Содержание:

Предисловие

2

Пр/р №1. Действие над векторами

3

Пр/р №2. Графики скорости

7

Пр/р №3. Графики движения

11

Пр/р №4. Столкновение тел

15

Пр/р №5. Давление воздуха и пара

23

Пр/р №6. Измерение давления пара манометрами

29

Пр/р №7. Мензурки

34

Пр/р №8. Гидравлический пресс

40

Предисловие.

Предлагаемое пособие представляет набор дидактических карточек для выполнения практических заданий по физике для студентов 1 курса специальностей: 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»; 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям); 22.02.02 «Металлургия цветных металлов»; 23.02.03 «Техническая эксплуатация и ремонт автомобильного транспорта».

В основу их построения положена рабочая программа учебной дисциплины «физика», разработанная на основе примерной программы ФГАУ «ФИРО» от 23 июля 2015 г. Максимальная учебная нагрузка 181 час, обязательная аудиторная - 121ч. Половина часов учебного времени (60 ч) идёт на выполнение практических и лабораторных работ.

При составлении предлагаемых дидактических карточек приняты следующие соображения:

1.необходимые исходные данные для упражнений студенты извлекают из рисунка на карточке;

2. рисунок на карточке способствует развитию и выработке навыков отсчёта по шкалам измерительных приборов или по графическим изображениям зависимостей между величинами;

3. с целью систематического повторения пройденного материала на основе нового, каждая карточка охватывает несколько тем программы;

4. вопросы к каждому набору карточек для всех студентов одинаковы; всего разработаны 12 вариантов;

5. Карточки обеспечивают самостоятельность работы каждого студента и дифференцированы по своей сложности (1-2 попроще, 9-10 несколько сложнее остальных, «а» и «б» - для дополнительных заданий);

6. Карточки не подменяют собой самостоятельную работу студентов с приборами на лабораторных занятиях.

Практическая работа №1.

Действия над векторами.

Методические указания:

На карточках №1-4 изображены: три примера на сложение двух векторов, выходящих из общей точки под острым, прямым и тупым углами (рис 1,2,3); два примера на нахождение составляющих векторов по известному результирующему вектору и заданным направлениям составляющих (рис 4,5). На карточках № 5-8 даны схематические рисунки кронштейна и троса с подвешенными грузами (рис 6,7); наклонной плоскости, на которой лежит тело (рис 8); лежащего на горизонтальной поверхности тела, на которое действует сила тяги под углом к горизонту (рис 9).

При выполнении заданий соответствующие рисунки необходимо чертить в тетради и при этом учитывать, что сторона клетки равна 5 мм, а 1 мм - пяти единицам измерения.

При выполнении заданий к рисункам 6,7,8,9 необходимо изобразить все реально действующие силы, а также выбрать и начертить оси координат.

Модули результирующих векторов можно измерять с помощью миллиметровой линейки или вычислять по теореме Пифагора.

Для определения значений сил упругости в стержнях кронштейна и тросов, удерживающих подвешенный к ним груз: а) начертите равнодействующую упругих сил, которые уравновешивают силу тяжести (она будет направлена в сторону, противоположную силе тяжести и равна ей по модулю); б) зная модуль и направление результирующего вектора и направление составляющих, определить модули составляющих сил, составляя пропорции из соотношения сторон подобных треугольников (величину необходимых для этого углов можно определить по рисунку, считая число клеток на катетах прямоугольных треугольников, используя определение тангенса углов).

Ответьте на вопросы:

1. Найдите сумму векторов, изображённых на рисунках 1,2,3.

2. Найдите разность этих же векторов.

3. Определите составляющие данного результирующего вектора (рис 4,5).

4. Определите силы упругости в стержне кронштейна, уравновешивающих груз (рис 6).

5. Определите силы упругости в тросах, удерживающих подвешенный к ним груз (рис 7).

6. С какой силой надо тянуть груз на рисунке 8, чтобы он равномерно двигался: а) вверх по наклонной плоскости; б) вниз, если коэффициент трения 0,2.

7. При каком минимальном коэффициенте трения груз на рисунке 8 будет удерживаться на наклонной плоскости?

