МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ обучающимся по выполнению лабораторных работ учебной дисциплины ФИЗИКА

ДЕПАРТАМЕНТ ВНУТРЕННЕЙ И КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«БЕЛГОРОДСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

обучающимся по выполнению лабораторных работ

учебной дисциплины ФИЗИКА

Белгород

2015

Одобрены

предметно - цикловой комиссией математических

и естественно - научных дисциплин

Протокол № 1

от «31» августа 2015 г.

Председатель предметно-

цикловой комиссии

______________________

Разработаны на основе

рабочей программы учебной дисциплины «Физика»

Заместитель директора по учебно-

методической работе

______________________

Составитель:

©Еськова Татьяна Михайловна, преподаватель физики

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка…………………………………………………………...5

Лабораторная работа № 1

Исследование движения тела под действием постоянной силы.………………………………………………………………………………..6

Лабораторная работа №2

Изучение особенностей силы трения (скольжения)………………………………………………………………………7

Лабораторная работа №3

Изучение закона сохранения импульса………………………………………….9

Лабораторная работа № 4

Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости….…………………………………………………………12

Лабораторная работа № 5

Измерение влажности воздуха………….……………........................................13

Лабораторная работа № 6

Определение поверхности натяжения воды методом отрыва капель………14

Лабораторная работа № 7

Наблюдение процесса кристаллизации. Изучение деформации растяжения………………………………….……………………………………16

Лабораторная работа №8

Изучение теплового расширения твердых тел.……………………………….18

Лабораторная работа № 9

Изучение особенностей теплового расширения воды……………..………….19

Лабораторная работа № 10

Изучение закона Ома для участка цепи, последовательное и параллельное соединение проводников…………………………….………………………….20

Лабораторная работа № 11

Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника напряжения……………………………...……………………………………..…22

Лабораторная работа № 12

Изучение закона Ома для полной цепи………………………………...………23

Лабораторная работа № 13

Определение коэффициента полезного действия электрического чайника……..……………………………………………………….……………24

Лабораторная работа № 14

Определение температуры нити лампы накаливания…………………………26

Лабораторная работа № 15

Изучение явления электромагнитной индукции………………………………27

Лабораторная работа № 16

Изучение зависимости периода колебаний нитяного маятника от длины нити……………..………………………………………………………………...28

Лабораторная работа № 17

Индуктивное и емкостное сопротивление в цепи переменного тока………………………………………………………….……………………30

Лабораторная работа № 18

Изучение изображений в тонкой линзе………………………………………..32

Лабораторная работа № 19

Изучение интерференции и дифракции света…………………………………33

Лабораторная работа № 20

Градуировка спектроскопа и определение длины волны спектральных линий………………………………………………………………………..……35

Библиографический список …………………………………………………….38

Пояснительная записка

Предлагаемые методические рекомендации входят в учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика», разработаны для студентов первого курса всех специальностей.

Предлагаемые методические указания представляют собой практикум по лабораторным работам для обучающихся соответствующих специальностей по всему курсу общей физики и ориентированы на использование современных физических приборов, электронного учебника «Основы электроники».

Основная цель пособия - способствовать формированию у обучающихся ключевых учебных и личностных компетенций, а также развитию творческих компетенций.

По своему содержанию лабораторные работы представляют собой наблюдения, измерения и опыты, тесно связанные с темой занятия. В пособие включены следующие виды заданий: 1) наблюдение и изучение физических явлений, 2) наблюдение и изучение свойств веществ, 3) измерение физических величин, 4) исследование зависимостей физическими величинами, 5) изучение физических законов.

Лабораторные работы составлены по разделам курса общей физики согласно разработанной автором рабочей программе и выполняются на типовом лабораторном оборудовании или с использованием набора L - микро.

Выполнение всех работ является обязательным для всех обучающихся. Лабораторные работы 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 работы составлены в виде инструкций. Каждая инструкция содержит цель работы, перечень оборудования, краткую теорию, ход выполнения работы (включая графы для составления отчета) и контрольные вопросы, обращающие внимание обучающихся на

существенные стороны изучаемых явлений. Вопросы помогают глубже осмыслить производимые действия и полученные результаты и на их основе самостоятельно сделать необходимые выводы.

Материал данного пособия прошел апробацию при обучении физике обучающихся Белгородского строительного колледжа.

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

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

Целями выполнения лабораторных работ 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.

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

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

После окончания работы каждый обучающийся должен предоставить отчет. Небрежное оформление отчета, исправление уже написанного недопустимо.

В конце занятия преподаватель ставит зачет, который складывается из результатов наблюдения за выполнением практической части работы, проверки отчета, беседы в ходе работы или после нее. Все лабораторные работы должны быть выполнены и защищены в сроки, определяемые программой или календарным планом преподавателя. Обучающиеся, не получившие зачет, к экзамену не допускаются.

Лабораторная работа № 1

Исследование движения тела под действием постоянной силы

(по наклонной плоскости).

Цель работы: доказать, что движение тела - равноускоренное и вычислить ускорение движения.

Краткая теория.

При движении по наклонной плоскости на тело действуют три силы: сила тяжести, направленная вниз, сила реакции опоры, направленная перпендикулярно плоскости, и сила трения, направленная вдоль плоскости в сторону, противоположную движению тела. Если геометрическая сумма сил больше нуля, тело движется с ускорением.

Поскольку движение равноускоренное, то по второму закону Ньютона

(1)

В проекциях с учетом знаков это уравнение записывается так:

Вспомогательное уравнение

(2)

Примечание.

Углы, которые получаются при проектировании силы тяжести на оси Ох и Оу, равны углупри основании наклонной плоскости как углы с взаимно перпендикулярными сторонами.

При движении с ускорением, если ₀=0, то

(3).

Оборудование: штатив, направляющая рейка, каретка, секундомер с двумя датчиками.

Ход работы:

1. Установить направляющую рейку при помощи штатива под углом 30⁰ (h=22 см).

2. К секундомеру подключить датчики. Один датчик установить на расстоянии 6 см от начала рейки. Второй- датчик будет устанавливаться на расстоянии 25см, 30см, 35см.

3. Каретку устанавливаем на направляющую рейку так, чтобы магнит располагался на расстоянии менее 1 см от первого датчика.

4. Отпустить каретку и определить время движения каретки между датчиками. Опыт повторить 3 раза.

5. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:

6. №

   опыта

   S, м

   t_, c

   t_ср., c

   a, м/с²

   a_ср.,

   м/с²

   

   , м/с²

   1

   0,25

   t₁=

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   t₂=

   t₃=

   2

   0,30

   t₁=

   
   

   
   

   t₂=

   t₃=

   3

   0,35

   t₁=

   
   

   
   

   t₂=

   t₃=

   Проверить выполнение соотношения . Сделать вывод:

________________________________________________________________.

7. Вычислить ускорение по формуле :

_______________________________________________________________.

8. Вычислить относительную погрешность по формуле :

_______________________________________________________________.

9. Вычислить абсолютную погрешность по формуле :

_______________________________________________________________.

10. Сделать вывод:

_______________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о механическом движении и его видах.

2. Сформулируйте законы механики Ньютона.

3. Расскажите подробно о силах действующих на тело при движении по наклонной плоскости.

Лабораторная работа № 2

Изучение особенностей силы трения (скольжения).

Цель работы: изучить зависимость силы трения от различных факторов и определить коэффициент трения скольжения.

Краткая теория.

(1).

Оборудование: динамометр, грузы с двумя крючками- 2 шт., лист бумаги, лист наждачной бумаги штатив, направляющая рейка, каретка, секундомер с двумя датчиками.

Ход работы:

I. Изучение зависимости силы трения скольжения от рода трущихся поверхностей от силы давления и независимости от площади трущихся поверхностей.

1.Измерьте силу трения скольжения бруска с двумя грузами:

а) по поверхности линейки;

б) по гладкой бумаге;

в) по наждачной бумаге.

И

а) Дерево по дереву. б) Дерево по гладкой бумаге. в) Дерево по наждачной бумагезмерение силы трения

скольжения

2. Результаты измерений запишите в таблицу:

Виды трущихся поверхностей

Сила трения скольжения, H

Дерево по дереву

Дерево по гладкой бумаге

Дерево по наждачной бумаге

3. Сделайте вывод как сила трения: а) зависит от рода трущихся поверхностей, б) зависит от шероховатости трущихся поверхностей?

__________________________________________________________________.

4. Положите на линейку брусок большой гранью, а на него - груз и измерьте силу трения скольжения по линейке F_тр.ск= ________.

5. Положите на брусок второй груз и снова измерьте силу трения скольжения бруска по линейке F_тр.ск= ________.

6. Положите на линейку брусок меньшей гранью, поставьте на него два груза и снова измерьте силу трения скольжения бруска по линейке F_тр.ск= ________.

7.Сделайте вывод, зависит ли сила трения скольжения: а) от силы давления (и если зависит, то как), б) от площади трущихся поверхностей при постоянной силе давления?

__________________________________________________________________.

II. Определение коэффициента трения скольжения.

11. Установить направляющую рейку при помощи штатива под углом 30⁰, к секундомеру подключить датчики, отпустить каретку и определить время движения каретки между датчиками.

12. Вычислить коэффициент трения, пользуясь формулой (1):

, s=____, t=_____, a=_____, =______.

__________________________________________________________________.

13. Рассчитайте относительную и абсолютную погрешности:

__________________________________________________________________.

14. Сделайте вывод и запишите результат в виде :

__________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды сил трения вы знаете?

2. От чего зависит коэффициент трения?

3. Какими способами можно увеличить или уменьшить силу трения скольжения?

4. Каково значение явления трения в природе и технике?

Лабораторная работа № 3

Изучение закона сохранения импульса

Цель работы: убедиться в справедливости закона сохранения импульса путем проведения расчетов импульса тел и системы в целом.

Краткая теория.

Импульсом материальной точки или тела называется величина, равная произведению массы точки (тела) на её скорость _.

Изменение импульса тела под действием внешней силы равно импульсу силы - произведению силы на время, в течение которого она действует на тело: .

Если векторная сумма сил, действующих на систему, равна нулю, то суммарный импульс системы сохраняется: .

Если сумма проекций всех сил, действующих на систему, равна нулю, то проекция суммарного импульса на выбранную ось остается постоянной: .

Абсолютно упругий удар - удар, при котором сохраняется суммарный импульс (проекция импульса) и суммарная кинетическая энергия соударяющихся тел:

Абсолютно неупругий удар - удар, при котором соударяющиеся тела слипаются и движутся вместе. Часть кинетической энергии сталкивающихся тел переходит в их внутреннюю энергию, а суммарный импульс движущихся тел до удара равен импульсу слипшихся тел после удара:

.

Оборудование: наклонная плоскость, полоска бумаги, линейка измерительная, монеты разного достоинства (5 руб. и 2 руб.), весы, гири.

Ход работы

1.Положить на наклонную плоскость полосу бумаги таким образом, чтобы часть ее длиной 25-30 см находилась на горизонтальной поверхности стола. Монета (5 руб.), положенная на поверхность бумажной полосы на наклонной плоскости, должна плавно соскальзывать по ней и двигаться по горизонтальной поверхности до остановки. Постепенно увеличивать угол наклона до тех пор, пока монета не начнет скользить по бумаге.

рис. 1

Подобрать такие углы наклона плоскости и начальное положение запуска монеты, чтобы путь монеты на горизонтальной поверхности составлял 15-25 см.

И

рис. 2змерить длины катетов h и l, вычислите тангенс угла предельного наклона (tg φ = h/l), равный коэффициенту трения: = tg φ. (рис. 1)

2.Отметить начальное положение монеты на наклонной плоскости и ее конечное положение на горизонтальной плоскости. Провести на горизонтально расположенном участке бумажной полосы прямую, по которой двигался центр диска монеты. Отметить положение центра монеты в начале горизонтального участка пути (т. А) и в его конце (т. В). Измерить тормозной путь s = AB. (рис. 2)

3.Поставить на пути движения первой монеты достоинством 5 руб. вторую монету достоинством 2 руб.; т. о., чтобы столкновение произошло в тот момент, когда центр диска первой монеты проходит через т. А. Удар должен быть нецентральным, т. е. центр диска второй монеты должен быть расположен на некотором расстоянии от прямой АВ, по которой движется центр диска первой монеты.

рис. 3

Отметить начальное положение центра диска второй монеты (т. С). Запустите первую монету с того же места на наклонной плоскости, как и в первом опыте. Отметить конечное положение центров дисков первой (т. Е) и второй (т. D). Соединить точки А и Е отрезком АЕ, точки С и D отрезком CD. Измерить расстояния s1 и s2. (рис. 3)

4.По значениям масс m1 =6,45 г и m2 = 5,1 г монет, тормозных путей s, s1, s2 и коэффициента трения вычислить значения скоростей монет υ, υ1 и υ2 и модулей р, р1 и р2 их импульсов.

