проверки схемы преподавателем, цепь замкнуть. С помощью реостата установить наименьшее значение. Снять показания измерительных приборов.

5. Постепенно перемещая, ползунок реостата, снять 8-10 раз показания амперметра и вольтметра.

6. Для каждого значения напряжения определить мощность

P=I·U,

потребляемую лампой, сопротивление

R=U/I

нити накала и температуру ее накала.

T=(R-R₀)/R₀·L

7. Учитывая небольшую погрешность, сопротивление лампы при комнатной температуре принять за R₀. Значения L-температурного коэффициента сопротивления вольфрама взять из таблицы.

8. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.

9. Построить график зависимости мощности, потребляемой лампой, от напряжения на ее зажимах. По оси ординат откладывать мощность в ваттах, на оси абсцисс - напряжение. Сделать вывод.

10. Построить график зависимости сопротивления от температуры.

№ опыта

Напряжение на зажимах. лампы

U, В

Сила тока в лампе

I, А

Сопротивление нити накала лампы

R, Ом

Мощность, потребл. лампой

Р, Вт

Температура накала

Т, К

1

2

3

Контрольные вопросы:

1. Как определить мощность тока с помощью амперметра и вольтметра?

2. Чем спираль стоваттной лампы накаливания отличается от спирали?

3. Можно ли по яркости свечения электрической лампы судить о количестве теплоты, выделяемой в нити лампы при нагревании электрическим током?

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

5. Какие превращения энергии происходит в замкнутой электрической цепи?

6. На всех ли участках цепи ток совершает работу?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 106 с. 298-300

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §.9.2-9.3, с. 236-240

Лабораторное занятие№18

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель занятия: изучить условия возникновения индукционного тока, ЭДС индукции

Оборудование: гальванометр (миллиамперметр), источник питания, две катушки с сердечником, ключ, соединительные провода

Основные теоретические положения

Фарадеем экспериментально было обнаружено, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает элект­рический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией («индук­ция» значит «наведение»). Явление электромагнитной индукции Фарадей исследовал с помощью двух изолиро­ванных друг от друга проволочных спиралей, намотанных на деревянную катушку. Одна спираль была присоединена к гальваниче­ской батарее, а другая - к гальванометру, регистрирующему слабые токи. В моменты замыкания и размыкания цепи первой спира­ли стрелка гальванометра в цепи второй спи­рали отклонялась.. Проводя многочисленные опыты, Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах электрический ток возникает лишь в тех случаях, когда они находятся в переменном магнитном поле, незави­симо от того, каким способом достигается изменение потока индукции магнит­ного поля во времени. Ток, возникающий при явлении электромагнитной индук­ции, называют индукционным. Строго говоря, при движении контура в магнит­ном поле генерируется не определенный ток (который зависит от сопротивле­ния), а определенная э. д. с.

Закон Фарадея

Рассмотрим, как возникает э. д. с. индукции, а следовательно, и индукционный ток. Пусть проводник без тока длиной / движется в магнитном поле со скоро­стью v. Магнитное поле однородное. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка от нас. При движении провод­ника вправо свободные электроны, содержащиеся в нем, будут двигаться также вправо, т. е. возникает конвекционный ток. Направление этого тока обратно направлению движения электронов. На каждый движущийся электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца F_л. Заряд электрона - отрицательный. Поэтому сила Лоренца направлена вниз. Под действием этой силы электроны должны двигаться вниз, в нижней части проводника l накапли­ваются отрицательные заряды, а в верхней - положительные. Образуется разность потенциалов , в проводнике возникает электрическое поле напряженностью Е, которое препятствует дальнейшему перемещению электро­нов.

В момент, когда сила F_л= еЕ, действующая на заряды со стороны этого электрического поля, станет равной по модулю силе Fл = evB sin, действую­щей на заряды со стороны магнитного поля, т.е. при eE = evBsin или Е = vBsin, заряды перестанут перемещаться.

Напряженность электрического поля E в движущемся проводнике длиной l и разность потенциалов связаны между собой соотношением

или

Если такой проводник замкнуть, то по цепи пойдет ток. Таким образом, на концах проводника индуцируется э.д. с.

Более подробное изучение электромагнитной индукции показало, что

э. д. с. индукции, возникающая в каком-либо замкнутом контуре, равна скоро­сти изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, взятую с обратным знаком. Таким образом,

E_инд=

Соотношение выражает закон электромагнитной индукции, э. д. с. индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром

Правило Ленца

Знак минус в формуле E_инд= отражает правило Ленца:

индукционный ток всегда направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызывающей ток.