8. Какая механическая работа совершается при перемещении тела на 20 м по горизонтальной плоскости на рисунке 9?

9. С каким ускорением будет двигаться тело по горизонтали на рисунке 9, если коэффициент трения равен 0,2, а масса тела 30 кг?

Практическая работа №2.

График скорости.

Методические указания:

На карточке изображён график скорости, показывающий, как изменяется скорость тела в зависимости от времени.

Равноускоренное движение тела занимает только часть времени. Другую часть времени тело движется равномерно и прямолинейно. Масса тела и сила сопротивления (трение и сопротивление среды) указаны на карточке.

Ответьте на вопросы:

1. 1. Определите масштаб скорости и времени.

   2. Определите время равноускоренного движения и начальную скорость.

   3. Какую скорость приобрело тело?

   4. Каково ускорение?

   5. Вычислите путь, пройденный: а) при разгоне, б) при равномерном движении.

   6. Напишите уравнение движения для данного в карточке случая.

   7. Вычислите силу тяги при разгоне, считая силу сопротивления неизменной.

   8. Каков импульс тела при равномерном движении?

   9. Вычислите работу за всё время движения.

2. Вычислите мощность при равномерном движении.

3. Какой кинетической энергией обладает тело при равномерном движении?

Практическая работа №3.

График движения.

Методические указания:

На карточках изображены графики зависимости пути от времени для прямолинейного равномерного движения до остановки в одном направлении, после - в обратном.

Работу с карточками целесообразно начать с повторения равномерного прямолинейного движения: пути и перемещения, скорости и средней скорости, а так же работы силы тяги( её модуль указан на самой карточке, направлена это сила вдоль перемещения) и мощности.

Ответьте на вопросы:

4. Определите масштаб пути и времени.

5. Начертите по данному графику пути график зависимости координаты от времени, считая движение прямолинейным до остановки в одном направлении, а после - в обратном.

6. Сколько времени тело: а) движется в одну сторону, б) стоит, в) движется обратно?

7. Какой общий путь прошло тело за время наблюдения?

8. Вычислите скалярную среднюю скорость на участке ОС.

9. Вычислите скорость движения: а) до остановки, б) после остановки.

10. Каково общее перемещение тела?

11. Проведите на графике движения, начерченном вами в тетради, прямую из конца 5-й клетки на оси координаты до конца 10-й клетки на оси времени (считая от 0). Эта прямая будет графиком движения второго тела, движущегося вдоль той же прямой, что и первое тело.

12. Определите скорость движения этого тела, место и время встречи его с первым телом.

13. Вычислите работу силы тяги и развиваемую мощность на участке ОА.

Практическая работа №4.

Столкновение тел.

Методические указания:

На карточках изображены, на горизонтальной плоскости, тела разной массы. Одно тело m₁ , находящееся в покое, начинает движение из точки В с ускорением a. После прохождения точки А оно продолжает двигаться равномерно и в точке С сталкивается с другим телом m₂, которое до этого находилось в покое. В конце этого прямого, центрального столкновения у тележек включается торможение, вызывающее ускорение, модуль которого a´=1 м/с². Пройдя некоторое расстояния, тела останавливаются.

Массы тел указаны в карточках. Там же дан модуль ускорения при разгоне первого тела. О расстоянии, которое оно прошло с этим ускорением, можно судить по отметке и указанному в карточках масштабу. На карточках № 9 и 10 даны модуль и направление скорости второго тела в момент прохождения им точки С.

Производя расчёты, следует пренебречь перемещением точки соприкосновения тел во время взаимодействия (вследствие кратковременности удара) и трением до торможения.

При абсолютно неупругом столкновении сразу после деформации сжатия происходит сцепление тел и они движутся дальше, как одно целое с общей скоростью u.

На обороте карточек приведены графики скоростей тех же тележек, но при абсолютно упругом столкновении.

Расстояние между тележками после их остановки равно разности перемещений каждой тележки за время торможения.

В вопросах 1-4 рассматривается абсолютно неупругое столкновение, в вопросах 5-7 - абсолютно упругое столкновение.