5.Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

S,м

S₁,м

S₂,м

h,см

l,см

μ

р,Н_*с

р₁,Н_*с

р₂,Н_*с

р',Н_*с

∆рэ,Н_*с

6.Отложить на прямых, проходящих через т. А и В, А и Е, С и D, отрезки, пропорциональные модулям импульсов монет. Постройте векторы р, р1, p2. Проверить, выполняется ли условие:

рис. 4

7. Построить вектор р' = р1 + p2, перенеся начало вектора р2 в т. А . Найти разность векторов

∆p_э = р' - р.

Измерить длину вектора ∆p_э и по известному масштабу построения векторов импульса определить значение модуля вектора ∆p_э. (рис. 4).

8.Сделайте вывод

_________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте понятие импульса.

2. Запишите математическую форму закона импульса и поясните границы его применимости.

3. Какое движение называют реактивным? Приведите примеры использования реактивного движения в природе и технике.

Лабораторная работа № 4

Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости.

Цель работы: сравнить изменение потенциальной энергии груза, прикреплённого к пружине, и энергии пружины, растянутой под действием груза.

Краткая теория.

Изменение потенциальной энергии груза по отношению, к какой либо поверхности определяется изменением его высоты относительно этой поверхности:

=^mgh (1).

Изменение энергии пружины, если в исходном состоянии она не была деформирована, определяется её величиной в растянутом положении:

(2).

Если пружина удлиняется под действием падающего груза, то на основании закона сохранения энергии должно выполняться равенство:

E_n1=E_n2 (3).

Оборудование: штатив с муфтой и штативной лапой; динамометр; два груза; направляющая рейка.

Ход работы:

1. В лапку штатива зажать верхнюю часть корпуса динамометра и закрепить ее с помощью муфты на стержне. Нижний край динамометра должен находиться на высоте не менее 25 см. Установить направляющую близко к указателю динамометра.

2. Определить положение указателя нерастянутой пружины динамометра на шкале x₁.

3. Подвесить к динамометру два груза и, поднимая их рукой, вернуть пружину в нерастянутое состояние. Отпустить грузы и заметить по шкале положение указателя, соответствующее максимальному удлинению пружины x₂, x=x₁-x_2.

4. Повторить опыт 5-6 раз. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:

5. № опыта

   

   

   

   

   (), Дж

   

   1.

   
   

   2.

   3.

   4.

   5.

   
   

   Определить массу груза m=_______.

6. Вычислить и по формулам (1) и (2). При этом учесть, что жесткость пружины динамометра k=40Н/м.

7. Сравнить изменение энергии грузов и пружины и сделать вывод о сохранении полной механической энергии системы грузы - пружина.

Контрольные вопросы:

1.Раскройте понятие механической энергии?

2.Какая энергия называется кинетической? По какой формуле она находится?

3.Какая энергия называется потенциальной? По какой формуле она находится?

4.Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

5.Каковы границы применения закона сохранения механической энергии?

Лабораторная работа № 5

Измерение влажности воздуха

Цель работы: измерить относительную влажность воздуха в лаборатории физики.

Краткая теория. В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность определяется плотностью водяного пара р_а, находящегося в атмосфере, или его парциальным давлением p_п. Парциальным давлением p_п называется давление, которое производил бы водяной пар, если бы все другие газы в воздухе отсутствовали.

Относительной влажностью φ называется отношение парциального давления p_п водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара p_н.п., при данной температуре. Относительная влажность φ показывает, сколько процентов составляет парциальное давление от давления насыщенного пара при данной температуре и определяется по формуле:

Парциальное давление p_п можно рассчитать по уравнению Менделеева-Клапейрона или по точке росы. Точка росы - это температура, при которой водяной пар, находящийся в воздухе становится насыщенным.

Относительную влажность воздуха можно определить с помощью специальных приборов - психрометра и гигрометра.

Оборудование: гигрометр психрометрический ВИТ - С, стакан с кипяченой водой.

Ход работы:

1.Налить в питатель кипяченую воду.

2.Дать фитилю пропитаться водой и через 10-15 минут приступить к определению влажности.

3.Определить показания сухого и увлажненного термометров.

4.Поворачивая лимб с красной оцифровкой, совместить показания сухого термометра (красные цифры) с показаниями увлажненного (черные цифры).

5.Определить относительную влажность по красной стрелке.

6.Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

Показания термометров

Разность показаний

термометров

Δt=t_сух-t_вл

Относительная

влажность

воздуха φ, %

сухого t_сух

влажного t_вл

7.Сделать вывод, записать показания гигрометра и дать рекомендации по поддержанию влажности в лаборатории в пределах нормы.

__________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1.Какой пар называется насыщенным? Что такое динамическое равновесие, точка росы, парциальное давление?

2.Почему показания смоченного термометра меньше, чем сухого?

3.Как, зная точку росы, можно определить парциальное давление?

4.Сухой и влажный термометры психрометра показывают одинаковую температуру. Какова относительная влажность воздуха?

Лабораторная работа № 6

Определение поверхностного натяжения воды и мыльного раствора методом отрыва капель

Цель работы: определить поверхностное натяжение воды и мыльного раствора методом отрыва капель.

Краткая теория.

На каплю, висящую на конце узкой трубочки, действуют две силы: сила тяжести , направленная вертикально вниз, и сила поверхностного натяжения жидкости , распределенная вдоль границы жидкости с краем трубки и направленная по касательной к поверхности жидкости перпендикулярно этой границе. Сила поверхностного натяжения, действующая на небольшой участок границы длиной , равна , где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Условие равновесия капли на конце трубочки состоит в том, что векторная сумма сил, действующих на отдельные элементы границы, равна по модулю и противоположна по направлению силе тяжести. Величина по мере увеличения массы капли остается неизменной, но в равновесии капля принимает такую форму, что угол наклона силы поверхностного натяжения к вертикали α удовлетворяет условию , где - длина границы жидкости с трубочкой. С увеличением массы капли угол α уменьшается и, наконец, достигает нуля, а cosα = 1 . При дальнейшем увеличении массы условие равновесия капли уже не может быть выполнено, и капля отрывается. Отсюда, принимая, что , где d - внутренний диаметр трубочки, получаем: или (1).

Оборудование: шприц для чистой воды, шприц для мыльного раствора (объемом 5-10 мл), стаканчик с чистой водой, стаканчик с мыльным раствором, штангенциркуль или микрометр, остро отточенный карандаш.