При возрастании магнитного потока

Е_индт.е. э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором его маг­нитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

При уменьшении магнитного потока

Ход занятия

I. Получение индукционного тока и определение его направления.

1. Соединить катушку с гальванометром и вдвигая и выдвигая магнит из катушки, следить за отклонением стрелки гальванометра. Объяснить, почему стрелка откланяется в разные стороны. Проверить правило Ленца для разных полюсов магнита. Сделать зарисовки с указанием индукционного тока в катушке.

2. Присоединить вторую катушку к источнику питания и поместить над ней первую так, чтобы оси совпали. Замыкая и размыкая цепь при помощи ключа, следить за отклонением стрелки гальванометра. Проверить правило Ленца при замыкании и размыкании цепи.

Действие экспериментатора

Результат опыта

1. Введите в катушку I северный полюс магнита

2. Удалите из катушки северный полюс магнита

3. Введите в катушку I южный полюс магнита

4. Удалите из катушки северный полюс магнита

5. Введите в катушку I северный полюс магнита и т.д.

II. Исследование зависимости силы индукционного тока от скорости изменения магнитного потока.

1. Подключить катушку к зажимам миллиамперметра.

2. Вдвигая и выдвигая дугообразный магнит из катушки с разной скоростью, замечать для каждого случая максимальную силу индукционного тока.

3. Подключить вторую катушку к источнику тока, снова поместить над ней первую и, изменяя силу тока во второй катушке при помощи реостата с различной скоростью, замечать максимальную силу индукционного тока.

4. Результаты наблюдений и измерений занесите в таблицу.

Действие экспериментатора

Результат опыта

1. Увеличьте силу тока в катушке II

2. Уменьшите силу тока в катушке II с помощью реостата

3. Резко замкните электрическую цепь катушки I

4. Резко разомкните электрическую цепь катушки I

Контрольные вопросы:

1. Дать определение явления электромагнитной индукции?

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

3. В чем отличие силы Ампера от силы Лоренца?

4. Сформулируйте правило буравчика для витка с током.

5. Совершает или не совершает силы Лоренца работу при движении заряда в магнитном поле и почему?

6. На чем основано действие электродвигателей и ряда электроизмерительных приборов.

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 11-13, с. 34-40

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, §12.1-12.4, с 300-314

Лабораторное занятие №19

Изучение явления фотоэффекта

Цель занятия: определить задерживающее напряжение, максимальную кинетическую энергию выбитых электронов и работу выхода.

Оборудование: вакуумный фотоэлемент на панели, потенциометр, миллиамперметр, вольтметр, метр, светофильтр из школьного набора светофильтров с известной частотой ν пропускаемого света, источник электрической энергии, электрическая лампочка в патроне и с вилкой для включения в осветительную цепь, ключ, соединительные провода, миллиметровая бумага.

Основные теоретические положения

Фотоэффект-это испускание электронов из вещества под действием падающего на него света.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку Ф.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует максимальная длинна волны, при которой фотоэффект ещё наблюдается при больших длинах волн фотоэффекта нет.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. д.

Ход занятия

1. С

   C

   *S

   
   

   
   оставить электрическую цепь по схеме на рис.1, соединив катод фотоэлемента с зажимом «+», анод с «-» источника электрической энергии.

Рис.1

2. Установить светофильтр С перед фотоэлементом и осветить его, включив электрическую лампочку S.

3. Замкнуть цепь. С помощью потенциометра получить в цепи наименьшее напряжение. Снять показание измерительных приборов.

4. Плавно изменять положение скользящего контакта потенциометра, увеличивая напряжение, подаваемое на фотоэлемент. Снять 5-7 показаний измерительных приборов.

5. Получить напряжение, при котором фототок равен нулю. Записать показание U_з вольтметра.

6. Вычислить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, используя соотношение

mv _max/2 = eU_зап

7. Вычислить работу выхода электрона, используя соотношение

hv = А_вых + mv _max/2

8. Выразить работу выхода в электрон-вольтах.

9. Результаты измерений, вычислений записать в таблицу:

№ опыта

Частота излучения

v, Гц

Сила фототока

I_ф, А

Напряжение, подаваемое на фотоэлемент, U, В

Максимальная энергия фотоэлектронов Е_к, Дж

Работа выхода А_вых, Дж

Работа выхода А_вых, эВ

Контрольные вопросы

1. Рассказать об устройстве, принципе действия и назначении фотоэлементов.

2. Начертить вольтамперную характеристику фотоэлемента; объяснить ход графика.

3. Привести примеры практического использования фотоэлементов.

4. Сформируйте законы внешнего фотоэффекта.