Перед выполнением данной работы целесообразно повторить закон сохранения импульса при абсолютно неупругом столкновении тел.

Ответьте на вопросы:

1. Зная масштаб, по рисунку вычислите, какое расстояние пройдёт тележка m₁, двигаясь с ускорением а¯ из точки В в точку А.

2. Какую скорость относительно земли в точке А будет иметь тележка m₁, если в точке В она покоилась, а на участке АС двигалась равномерно?

3. Какую общую скорость будут иметь тележки после сцепки (неупругое столкновение), двигаясь некоторое время до торможения равномерно?

4. Через сколько времени и на каком расстоянии от начала торможения остановятся тележки, если сила торможения вызывает ускорение, направленное против движения (а´=1 м/с₂)?

5. Какую скорость υ₁´ ,будет иметь тележка m₁ после упругого столкновения с тележкой m₂?

6. Какую скорость υ₂´ будет иметь тележка m₂ после абсолютно упругого столкновения с тележкой m₁?

7. На каком расстоянии l друг от друга остановятся тележки после одновременного включения торможения, вызывающего ускорение a´=1 м/с₂? (Торможение начинается сразу после конца взаимодействия тележек.)

Практическая работа №5.

Давление воздуха и пара

Методические указания:

На правом рисунке карточки изображен барометр-анероид, показывающий истинное атмосферное давление, на левом - барометрическая трубка с ртутью, в которую после получения вакуума было пущено некоторое количество воды. Часть этой воды образовала над ртутью насыщающие водяные пары. О наличии этих паров можно судить по присутствию некоторого количества воды над поверхностью ртути и по соответствующему снижению уровня ртути вследствие давления водяных паров.

Для определения силы давления атмосферного воздуха на площадку, воспользуйтесь формулой, определяющий физический смысл давления.

Давление насыщающих водяных паров над ртутью определяем по разнице между атмосферным давлением и разностью гидростатических давлений столбиков ртути в барометрической трубке.

Давление водяных паров в воздухе с учетом относительной влажности 50% определить по формуле

Р _{водяных паров}= Р _{насыщенных паров} *50%

Давление сухого воздуха определите из разницы атмосферного давления водяных паров.

Изучите тему «Абсолютная и относительная влажность воздуха. Точка росы.» по учебнику В.Ф. Дмитриева, М.2004 г. §3.5

Ответьте на вопросы:

1. Определите цену деления шкалы барометра-анероида.

2. Какое давление указывает этот барометр?

3. Вычислите силу давление атмосферного воздуха на площадку, размер которой указан в карточке.

4. Какова разность гидростатических давлений столбиков ртути в барометрической трубке в мм рт. ст.?

5. Вычислите давление насыщающих водяных паров над ртутью в барометрической трубке.

6. Определите по таблицам или графикам температуру насыщающих паров и окружающего воздуха.

7. Вычислите давление водяных паров в воздухе, если относительная влажность в атмосфере 50%.

8. Каково давление сухого атмосферного воздуха?

9. Определите точку росы.

Г

рафики, изображающие зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Практическая работа №6.

Измерение давления газа манометрами.

Методические указания:

На карточке изображены два сосуда, соединенные между собой в нижней части трубкой с краном. Жидкостный ртутный манометр указывает давление газа в левом сосуде, а металлический манометр - давление в правом сосуде.

Жидкостные манометры делятся на открытые и закрытые. Открытые показывают разницу между давлением газа в сосуде и давлением окружающего атмосферного воздуха.

Закрытые манометры сразу дают величину давления в сосуде независимо от внешнего атмосферного давления.

Металлические манометры тоже разделены на два типа: «ати» и «ата». Надпись над манометром «ати» условно обозначает «избыточное давление», т.е. величину, на которую давление воздуха в сосуде превышает атмосферное давление. Надпись «ата» указывает истинное значение давления газа без учета внешнего атмосферного.

Обычно давление на металлических манометрах измеряется в технических атмосферах:

1ат = 100 000 Н/м² = 10⁵ Па

Жидкостные манометры в миллиметрах ртутного столба:

1 мм.рт.ст. = 133 Н/м² = 133 Па

Температуру, при которой находятся оба газа в сосудах считать равной 27⁰С.