Ход работы:

1.Измерить внутренний диаметр d наконечника шприца. Для измерения можно воспользоваться остро отточенным карандашом. Вдвинув карандаш в наконечник до упора, пометьте границу соприкосновения наконечника с карандашом. Диаметр карандаша на уровне этой границы можно принять за внутренний диаметр наконечника и измерить его с помощью штангенциркуля или микрометра.

2.Набрать в шприц 4-5 мл воды и, держа его вертикально и плавно нажимая на поршень, вылить 3-4 мл в стаканчик, считая капли. Измерение количества капель N провести не менее трех раз, затем по общей массе вытекшей воды общ m (пользуйтесь шкалой на шприце!) найти среднюю массу капли m и погрешность ее определения Δm. Результаты занести в таблицу:

измерено

вычислено

№

1.

2.

3.

3.Пользуясь формулой (1), рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды и абсолютную погрешность его определения .

__________________________________________________________________

4.Вычислить относительную погрешность измерений .

_____________________________________________________________________________

5.Аналогичным образом определить коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора (пользоваться отдельным шприцем и посудой!).

измерено

вычислено

№

1.

2.

3.

6.Сделать вывод и записать полученное значение коэффициента поверхностного натяжения с учетом погрешности.

__________________________________________________________________

Контрольные вопросы:

1. Коэффициент поверхностного натяжения керосина 0,024 н/м. Больше или меньше масса капли керосина по сравнению с каплей воды, если капать из одной и той же пипетки?

2. Объясните подробно, почему маленькие капельки жидкости могут долго висеть не отрываясь.

3. Почему, прежде чем покрыть штукатурку масляной краской, предварительно производят грунтовку олифой?

4. Приведите свои примеры действия силы поверхностного натяжения.

Лабораторная работа № 7

Наблюдение роста кристаллов из раствора. Изучение деформации растяжения.

Цель работы: научиться создавать кристаллы, пронаблюдать рост кристалла. Определить модуль упругости резины при растяжении.

Краткая теория. Существуют два простых способа выращивания кристаллов из раствора: охлаждение насыщенного раствора соли и его выпаривание. Первым этапом при любом из двух способов является приготовление насыщенного раствора. С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора. Избыток вещества из раствора выпадает в виде кристаллов; количество кристаллов тем больше, чем больше центров кристаллизации в растворе. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики. Чтобы вырастить крупный кристалл, в тщательно отфильтрованный насыщенный раствор нужно внести кристаллик - затравку, заранее прикрепленный на волосе или тонкой леске, предварительно обработанной спиртом.

Можно вырастить кристалл без затравки. Для этого волос или леску обрабатывают спиртом и опускают в раствор так, чтобы конец висел свободно. На конце волоса или лески может начаться рост кристалла.

Если стакан с раствором прикрыть так, чтобы вода из раствора могла испаряться, то вскоре раствор станет пересыщенным и начнется рост кристалла. Во время роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в теплом сухом месте, где температура в течение суток остается постоянной. На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.

При установившейся упругой деформации равнодействующая всех внутренних сил упругости, возникающих в теле в любом его сечении, уравновешивает внешние силы, действующие на тело.

Согласно закону Гука, напряжение и вызванное им относительное удлинение пропорциональны: =Е, где Е- модуль упругости.

После преобразования этого выражения получим:

или .

Для экспериментального определения модуля упругости нужно измерить все величины: деформирующую силу F (F=mg), сечение образца S (), его первоначальную длину l₀ и удлинение l.

Оборудование: поваренная соль, дистиллированная вода, воронка, деревянная шпажка, марля, стаканы, нитка (леска), резиновый шнур длиной 25-30 см и сечением 4- 10 мм², набор грузов по 0,1 кг, штатив, линейка, штангенциркуль или микрометр.

Ход работы:

1. Наблюдение роста кристаллов из раствора.

1.Вымыть два стакана, простерилизовать их.

2.Взять 200 г дистиллированной воды, растворить в ней 50 г поваренной соли (10 чайных ложек). Профильтровав, перелить раствор в другой стакан.

3.На шпажку прикрепить нить, обработанную

спиртом, так, чтобы нить не доставала до дна стакана (см. рисунок).

4.Опустить нить в стакан с фильтрованным раствором.

5.Пронаблюдать рост кристаллов в стакане.

6.Сделать вывод.

__________________________________________________________________.

2. Изучение деформации растяжения.

1. Измерить с помощью штангенциркуля или микрометра толщину шнура и вычислить площадь его поперечного сечения S.

3. Подвешивая к шнуру грузы массой 0,1 кг, 0,2 кг, 0,3 кг, измерить соответствующие абсолютные удлинения шнура: и вычислить относительные удлинения шнура.

4. По результатам измерений вычислить модуль упругости резины Е и оценить погрешности эксперимента:

- относительная погрешность,

- абсолютная погрешность.

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

измерено

вычислено

№ п/п

m, кг

d, м

S, м²

l_0, м

l, м

l, м

F, Н

E, Па

E_ср, Па

E, Па

, %

1

2

3

6. Сделать вывод:

__________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. При каких условиях возникают кристаллы в жидких растворах?

2. Как влияют скорости роста граней на форму кристалла?

3. Каков простейший метод выращивания кристаллов?

4.Какие виды деформаций вы знаете?

5. Изменяется ли внутренняя энергия деформированных тел?

Лабораторная работа № 8

Тепловое расширение твердого тела

Цель работы: научиться определять коэффициент линейного расширения твёрдого тела по экспериментальным данным.

Краткая теория. Тепловое расширение представляет собой изменение размеров тел при их нагревании. Количественно тепловое расширение характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения.

Пусть тело при температуре T₁ имеет длину ℓ₁, а при температуре (где- сравнительно небольшой интервал температур) имеет длину ℓ₂, тогда коэффициент линейного расширения определяется из соотношения:

, (1)

т.е. физический смысл коэффициента линейного расширения α- коэффициент линейного расширения α показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяются линейные размеры тела при изменении температуры на один Кельвин.

Аналогично коэффициент объемного расширения β определяется из соотношения:

, (2)

т.е. коэффициент объемного расширения β равен относительному изменению объемапри изменении температуры на 1 К, или показывает, на какую часть изменяется каждая единица начального объема при изменении температуры на 1 К.

Оборудование: набор лабораторный «Тепловые явления».

Ход работы

1. Для наблюдения за расширением твердых тел (проволоки) собрать установку

2. Под проволоку поместить свечу и наблюдать за изменением положения стрелки, убрать свечу и описать наблюдаемое явление:

_________________________________________________________________.

3. Выполнить работу для других видов проволоки.