5. Какое уравнение дает теоретическое обоснование законам фотоэффекта? Запишите его. На основании какого закона это уравнение записывается?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 87,88 с. 257-260

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 18.3, с 463-466

Лабораторное занятие №19*

Изучение явления фотоэффекта

Цель занятия: исследовать зависимость фототока и напряжения от светового потока, определить красную границу для данного материала и работу выхода.

Оборудование:

СД «Открытая физика», интерактивная доска, ПК

Основные теоретические положения

Фотоэффект-это испускание электронов из вещества под действием падающего на него света.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку Ф.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует максимальная длинна волны, при которой фотоэффект ещё наблюдается при больших длинах волн фотоэффекта нет.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. д.

Ход занятия

1. Откройте в разделе «Квантовая физика» окно модели «Фотоэффект».

1. Установите следующие значения:

λ = 380 нм (длина волны падающего света);

Р =1 мВт (мощность падающего света).

2. Нажмите кнопку «Старт», понаблюдайте за происходящим на экране явлением.

3. Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. На экране отображаются установка для наблюдения фотоэффекта, график I (U), текущее значения U, В; Р, мВт; λ, нм; hv, эВ; I, мА.

2. Прервите процесс кнопкой «Сброс».

4. Обратите внимание на то, что в компьютерном эксперименте можно изменять значение напряжения между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны λ в диапазоне видимого света и мощность светового потока Р.

3. Для продолжения эксперимента снова нажмите кнопку «Старт».

4. Проведите компьютерные эксперименты.

Эксперимент 1

Исследовательская задача

а). Выясните, что означает знак « - » перед значением напряжения. Установите отрицательное значение напряжения. Напишите, что происходит и почему.

б). Понаблюдайте и напишите, как зависит фототок I и запирающее напряжение U_зап от величины светового потока.

в). Понаблюдайте и напишите, что происходит, если увеличить разность потенциалов между электродами (не меняя интенсивность падающего излучения)? От чего зависит кинетическая энергия вырываемых светом электронов?

Эксперимент 2

Исследовательская задача

а) Понаблюдайте, при каком значении λ фотоэффект не возникает.

б).Определите «красную границу» фотоэффекта для материала, использованного в данном компьютерном эксперименте.

Эксперимент 3

Исследовательская задача

а). Осветите фотоэлемент синим светом. Плавно увеличивая напряжение, подаваемое на фотоэлемент, измерьте напряжение U_зan, при котором происходит запирание фототока в цепи, т.е. стрелка гальванометра не отклоняется (сила тока равна нулю).

б). По известному значению частоты света v, пропускаемого светофильтром, и измеренному значению напряжения U_зan из катода фотоэлемента.

Теория. Работу выхода А_вых электрона с катода вакуумного фотоэлемента определяют из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

hv = А_вых + mv _max/2

и равенства eU_3an- mv _max/2, из которых следует:

А_вых = hv - eU_зап

в). Выразите полученный результат в джоулях и электрон - вольтах.

г). Результаты измерений и вычислений запишите в отчетную таблицу.

№ опыта

Длина волны

λ, нм

Частота излучения

v, Гц

Работа выхода

А, Дж

Напряжение

U, эВ

Напряжение

U, В

д) Осветите фотоэлемент красным цветом. Повторите эксперимент.

(Далее следуют проверочные задачи 1 -5, представленные на диске).

Эксперимент 4. Определите с помощью использования установки постоянную Планка.

(Далее следуют проверочные задачи 1 -5, представленные на диске).

Эксперимент 5. Творческая задача

В рамках данной темы придумайте, сформулируйте и решите задачу. Проведите компьютерный эксперимент и проверьте свой ответ. Сделайте вывод на основе проделанной работы.

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 87,88 с. 257-260

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 18.3, с 463-466

Лабораторное занятие №20

Наблюдение сплошного и линейчатого спектров

Цель занятия: научиться наблюдать спектры различных источников света и сравнивать их между собой.

Оборудование: спектроскоп прямого зрения (или двухтрубный спектроскоп), общие для всех электрическая лампочка, реостат, ключ, источник электрической энергии, асбестовые фитили на железной проволоке, штатив для закрепления фитилей, люминесцентная лампа, спектральные трубки, прибор для зажигания спектральных трубок (ПДЗТ), растворы веществ(медного купороса, раствора NaCl, марганцево-кислого калия и др.), цветные стекла, цветные карандаши.

Основные теоретические положения

Непрерывные спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твёрдом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существование не только определяются свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр даёт также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейные спектры. Внесём в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп увидим, как на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая жёлтая линия. Эту жёлтую линию дают пары натрия которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. Каждый из спектров - это частокол цветных линий различной яркости, разделённых широкими тёмными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество изучает свет только вполне определённых длин волн. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. В этом случае свет излучает атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный способ, основной тип спектров.