Разность уровней ртути в жидкостном манометре определяем сложением величины от 0 до максимального значения и от 0 до минимального значения.

Для расчета абсолютного давления газа, которое установится в сосуде, используйте уравнение изотермического процесса:

P₁V₁+P₂V₂=P(V₁+V₂)

При выполнении 7 задания запишите уравнение изохорного процесса. Массу газа вычислите через давление Менделеева-Клапейрона.

Ответьте на вопросы:

1. Определите цену деления шкалы у каждого вида манометров.

2. Какова разность уровней ртути в жидкостном манометре?

3. Вычислите абсолютное давление газа в сосуде V₁, выразив его в атмосферах. Принимать 1 ат = 10⁵ Н/м² и 1 мм.рт.ст. = 133 Н/м².

4. Определите по шкале манометра абсолютное давление в сосуде объемом V₂.

5. Вычислите, какое абсолютное давление установится в сосудах, если открыть в трубе, соединяющей эти сосуды, краны. Считать при этом процессе изотермическим.

6. На каких уровнях установится ртуть и на каком делении шкалы металлического манометра расположится стрелка при открытом кране?

7. Какое давление будет иметь газ в сосуде V₂ при охлаждении его до -73⁰С? Начальная температура и объем указаны в карточке.

8. В сосуде V₂ находится воздух. Определите его массу, принимая молекулярную массу воздуха равной µ=30 г/моль, а универсальную постоянную R= 8,31·10³ Дж/(град·кмоль).

Практическая работа №7.

Мензурки

Методические указания:

На левой части карточки изображены измерительные цилиндры (мензурки), в которых находится определенный объем керосина.

На правой дано изображение той же мензурки с погруженным в керосин телом.

Тело пред погружением имело температуру 100⁰С. На карточках указана масса стеклянной мензурки и род вещества, из которого сделано тело.

Для выполнения задания 6 запишите уравнение теплового баланса с учетом рассеивания энергии, составляющее 10%, массу мензурки.

90%Q = Q₁ + Q₂

Q - количество теплоты отдает тело;

Q₁ - количество теплоты идет на нагрев тела;

Q₂ - количество теплоты идет на нагрев мензурки.

Количество теплоты, которое может выделяется при полном сгорании керосина рассчитать с учетом удельной теплоты сгорания топлива (керосин 46 мДж/кг)

Q=q·m

Для выполнения 8 задания составьте уравнение теплового баланса с учетом КПД установки 40%, и насыщения воды 5%.

40%Q = Q₁ + 5% Q₂

Q - количество теплоты выделяет керосин;

Q₁ - нагрев воды от 20⁰ до 100⁰С;

Q₂ - испарение воды при температуре 100⁰С.

При выполнении 9 задания составить уравнение теплового баланса с учетом КПД нагревателя 40%. Нагрев олова, взятого при температуре 20⁰С, его плавление, и нагрев до 270⁰С. Удельную теплоемкость смотреть в таблице «Тепловые свойства веществ». 1 калория (1 калл = 4,2 Дж).

При расчете мощности работы эл. двигателя надо учесть КПД:

N·η = A/t A=Q

А - работа электродвигателя;

Q - количество теплоты выделяющееся при сгорании топлива.

При удерживании тела внутри керосина в состоянии покоя, надо рассмотреть силы действующие на тело, начертить чертеж.

Ответить на вопросы:

1. Цена деления шкалы мензурки.

2. Определите объем керосина в мензурке.

3. Каков объем тела, опущенного в керосин?

4. Вычислите массу керосина в мензурке.

5. Вычислите массу тела (род вещества указан в карточке).

6. Какую температуру будут иметь оба вещества после погружения тела в жидкость, если керосин имел 20⁰С, а тело 100⁰С? (Учесть массу мензурки и рассеивания энергии, составляющей 10% от того количества теплоты, которое передается твердым телом).

7. Какое количество теплоты может выделится при полном сгорании керосина?

8. Сколько воды от 20 до 100⁰С может нагреть этим керосином в установке КПД 40%, если при этом нагревании 5% воды испаряется?