4. Определить коэффициент линейного расширения твёрдого тела по экспериментальным данным:

__________________________________________________________________.

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

вещество

l₀, м

T₀, К

T, К

l, м

, ^-1К

_т, ^-1К

,%

медь

алюминий

сталь

6. По результатам измерений оценить погрешности эксперимента

:

__________________________________________________________________.

7. Сделать вывод:

__________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение коэффициента линейного теплового расширения твердого тела. В каких единицах он измеряется?

2. Запишите, как зависит длина тела от его температуры?

3. Как коэффициент линейного расширения связан с коэффициентом объемного расширения для изотропных твердых тел?

4. Как с физической точки зрения объяснить увеличение размеров твердого тела при возрастании его температуры?

Лабораторная работа № 9

Изучение теплового расширения воды

Цель работы: изучить свойства воды связанные с тепловым расширением, теплопроводностью.

Краткая теория. Жидкости расширяются значительно сильнее твердых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Вследствие большой подвижности молекул жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится, причем следует учитывать и тепловое расширение сосуда. Расширение жидкости в трубках также представляет собой объемное расширение.

Коэффициент объемного расширения слабо зависит от температуры. Вода является исключением и коэффициент расширения воды сильно зависит от температуры, а в интервале от 0 до 4 ⁰С принимает отрицательное значение. Другими словами объём воды уменьшается от 0 до 4 ⁰С, а затем возрастает.

Оборудование: набор лабораторный «Тепловые явления».

Ход работы:

1. Наполнить пробирку водой и плотно закрыть пробкой с трубочкой. Начальный уровень отметить маркером. Пробирку нагреть при помощи свечи.

2. Когда уровень воды поднимется на 20-30 мм, нагревание прекратить и поместить пробирку в стакан с водой.

рис.1

3. Описать наблюдаемое явление. Сделать вывод:

__________________________________________________________________.

4.Навлить в пробирку воды, заткнуть ее пробкой с отверстием. Взять за дно. Нагреть, как показано на рисунке 2, до кипения воды.

5

рис.2. Сделать вывод:

_________________________________________.

6. Наполнить большую пробирку холодной водой, измерить температуру и вылить воду в стакан. t₁₌__________.

7. Наполнить ту же пробирку горячей водой, измерить температуру, вылить и эту воду в стакан.t₂₌______________.

8. Измерить температуру получившейся смеси, t_э=________.

9. Составить уравнение теплового баланса и рассчитать температуру смеси t=____.

10. Сравнить t и t_э и сделать вывод:

__________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Объясните особенности теплового расширения воды.

2. Какое значение имеет тепловое расширение тел в природе и технике.

3. Дайте определение удельной теплоемкости тела.

4. В чем смысл теплового баланса?

Лабораторная работа № 10

Изучение закона Ома: последовательное и параллельное соединение проводников

Цель работы: изучить последовательное и параллельное соединения проводников.

Краткая теория. Последовательное и параллельное соединения в электротехнике - два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.

При последовательном соединении проводников сила тока во всех проводниках одинакова.

При последовательном соединении проводников сила тока в любых частях цепи одна и та же: .

Полное напряжение в цепи при последовательном соединении, или напряжение на полюсах источника тока, равно сумме напряжений на отдельных участках цепи: .

При параллельном соединении падение напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов. При этом величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных параллельно соединённых проводниках:

Напряжение на участках цепи АВ и на концах всех параллельно соединённых проводников одно и то же: .

Для двух параллельно соединённых резисторов их общее сопротивление равно:

.

Если , то общее сопротивление равно:

.

При параллельном соединении резисторов их общее сопротивление будет меньше наименьшего из сопротивлений.

Оборудование: набор L - микро (резисторы, ключ, металлический планшет, соединительные провода), амперметр, вольтметр, источник электропитания.

Ход работы:

1. Последовательное соединение проводников.

1. Собрать цепь по схеме (рис. 1):

рис. 1

2. Измерить напряжение, силу тока на первом резисторе.

3. Изменить схему установки и измерить напряжение на втором резисторе. Схему нарисовать в тетрадь.

4. Вычислить сумму напряжений U₁+U₂ .

5. Изменить схему установки и измерить общее напряжение на двух сопротивлениях U₁₂ .

6. Проверить, выполняется ли равенство: U₁₂=U₁+U_2.

7. Проверить справедливость равенств R₁₂=R₁+R₂ и .

2. Параллельное соединение проводников.

1. Собрать цепь по схеме (рис. 2):

рис. 2

2. Измерить напряжение, силу тока на первом резисторе.

3. Изменить схему установки и измерить силу тока на втором резисторе. Схему нарисовать в тетрадь.

4. Вычислить сумму токов I₁+I₂ .

5. Изменить схему установки и измерить общую силу тока в цепи I₁₂ .

6. Проверить, выполняется ли равенство: I₁₂=I₁+I_2.

7. Проверить справедливость равенств 1/R₁₂=1/R₁+1/R₂ и .

Контрольные вопросы:

1. Какое соединение сопротивлений называется последовательным? Чему равны сопротивление, сила тока, напряжение в цепи при таком соединении?

2. Какое соединение сопротивлений называется параллельным? Чему равны сопротивление, сила тока, напряжение в цепи при таком соединении?

3. Назовите плюсы и минусы параллельного и последовательного соединений проводников?

4. Приведите примеры параллельного и последовательного соединения проводников.

Лабораторная работа № 11

Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника

Цель работы: измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника.

Краткая теория. Потенциальные силы электростатического поля (силы Кулона) не могут поддерживать постоянный ток в цепи, так как работа этих сил вдоль замкнутого контура равна нулю. Для поддержания в цепи постоянного тока должны действовать непотенциальные (сторонние) силы, имеющие механическую, химическую или иную природу. Устройства, обеспечивающие возникновение и действие сторонних сил, называются источниками тока.

Физическую величину, численно равную работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда вдоль всей цепи, называют ЭДС источника: .

Закон Ома для замкнутой цепи устанавливает зависимость между силой тока, ЭДС источника и полным сопротивлением цепи: .

Оборудование: набор L - микро (резистор, ключ, металлический планшет, соединительные провода), амперметр, вольтметр, источник электропитания.

Ход работы:

1. Собрать цепь по схеме:

2. Разомкнуть ключ и измерить ЭДС источника.

3. Замкнуть ключ и измерить силу тока и напряжение на резисторе.