Ход занятия

1. Наблюдение сплошного спектра накаленного металла.

1. На демонстрационном столе установить электрическую лампочку, присоединить ее к источнику электрической энергии через реостат и ключ. Цепь замкнуть.

2. Окуляр спектроскопа приблизить к глазу. Щель спектроскопа направит на накаленную нить электрической лампочки. Резкость изображения спектра отрегулировать передвижением линзы за головку винта.

3. Рассмотреть спектр при полном накале нити лампы, найти в нем все спектральные цвета.

4. Цепь разомкнуть, зарисовать спектр, сохранив последовательность расположения основных цветов спектра.

5. Приблизить окуляр спектроскопа к глазу и рассмотреть спектр дневного света.

6. Сравнить ранее наблюдаемый спектр со спектром дневного света и сделать вывод.

7. Замкнуть цепь. Продолжать наблюдение спектра накаленного металла, уменьшая накал нити. Следить за уменьшением яркости спектра и постепенным исчезновением его составных цветов.

8. Вывод о результатах наблюдения записать.

II. Наблюдение линейчатых спектров.

1. Зажечь спиртовку. Направить щель спектроскопа на пламя спиртовки и получить яркий четкий спектр.

2. В пламя спиртовки поочередно ввести асбестовые фитили, пропитанные исследуемыми растворами. Рассмотреть полученные спектры; отметить положение цветных линий спектра для каждого раствора.

3. Спиртовку погасить; наблюдаемые линейчатые спектры зарисовать.

4. Включить люминесцентную лампу в электрическую сеть.

5. Щель спектроскопа направить на лампу и рассмотреть сплошной спектр ее люминофора. Обнаружить на фоне сплошного спектра несколоко ярких линий паров ртути (фиолетовую, зеленую, желтую).

6. Лампу включить, линейчатый спектр паров ртути зарисовать.

7. Установить поочередно спектральные трубки в приборе ПЗСТ, острый выступ на трубке развернуть в сторону кожуха. Планку закрыть.

8. Подключить прибор к источнику электрической энергии, соблюдая полярность.

9. Расположить щель спектроскопа параллельно щели прибора и рассмотреть спектры газов; отметить характерные для них цветные линии, расположенные на некотором расстоянии друг от друга.

10. Прибор отсоединить от источника тока. Спектры зарисовать, сохраняя расположение цветных линий для каждого газа и относительно расстояние между ними.

11. Сравнить спектры газов и сделать вывод.

2. Наблюдение спектров поглощения.

1. Приблизить окуляр спектроскопа к глазу и получить четкий спектр дневного света.

2. Перед щелью спектроскопа поочередно поместить в стеклянном сосуде растворы исследуемых веществ и цветные стекла.

3. Рассмотреть полученные спектры; найти линии поглощения; обратить внимание на количество линий и место их расположения в каждом конкретном случае.

4. Наблюдаемые спектры зарисовать.

Контрольные вопросы

1. Какова причина разложения белого света призмой?

2. Какие типы спектров вы знаете?

3. Как объяснить происхождение линейчатых спектров?

4. Перечислите и кратко охарактеризуйте основные виды излучений.

5. На каких физических принципах основан спектральный анализ?

6. Приведите примеры практического использования спектров.

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 81,82, с. 241-244

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 19.1-19.3, с 480-489

Лабораторное занятие №20*

Наблюдение спектров испускания и поглощения атома водорода

Цели занятия: познакомиться с видами излучения, со спектрами испускания и поглощения, сравнить частоты поглощения и излучения.

Оборудование: СД «Открытая физика 1.1», мультипроектор, интерактивная доска, ПК

Основные теоретические положения

Непрерывные спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твёрдом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существование не только определяются свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр даёт также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейные спектры. Внесём в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп увидим, как на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая жёлтая линия. Эту жёлтую линию дают пары натрия которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. Каждый из спектров - это частокол цветных линий различной яркости, разделённых широкими тёмными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество изучает свет только вполне определённых длин волн. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. В этом случае свет излучает атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный способ, основной тип спектров.

Ход занятия

1. Откройте (СД «Открытая физика») в разделе «Квантовая физика» окно модель «Постулаты Бора»

2. Установить электрон в основное состояние (n=1), затем перевести в возбужденное состояние (n>1), при котором атом, поглощая фотон переходит в возбужденное состояние с большей энергией. (n=6,5,4,3,2).

3. Для каждого поглощения записать значения длины волны λ.

4. Записать значения энергии всех уровней.

5. Определите энергии поглощенного фотона по формуле:

E_погл=hν=E_n-E_m , где E_nm

6. Определите частоту поглощенного фотона ν_погл.