9. Какое количество олова, взятого при 20⁰С, можно расплавить и нагреть до 270⁰С, сжигая данное количество керосина при КПД нагревателя 40%? (Полагать удельную теплоемкость в твердом и жидком состоянии одинаковой.)

10. На сколько времени хватит данного в мензурке керосина для беспрерывной работы двигателя дизеля мощностью 20 кВт, если его КПД 25%?

11. Что покажет динамометр, удерживающий данное тело в середине керосина? (Принимать g = 10м/сек².)

12. Вычислите показания динамометра при движении всей системы вверх с постоянным ускорением 4 м/сек².

13. Вычислите показания динамометра при движении всей системы вниз с постоянным ускорением 4 м/сек².

14. Что покажет динамометр в состоянии невесомости:

15. а) при покое или равномерном движении всей системы относительно корпуса космического корабля;

16. б) при движении с ускорением 4 м/сек² вдоль линии тело - динамометр?

17. Чему равны силы тяжести и вес тела, опущенного в керосин на космическом корабле, движущемся по орбите вокруг Земли на расстоянии 300 км?

Плотность вещества

Твердые тела, 10³кг/м³

алюминий

2,7

олово

7,3

германий

5,4

свинец

11,3

кремний

2,4

серебро

10,5

лед

0,9

сталь

7,8

медь

8,9

хром

7,2

нихром

8,4

пробка

0,2

фарфор

2,3

мрамор

2,7

стекло

2,5

золото

19,3

латунь

8,5

Жидкости, 10³кг/м³

бензин

0,70

нефть

0,80

вода

1,0

ртуть

13,6

керосин

0,8

спирт

0,79

Твердые свойства веществ

Твердые тела

Вещества

Удельная теплоемкость, кДж/(кг*К)

Температура плавления, ⁰С

Удельная теплота плавления, кДж/кг

золото

0,13

1064

-

алюминий

0,88

660

380

лед

2,1

0

330

медь

0,38

1083

180

олово

0,23

232

59

свинец

0,13

327

2

серебро

0,23

960

87

сталь

0,46

1400

82

фарфор

0,76

-

-

стекло

0,84

-

-

латунь

0,38

1000

-

пробка

2,1

-

-

мрамор

0,88

-

-

Жидкости (при нормальном давлении)

вода

4,19

100

2,3

ртуть

0,12

357

0,29

спирт

2,4

78

0,85

керосин

2,1

-

-

Практическая работа №8.

Гидравлический пресс

Методические указания:

На карточке изображена принципиальная схема гидравлического пресса манометр измеряет давление масла. Это давление вызывается действием силы F на конец рукоятки рычага, движущего малый поршень вниз. Такое же давление передается на большой поршень, который сжимает брусок высотой 10 см. Площадь сечения этого бруска и материал, из которого сделан брусок, указаны на карточке.

По напряжению, возникающему, в бруске при деформации сжатия, можно найти то изменение, температуры, при котором брусок получит такое же уменьшение длины, какое он получил при данной деформации на гидравлическом прессе.

Силу, действующую на малый и большой поршень, вычислить из определения давления напряжение сжатия в бруске:

; .

Величину относительного сжатия вычислить из определения напряжения: ;

Величина абсолютного сжатия: ∆l; мм

Изменение температуры, вызывающее такое же укорачивание стержня: ; ∆t=?

При расчетах использовать таблицу:

Материал

Модуль упругости

Е, Н/мм²

Коэффициент линейного расширения β, град^-1

Сталь

Медь

Латунь

Алюминий

21·10⁴

10·10⁴

11·10⁴

7·10⁴

12·10^-6

17·10^-6

19·10^-6

26·10^-6

Ответить на вопросы:

1. Определите цену деления шкалы манометра.

2. Каково давление масла?

3. Вычислите силы, действующие: а) на малый поршень; б) на большой поршень; в) на рукоятку рычага.

4. Вычислите напряжение сжатия в бруске.

5. Какова величина относительного сжатия, вызванного этим напряжением?

6. На сколько миллиметров укоротилась длина бруска (l₀=10 см) под этим напряжением?

7. Какое изменение температуры даст такое же укорачивание?

45