4. Вычислить внутреннее сопротивление источника по формуле .

5. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:

   ЭДС,

   , В

   Напряжение,

   U, В

   Сила тока,

   I, А

   Внутренне сопротивление,

   r, Ом

   
   

6. Сделать вывод.

__________________________________________________________________

Контрольные вопросы:

1. Какие силы называют сторонними?

2. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

3. Что называют падением напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи?

4. Расскажите о соединении источников электрической энергии в батарею.

__________________________________________________________________

Лабораторная работа № 12

Изучение закона Ома для полной цепи

Цель работы: изучить зависимость силы тока от напряжения, построить вольт - амперную характеристику.

Краткая теория. Электрический ток и напряжение являются основными физическими величинами, характеризующими электромагнитные процессы в электрической цепи.

Напряжение на участке электрической цепи измеряется вольтметром, включенным между двумя точками цепи параллельно этому участку (см. рисунок).

Ток цепи измеряется амперметром, включенным последовательно с цепью (см. рисунок)

Ток и напряжение на участке электрической цепи с резисторным элементом R, связаны законом Ома .

Оборудование: набор L - микро (резисторы R₁, R₂, переменный резистор, ключ, металлический планшет, соединительные провода), амперметр, вольтметр, источник электропитания, миллиметровая бумага.

Ход работы:

1. Собрать электрическую цепь по схеме (переменный резистор включить в схему, вставляя соединительные провода в гнезда 1 и 2 на его подставке):

2. Замкнуть ключ и, вращая ручку переменного резистора, установить на сопротивлении R₁ величину напряжения 2В, 2,5 В, 3 В, 3,5 В, 4В. Измерить силу тока при данных значениях напряжения.

3. Заменить в собранной цепи сопротивление R₁ на сопротивление R₂, повторить измерения из пункта 2.

4. Результаты измерений записать в таблицу:

   Напряжение, U, В

   2

   2,5

   3

   3,5

   4

   Сила тока I₁, А

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   Сила тока I₂, А

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

5. Построить график зависимости I(U) на сопротивлении R₁, на том же графике построить зависимость на сопротивлении R₂.

6. Установить, изменился ли характер зависимости силы тока от напряжения на участке цепи при изменении сопротивления этого участка.

7. Установить, как наклон графика зависимости силы тока от напряжения на участке цепи зависит от сопротивления этого участка.

8. Сделать вывод.

__________________________________________________________________

Контрольные вопросы:

1. Как присоединяется в электрической цепи амперметр? Почему?

2. Как присоединяется к электрической цепи вольтметр? Почему?

3. Зависит ли сопротивление проводника от приложенного к нему напряжения и силы тока? Перечислить от чего зависит сопротивление проводника.

4. Как можно найти напряжение на концах проводника, если известны силы тока в цепи и сопротивление проводника?

Лабораторная работа № 13

Определение коэффициента полезного действия электрического чайника

Цель работы: научиться определять КПД электроприборов на примере электрочайника.

Краткая теория. Коэффициент полезного действия нагревателя связан соотношением:

(1),

где Q_п - количество теплоты, которое пошло на нагревание жидкости (полезная теплота) и определяется по формуле

или (2),

где с - удельная теплоемкость жидкости,

m - масса жидкости, которую кипятят,

T₁ - начальная температура жидкости,

T₂ - конечная температура жидкости,

Q₃- количество теплоты, которую выделяет нагреватель (затраченная теплота) и определяется по формуле:

P Q₃:t (3),

где P - мощность электрического нагревателя,

t - интервал времени, за который закипела жидкость.

Уравнение (2) и (3) подставим в (1), получим:

или (4),

где плотность жидкости, V- объем жидкости, налитой для кипячения.

Оборудование: Электрический чайник, вода, термометр, секундомер (часы).

Ход работы:

1. Рассмотреть электрочайник. По паспортным данным определить электрическую мощность электроприбора P.

2. Налить в чайник воду объемом V, равным 1 л или 1,5 л.

3. Измерить с помощью термометра начальную температуру воды t₁.

4. Включить чайник в электрическую сеть и нагревать воду до кипения t₂.

5. Заметить по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода t.

6.Рассчитайте коэффициент полезного действия электрочайника по формуле (4):

__________________________________________________________________.

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

8. Вычислить относительную погрешность по формуле:

.

__________________________________________________________________.

9. Сделать вывод и записать КПД чайника с учетом погрешности:

__________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Как рассчитать количество теплоты, выделяющегося в проводнике при протекании по нему тока, зная сопротивление этого проводника?

2. Почему спираль электрочайника изготавливают из проводника большой площади сечения?

3. Приведите примеры других электроприборов, в которых нагревательным элементом является спираль. Чем эти приборы отличаются друг от друга?

4. Увеличится или уменьшится К.П.Д. электрического чайника, если на его стенках появилась накипь (отложение солей)?

5. Зависит ли КПД электрического чайника от того открыт он или закрыт?

Лабораторная работа № 14

Определение температуры нити лампы накаливания

Цель работы: определить температуру нити лампы накаливания.

Краткая теория.

Сопротивление нити накала лампы Rл, вычисляется на основе закона Ома (Rл=Uл/I) с использованием измеренного напряжения на лампе Uл, и силы тока в цепи I, которая, в свою очередь определяется по падению напряжения U₁, на резисторе R₁ (I=U₁/R₁). Электрическая мощность, выделявшаяся в лампе, вычисляется по формуле P= I₂•R_л. Сопротивление металлических проводников изменяется с температурой следующим образом;

R=R₀•(l+α•t), (1)

где R₀ - сопротивление при 0°С,

α - температурный коэффициент сопротивления, для вольфрама (α =0,0045 град^-1),

R - сопротивление проводника при температуре t.

Когда ток в цепи минимален, а свечение полностью отсутствует, температуру нити накала можно считать комнатной. Поскольку при свечении лампы в полный накал температура нити очень высока (~ 2000°С), то для приблизительного подсчета температуры можно принять, что величина R₀ и есть значение сопротивления нити накала. На основе этого температура рассчитывается по формуле:

(2).

Оборудование: источник питания 4В; ключ; лампа накаливания 6,3 В; резистор 51 Ом; реостат 10 Ом; мультиметр; провода соединительные.

Ход работы:

1. Собрать электрическую цепь по схеме:

2. Установить максимальную величину сопротивления переменного резистора и замкнуть ключ.

3. Перевести мультиметр в режим измерения постоянного напряжения (диапазон "20В") и измерить с его помощью падение напряжения на лампе U_л.