7. Вычислите радиусы орбит по формуле:

r=r₁·n²

8. Установите электрон в 6-ый энергетический уровень, затем покажите переход атома из состояния E_n в состояние в E_m (m=2).

9. Вычислить энергию излученного фотона:

E=hν=E_n- E_m , где E_mn.

10. Определите частоту излученного фотона ν_изл..

11. Начертите энергетические спектры поглощения и излучения.

12. Все полученные значения занесите в таблицу.

13. Сравнить частоты ν_погл. и ν_изл. и сделать вывод.

14. Результаты записать в таблицу 1 и 2:

Таблица №1

Таблица №2

n

E_n, эВ

Е_n, Дж

λ, нм

hν,

Дж

ν, Гц

энергетический спектр излучения

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите три постулаты Бора, используя которые он построил теорию строения атома.

2. Что показали все полученные опытным путем линейчатые спектры атомов?

3. Объясните суть использования спектрального анализа на практике.

4. Какие переходы электрона в атоме возможны при поглощении света? Какую энергию называют энергией ионизации?

5. Запишите выражения для спектра электромагнитных волн, излучаемых и поглощаемых атомом водорода.

6. Какие переходы электрона в атоме возможны при поглощении света?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 82,83, с. 244-246

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 19.1-19.3, с 480-489

Лабораторное занятие №21

Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

Цель занятия: познакомиться с методом вычисления отношения заряда к массе частицы по фотографиям ее трека.

Оборудование: фотография треков заряженных частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, линейка измерительная, транспортир, лист кальки размером 60 ^х 90 мм.

Основные теоретические положения

Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые их характеристики. В камере же Вильсона быстрая заряженная частица остается след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир, т.е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем.

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это - неустойчивая состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру сразу после расширения пара, то на её пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек. Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима варьируется от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека - её скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше её энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше её скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большой толщины.

Пузырьковая камера. Американским ученым Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы появляются пузырьки пара, дающие видимые трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми. В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющий её от закипания, несмотря на то, что температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой, и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, стоящих из пузырьков пара. В качестве жидкости используются главным образом жидкий водород и пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика - около 0,1с.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром.

Ход занятия

1. Определите направление силовых линий магнитного поля.

2. Укажите причины, по которым толщина и кривизна трека протона увеличиваются к концу его пробега.

3. Измерьте радиус кривизны трека протона к концу его движения и вычислите его энергию в этом месте, а также величину изменения энергии по сравнению начальной.

4. Определите, ядро какого элемента распалось в точке а, если известно, что здесь произошла реакция с захватом одного нейтрона (т.е. нейтрон проник в ядро), а при распаде, кроме двух протонов и двух -частиц, образовались еще нейтроны.

5. Какие частицы составляют «звезду» распада в точке б? в точке с?

На фотографии (рис.14) запечатлены треки частиц, полученных при распаде атомных ядер (так называемые "звёзды" распада), в камере Вильсона. Распады ядер вызваны действием нейтронов с энергией 90 МэВ, двигавшихся в направлении, указанном стрелкой. На снимке видны три "звезды" распада и полный пробег одного протона с начальной кинетической энергией 1,8 МэВ. Камера помещена в однородное магнитное поле с индукцией 1,3 Тл, направленное перпендикулярно фотографии.

На фотографии треков заряженных частиц, двигавшихся в магнитном поле, находят два наиболее искривленных трека. Модули начальных скоростей частиц одинаковы. Левый трек принадлежат ядру атома водорода, правый - неизвестной частице. Отношение заряда атома водорода к его массе равно 9,6 ^х 10⁷ Кл/кг. необходимо найти отношение заряда к массе неизвестной частицы.

Перед началом работы оба трека осторожно переносят на кальку и измеряют радиусы их кривизны. В средних участках треков проводят по две хорды и в середине к ним восставляют перпендикуляры. Точки пересечения перпендикуляров будут центрами кривизны треков. Затем измеряют радиусы кривизны с помощью измерительной линейки, учитывая масштаб снимка.

Далее выводят расчетную формулу.

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, вектор которой перпендикулярен вектору скорости частицы. Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение. Согласно второму закону Ньютона, сила Лоренца равна:

q B=m²/R.

Отсюда модуль скорости неизвестной частицы ₁ будет равен:

₁=q₁R₁B/ m₁,

где q₁ - заряд частицы, m₁ - масса частицы, R₁ - радиус кривизны трека, B - модуль магнитной индукции.

Рис.14

Модуль скорости ядра атома водорода ₂ равен:

₂= q₂R₂B/ m₂,

где q₂ - заряд ядра атома водорода, m₂ - масса ядра атома водорода, R₂ - радиус кривизны трека.

Так как по условию

₁=₂, то q₁R₁B/m₁= q₂R₂B/m₂

Отсюда q₁/m₁= q₂R₂/m₂R₁.

Контрольные вопросы:

1. Почему треки ядер атомов имеют разную толщину?

2. Чем отличаются треки частиц, полученные в фотоэмульсии, от треков частиц в камере Вильсона и пузырьковой камере?

3. Перечислите известные вам три косвенных метода исследования ядра.

4. Какие параметры частиц определяют по длине и толщине треков в камере Вильсона?

5. Какие параметры частиц определяют по искривленным трекам в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 -М.: Просвещение, 2010

§ 97, с. 286

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 20.1-20.6, с 503-521

Раздел 3. Методические указания по выполнению и проведению лабораторных занятий поисковым методом.

Дидактическая игра - Лабораторное занятие «Измерение относительное влажности воздуха»

Проблема. Измерение относительной влажности воздуха.

Дидактическая цель: научиться самостоятельно, измерять относительную влажность, прибегая к разным методам её определения.

Оборудование. Психрометр бытовой, гигрометр металлический, гигрометр волосяной, спирт в стакане с пробкой, термометр лабораторный от 0 до 100°С, воронка простая с коротким стеблем -3 шт., установка для измерения относительной влажности по дефициту жидкости, кондуктор шарообразный от демонстрационного электрометра, лед колотый или снег, груша резиновая, таблица психрометрическая, таблица зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры, вода.

Методические указания

Данная игра проводиться согласно таблице. Группу делят па 5 команд (4-5 обучающихся в каждой). Занятие проходит в виде соревнования между ними, при этом индивидуальная работа сочетается с коллективной. Учебная игра создает условия для проявления поисково-творческих способностей каждым студентом при решении конкретной проблемы: ведь одна и та же величина определяется разными способами.

Во время игры обучающиеся создают дополнительные проблемные ситуации (выбором определенных приборов), выход из которых должен быть найден наиболее оптимальным (рациональным) путем: наименьшее затрата времени, наибольшее точность результатов измерений. Методика проведения игры состоит в том, чтобы решать проблемы разными способами в виде соревнования между несколькими командами студентов. Каждая команда должна решать задания двумя способами.

Решение проблемы включает следующие этапы: а) формулирование проблемы; б) выдвижение гипотезы о способах ее решения; в) выбор необходимого оборудования; г) теоретическое обоснование способа исследования в соответствии с отобранным оборудованием; д) практическое осуществление исследования; е) обсуждение результатов исследования; ж) ответы на контрольные вопросы.

5. По результатам прямых измерений вычислите границы значений левой и правой частей уравнения с учетом ошибок. Сделайте вывод.

I. Этап. Выбор приборов. 10 баллов.

Психрометр,

термометр, таблица психрометрическая

Гигрометр металлический, термометр, спирт, таблица зависимости давления насыщенного пара от температуры

Волосяной гигрометр

Установка для измерения относительной влажности, резиновая груша, термометр таблица

Кондуктор шарообразный, термометр, лед (снег), вода

II. этап. Теоретическое обоснование способов

Контрольные вопросы:

1. Может ли относительная влажность воздуха равняться 100%?

2. Равна ли относительная влажность воздуха 100% во время дождя?

3. Может ли быть относительная важность воздуха больше 100%?

4. Когда разность показаний термометров психрометра больше: когда воздух в кабинете физики более сухой или более влажный?

5. Почему в гигрометре для охлаждения применяется спирт? Зачем через гигрометр продувают воздух

6. Как скажется на результат опыта близость экспериментатора к гигрометру во время опыта? Что целесообразно сделать для установления этого явления?

7. Почему для нахождения точки росы рекомендуется вычислять среднее значение температур появления и исчезновения росы?

8. При каких условиях в случае увеличения абсолютной влажности воздуха происходит уменьшение его относительной влажности?

9. Давление насыщенного пара жидкости (например, воды) не зависит от внешнего давления. Температура кипения, напротив, зависит от внешнего давления. Имеется ли тут противоречие?

10. Объясните, почему при одной и той же температуре жаркая, влажная погода переносится значительно труднее, чем жаркая сухая. Чем принципиально пар отличается от газа?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 72, с. 198-202

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 20.1-20.6, с 503-521

Дидактическая игра - Лабораторное занятие «Изучение изопроцессов»

Данная игра направлена на решение поставленной проблемы в реальных условиях по изучению одного из газовых законов (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака или Шарля). Группу делят на три команды (по числу рядов столов в физкабинете). Занятие проходит в виде соревнования между командами, при этом индивидуальная работа сочетается с коллективной. Учебная игра создает необходимые условия для проявления творческих способностей обучающихся , в данном случае изучаются три разных газовых закона с использованием одного и того же оборудования.