4. Отсоединить мультиметр от лампы и переключить его в диапазон "200 мВ". Измерить величину напряжения U₁, на резисторе R₁.

5. Вычислить силу тока I в лампе: I=U₁/R₁.

6. Вычислить сопротивление лампы R_л=U_л/I. При обработке результатов следующих опытов эта величина будет приниматься за сопротивление нити лампы при нулевой температуре R₀.

7. Вычислить мощность Р, потребляемую лампой в этом режиме: P = I₂ • R_л.

8. Вращением ручки переменного резистора установить такую величину его сопротивления, при которой ток в цепи вызовет едва заметное свечение нити лампы красным цветом.

9. Повторить измерения в этом режиме работы лампы. По данным измерений вычислить силу тока в цепи и сопротивление нити накала. По формуле (2) определить температуру нити лампы.

10. Перевести ручку переменного резистора в положение, при котором его сопротивление, включенное в схему, станет равным нулю. Повторить измерения и вычисления.

11. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

    U_л, В

    U_1, В

    I, А

    R_л., Ом

    P, Вт

    t, ⁰С

    
    

    
    

    
    

12. Сделать вывод.

__________________________________________________________________

Контрольные вопросы:

1. Как связана яркость свечения нити лампы с температурой нити накала?

2. Как отражается рост температуры нити накала лампы на ее сопротивление и на выделяемую в ней мощность?

3. Почему электрическое сопротивление металлов зависит от температуры?

Лабораторная работа № 15

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции.

Краткая теория. Явление возникновения ЭДС в проводящем контуре, находящемся в переменном поле или движущемся постоянном магнитном поле, называется электромагнитной индукцией. ЭДС индукции, согласно закону электромагнитной индукции, равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: . Знак минус отражает правило Ленца, которое гласит: индукционный ток всегда направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызывающей его.

Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным. Его силовые линии всегда замкнуты, подобно силовым линиям магнитного поля. Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля. В отличие от электростатического поля вихревое электрическое поле является непотенциальным.

Частным случаем явления электромагнитной индукции является самоиндукция. Самоиндукция - это возникновение ЭДС в проводящем контуре при изменении в нем силы тока:.

Оборудование: Катушка - моток, постоянный магнит, миллиамперметр, штатив с муфтой и лапкой.

Ход работы.

1. Закрепить в лапке штатива катушку и подключить ее к миллиамперметру.

2. Приближая и удаляя с разной скоростью магнит к катушке, установить по показаниям миллиамперметра, как зависит величина индукционного тока от скорости изменения магнитного поля в месте расположения катушки.

3. Установить, зависит ли направление индукционного тока от положения полюсов движущегося магнита.

4. Повторить опыты, закрепив в лапке штатива магнит, приближая и удаляя катушку.

5. Зарисовать один из случаев взаимного движения катушки и магнита с указанием направления индукционного тока в катушке.

6. Сопоставить полученный результат с правилом Ленца. Сделать вывод.

_____________________________________________________________________________

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте закон Фарадея.

2. Сформулируйте правило Ленца.

3. В чем отличие силы Ампера от силы Лоренца?

4. Сформулируйте правило буравчика для витка с током.

5. В чем заключается явление взаимоиндукции?

6. Рассказать об устройстве и принципе действия электрического генератора.

Лабораторная работа № 16

Изучение зависимости периода колебаний нитяного маятника от длины нити

Цель работы: установить математическую зависимость периода нитяного маятника от длины нити маятника.

Краткая теория. Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити. Моделью может служить тяжёлый шарик, размеры которого весьма малы по сравнению с длинной нити, на которой он подвешен (не сравнимы с расстоянием от центра тяжести до точки подвеса).

Учёные Галилей, Ньютон, Бессель и др. установили следующие законы колебания математического маятника:

1.Период колебания математического маятника не зависит от массы маятника и от амплитуды, если угол размаха не превышает 10^о.

2.Период колебания математического маятника прямо пропорционален квадратному корню из длины маятника и обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения. На основании этих законов можно написать формулу для периода колебаний математического маятника:

.

Используя модель и законы колебаний математического маятника, можно пронаблюдать свободные колебания, а так же с их помощью определить ускорение свободного падения для своей местности и сравнить со справочным значением g.

Ускорение свободного падения может быть вычислено по формуле

.

Оборудование: электронный секундомер, измерительная лента, шарик с отверстием, нить, штатив с муфтой и кольцом.

Ход работы.

1. Укрепить нить маятника в держателе штатива.

2. Измерить длину маятника (длина маятника считается от точки подвеса до центра тяжести шарика).

3. Отклонить шарик на угол не более 10° и отпустить.

4. Определить время, за которое маятник совершил 20 колебаний.

5. Вычислить период колебания маятника, используя формулу .

6. Повторить опыт еще три раза, уменьшая (или увеличивая) длину нити маятника.

7. Результаты занести в таблицу.

8. Сделать вывод о зависимости периода нитяного маятника от длины его нити.

_____________________________________________________________

Контрольные вопросы:

1.Что называют периодом колебаний маятника?

2.Что называют частотой колебаний маятника? Какова единица частоты колебаний?

3.От каких величин и как зависит период колебаний математического маятника?

4.От каких величин и как зависит период колебаний пружинного маятника?

5.Изобразите математический маятник в крайней правой точке и покажите на чертеже силы, действующие на шарик в данной точке траектории. Нарисуйте равнодействующую сил. Как меняется величина и направление равнодействующей сил в течение периода?

Лабораторная работа № 17

Индуктивность и емкость в цепи переменного тока

Цель работы: изучить зависимость емкостного и индуктивного сопротивлений от частоты переменного тока и параметров элементов.

Краткая теория. В цепи переменного тока кроме резисторов могут использоваться катушки индуктивности и конденсаторы. Для постоянного тока катушка индуктивности имеет только активное сопротивление, которое обычно невелико (если катушка не содержит большое количество витков). Конденсатор же в цепи постоянного тока представляет "разрыв" (очень большое активное сопротивление). Для переменного тока эти элементы обладают специфическим реактивным сопротивлением, которое зависит как от номиналов деталей, так и от частоты переменного тока, протекающего через катушку и конденсатор.

Катушка в цепи переменного тока. Колебания силы тока, протекающего через катушку:

вызывают падение напряжения на концах, т.е. колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на /2.