Во время игры , обучающиеся если их предварительно настроить, создают дополнительные проблемные ситуации.

Решение проблемы включает следующие этапы: а) четкая постановка и формулировка проблемы; б) выдвижение гипотезы о способах ее решения; в) выбор и характеристика необходимо оборудования; г) теоретическое обоснование способа исследования в соответствии с отобранным оборудованием; д) практическое осуществление исследования; е) обсуждение результатов исследования, ответы на контрольные вопросы.

Дидактическая цель

Научится самостоятельно исследовать зависимость между параметрами идеального газа; закрепить умение измерять атмосферное давление, гидростатическое и температуру; отобрать методику обработки результатов измерений с применением программированного калькулятора.

Оборудование

Стеклянная трубка длиной около 60 см и диаметром примерно 10 см, запаянная с одного конца; цилиндрически сосуд высотой примерно 60 см с водой (горячей или холодной в зависимости от выполняемой лабораторной работы); цилиндрический сосуд меньших размеров с водой при комнатной температурой; пластилин; салфетки; деревянная линейка с делениями; термометр; денсиметр; барометр.

Задания

1. Напишите характеристики средств измерения.

2. Запишите закон, изучаемый экспериментально, для двух состояния газа и уравнение, которое проверяется в работе.

3. Соберите установку для выполнения работы. Переведите газ в первое состояние. Измерьте соответствующие величины.

4. Результаты прямых измерений запишите в таблицу.

направлении добиться одинакового уровня воды в трубке и сосуде. Измерить длину столба воздуха 1₂ в трубке.

Методические указания

Первая команда. Экспериментальная проверка закона Бойля- Мариотта.

В запаянной с одного конца трубке находится воздух объемом Sl₁ атмосферном давлении р₁ (рис. 1а). Если ее опустить открытым концом в воду, воздух а трубке будет находиться под давлением Р₁+ gН, где - плотность воды, Объем воздуха в трубке станет равен Sl₂ (рис. 1б). По закону Бойля-Мариотта Sl₁ Р₁ - Sl₂ (Р₁ + gН). В работе необходимо доказать правильность равенства l ₁ p ₁= l ₂ Р₁ + gН).

Вторая команда. Экспериментальное изучение закона Гей-Люссака. Воздух запаянный с одного конца трубке, объем которого Sl (рис.2 а), нагревают до температуры t₁. Затем трубку опускают открытым концом в воду при комнатной температуре (рис.2б). Когда температура воздуха в трубке будет равна температуре. воздуха t₂ в кабинете физики, трубку опускают в воду, чтобы воздух в ней был под атмосферным давлением. По закону Гей- Люссака Sl₁ / Т₁= Sl₂ / Т₂

В работе необходимо экспериментально установить правильность равенства

l₁/(T₀+t₁) = 1₂/(Т₂ + t₂), где Т₀ =27З,15 К

Третья команда. Экспериментальное изучение закона Шарля. В запаянную с одного конца трубку наливают до половины объема воды (рис.3а) и нагревают воздух в ней до температуры t₁ . Затем трубку закрывают, переворачивают, открытым концом опускают в воду при комнатной температуре. Когда воздух в трубке охладится до комнатной температуре t₂, ее погружают в воду так, чтобы воздух в ней занимал предыдущий объем (рис.3б). При этом воздух в трубке находиться по давлением р₁₌gН, По закону Шарля р₁ Т₁=(р₁ +gН) / Т₂. В работе проверяют равенство р₁ /Т₁=(р₁ -gН) / Т₂

Первая команда. Измерить атмосферное давление р₁ и длину столба воздуха в трубке h.

Опустить трубку в высокий цилиндр с водой открытым концом вниз и погрузить ее как можно глубже (см. рис.1). Измерить разность уровней жидкостей в сосуде и трубке Н, а также длину столба воздуха в трубке 1₂. Измерить денсиметром плотность воды.

Примечание. Следует обратить внимание, студентов на то, что каждый раз трубку удерживают салфеткой, так как, взявшись за нее руками, мы нагреваем воздух в трубке.

Вторая команда. Измерить температуру горячей воды t₁, температуру воздуха в кабинете физики t₂, и длину столба воздуха в трубке 1_1.

Опустить трубку в горячую воду с закрытым концом вниз (см. рис.3). После прогревания закрыть трубку пластилином, перевернут» и опустить в сосуд с водой при комнатной температуре. Снять пластилин. Перемещением трубки в вертикальном направлении добиться уровня воды в трубке и сосуде. Измерить длину столба воздуха 1₂ в трубке.

Третья команда. Измерить атмосферное давление р₁ температуру горячей воды t₁ и воздуха и комнате t₂.

Налить в трубку воды до такого уровня, пока она не займет половины ее объема и отметить положение уровня воды. Опустить трубку в горячую воду (см.рис. 13). После прогревания закрыть трубку пластилином, перевернуть и опустить в сосуд с водой при комнатной температуре. Снять пластилин, Перемещая трубку по вертикали, установить такой же объем, как и в предыдущей лабораторной работе. Измерить разность уровней Н воды в трубке и сосуде.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Контрольные вопросы

1. Что называется идеальным газом?

2. Является ли температура понятием макро- или микроскопическим?

3. Изобразите на диаграммах (р; Т), (p;V), (V; T) графики изотермического, изобарического и изохорического процессов.

4. Некоторая масса идеального газа сначала изохорно нагревается, после изотермического расширения и последующего изобарного охлаждения возвращается в начальное состояние. Изобразите эти процессы в координатах V, Т.

5. Начертите график зависимости плотности газа от температуры Т при изотермическом, изобарном и изохорном процессах.

6. Объясните механизм давления идеального газа при изопроцессах с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

7. Объем и масса газа постоянны, а давление увеличивается быстрее, чем температура. Можно ли считать такой газ инертным?

8. Осветительная лампочка имеет тонкостенный непрочный баллон и заполняется инертным газом. Из каких соображений выбирается давление газа?

9. Оцените силу, необходимую для того, чтобы оторвать от спины поставленную медицинскую банку.

10.При каких условиях две изотермы, соответствующие разным

температурам, могут совпасть?

11. Постоянно ли произведение PV, как в законе Бойля-Мариотта, если учесть

собственный объем молекул газа? Если не постоянно, то как оно

изменится?

12. Объясните физическую сущность закона Бойля-Мариотта.

13. В чем состоит физическая сущность закона Гей-Люссака?

14.Объясните физическую сущность закона Шарля?

15.Какова физическая сущность абсолютного нуля?

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 -М.: Просвещение, 2010

§ 69, с. 186-191 Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008, § 20.1-20.6, с 503-521

Оформление отчета при выполнении и проведении лабораторных занятий поисковым методом

1. Я хочу узнать: 2. Я об этом уже знаю……..

3. Предлагаю сделать (идея)

4. Необходимы приборы и материал 5. План моих действий

а)

б)

в)

г)

6. Делаю Получаю

а)____________________________ а)____________________________

б)____________________________ б)_____________________________

в)____________________________ в)_____________________________

г)____________________________ г)______________________________

7. Делаю выводы

8. Объясняю результаты

9. Анализирую результаты. В связи с ними у меня возникли вопросы:

Отчет о работе №________________

1. Я хочу узнать:______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Я об этом уже знаю…….

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

3. Предлагаю сделать (идея)

____________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________

4. Необходимы приборы и материалы

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

5. План моих действий

а)_________________________________

б)_________________________________

в)_________________________________

г)_________________________________

6. Делаю Получаю

а)_________________________________ а)_______________________________

б)_________________________________ б)_______________________________

в)_________________________________ в)_______________________________

г)_________________________________ г)_______________________________

8. Объясняю результаты

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9. Анализирую результаты. В связи с ними у меня возникли вопросы:

Литература

1. Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике для средних специальных учебных заведений М. Высшая школа 1998 г.

2. Требования к разработке методических указаний для студентов по проведению лабораторных и практических работ. М. Издательский отдел НМУ СПО 2004

3. Бочарникова Я.В. Изучение явления фотоэффекта. Лабораторная работа по СD «Открытая физика» / Я.В. Бочарникова // Первое сентября Физика - №1, 2005.- 15 янв.

4. Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Шифер Н.И. Лабораторные работы по физике для средних ПТУ [Текст] / О.Ф. Кабардин., В.А. Орлов, Н.И. Шифер. - М.: Высшая школа.2001

5. Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования [Текст] / Под общ. Ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой - М., ФОРУМ: ИНФРА-М., 2008

6. Открытая физика [Электронный ресурс] - ООО «Физикон, Долгопрудный», 2008 - 1 электрон. Опт. Диск СD

7. Покровский А.А. Практикум по физике в средней школе [Текст] / А.А.Покровский- М.; Просвещение, 2008

8.Самойленко П.И. Физика (для нетехнических специальностей): учебник [Текст] / П.И. Самойленко.-М.; Мастерство, 2007

9.Шилов В.Ф.Лабораторные работы в школе и дома: электродинамика; книга для учащихся [Текст] / В.Ф. Шилов. - М.: Просвещение, 2009

10. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10,11 -М.: Просвещение, 2010

Учебное издание

Лабораторный практикум по физике

Автор и составитель : Яшина Галина Евгеньевна