Амплитуда колебания напряжения:

Произведение циклической частоты на индуктивность называют индуктивным сопротивлением катушки: (1)

поэтому связь между амплитудами напряжения и тока на катушке совпадает по форме с законом Ома для участка цепи постоянного тока: (2)

Как видно из выражения (1), индуктивное сопротивление не является постоянной величиной для данной катушки, а пропорционально частоте переменного тока через катушку. Поэтому амплитуда колебаний силы тока I_m в проводнике с индуктивностью L при постоянной амплитуде U_L напряжения убывает обратно пропорционально частоте переменного тока:

.

Конденсатор в цепи переменного тока. При изменении напряжения на обкладках конденсатора по гармоническому закону: , заряд q на его обкладках изменяется также по гармоническому закону: .

Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора.

Колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе от колебаний силы тока на /2. Амплитуда колебаний силы тока:

Емкостное сопротивление конденсатора: (3)

Для конденсатора получаем соотношение, аналогичное закону Ома: (4)

Формулы (2) и (4) справедливы и для эффективных значений тока и напряжения.

Оборудование: работа выполняется при помощи виртуальной лаборатории.

Ход работы:

1. Собрать цепь, показанную на рисунке 1.

2. Установить следующие значения параметров:

Генератор - напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц;

Конденсатор - рабочее напряжение 400 В, емкость 10 мкФ;

Резистор - рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом.

3. Изменяя емкость конденсатора от 5 до 50 мкФ (через 5 мкФ), записать показания вольтметров (напряжение на конденсаторе и на резисторе).

4. Рассчитать эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения емкости конденсатора (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление).

5. Определить значения емкостных сопротивлений конденсатора для соответствующих значений его емкости и сравните их с рассчитанными по формуле (3).

6. Установить емкость конденсатора 10 мкФ. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторите измерения и расчеты емкостного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.

7. Соберите цепь показанную на рисунке 2.

рис. 1 Рис.2.

8. Установить следующие значения параметров:

Генератор - напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц;

Катушка - индуктивность 50 мГн;

Резистор - рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом.

9. Изменяя индуктивность катушки от 50 до 500 мГн (через 50 мГн), записать показания вольтметров (напряжение на катушке и на резисторе).

10. Рассчитать эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения индуктивности катушки (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление).

11. Определить индуктивные сопротивления катушки для соответствующих значений ее индуктивности и сравните их с рассчитанными по формуле (1).

12. Установить индуктивность катушки 100 мГн. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторить измерения и расчеты индуктивного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.

13. Построить графики зависимостей индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты переменного тока.

14. Сделать вывод:

__________________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Почему емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного ток а, индуктивное сопротивление - увеличивается?

2. Каковы разницы фаз между током и напряжением для катушки и конденсатора?

3. В каких единицах измеряются емкостное и индуктивное сопротивления?

4. Как записывается аналог закона Ома для максимальных (эффективных) значений для реактивных элементов - конденсатора и катушки индуктивности?

Лабораторная работа № 18

Изучение изображений в тонкой линзе

Цель работы: Изучение способов определения фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз, построение изображений в них.

Краткая теория. Линзы представляют собой прозрачные тела, ограниченные двумя поверхностями (одна из них обычно сферическая, а вторая сферическая или плоская), преломляющими световые лучи, способные формировать изображения предметов.

Линза называется тонкой, если ее толщина значительно меньше по сравнению с радиусами поверхностей, ограничивающих линзу. Прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы, называется главной оптической осью. Для всякой линзы существует точка, называемая оптическим центром линзы, лежащая на главной оптической оси и обладающая тем свойством, что лучи, проходя через нее не преломляются.

Если лучи, параллельные главной оптической оси, после прохождения через линзу, пересекаются, то линза называется собирающей, а точка пересечения лучей называется фокусом линзы. Если лучи, параллельные главной оптической оси после прохождения через линзу расходятся, то линза называется рассеивающей.

Формула тонкой линзы имеет вид

или , (1)

где d - расстояние от предмета до линзы; f - расстояние от линзы до изображения.

Знаки перед слагаемыми в этой формуле определяются типом линзы (собирающая или рассеивающая) и видом изображения (действительное или мнимое).

Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы: .

Каждая линза при заданном расстоянии от предмета до линзы дает определенное увеличение, под которым понимается отношение линейных размеров изображения к линейным размерам предмета: , (2)

где Н - линейные размеры изображения;

h - линейные размеры предмета.

Оборудование: Оптическая скамья с подставками, собирающая L1 и рассеивающая L2 линзы, осветитель S, экран Э.

Ход работы:

1.Установить экран на достаточно удаленном расстоянии от осветителя. Расположить между экраном и осветителем собирающую линзу, и плавно перемещая ее вдоль оптической скамьи до получения на экране резкого изображения предмета (сетки).

2.Измерить расстояние от предмета а и его изображения на экране b до оптического центра линзы. Измерить положение экрана.

3. Опыт повторить не менее трех раз при различных расстояниях экрана от осветителя. Результат измерений занести в таблицу:

№

а, см

b, см

f, см

f_ср, см

1.

2.

3.

4.Определить, пользуясь формулой (1), главное фокусное расстояние собирающей линзы в каждом опыте и найдите среднее значение.

5.Рассчитать увеличение линзы пользуясь формулой (2):

_______________________________________________________________.

6.Сделать построение хода основных лучей в линзе.

7.Сделать вывод:

_______________________________________________________________.

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте законы отражения и преломления света.

2. Чем отличается относительный показатель преломления от абсолютного?

3. Расскажите о линзе и ее видах.

4. Покажите ход лучей в собирающей и рассеивающей линзах.

Лабораторная работа № 19

Изучение интерференции и дифракции света

Цель работы: экспериментально изучить явления интерференции и дифракции света.

Краткая теория. Свет представляет собой электромагнитные волны, и для него при определенных условиях наблюдается явление дифракции - огибание волнами краёв препятствий. Но наблюдать дифракцию света нелегко. Волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны очень мала. На явлении дифракции основано устройство оптического прибора - дифракционная решетка. Она представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Решетка разлагает свет в спектр и позволяет очень точно измерять длины световых волн. Угол, определяющий направление на главный дифракционный максимум спектра, полученного с помощью решетки, находят из соотношения .

Один из простейших и распространённых в быту примеров отражательных дифракционных решёток - компакт-диск или DVD. Примерно треть ширины этой дорожки занята углублением (это записанные данные), рассеивающим падающий на него свет. Таким образом, компакт диск - отражательная дифракционная решётка с периодом 1,6 мкм.

Интерференция в тонких пленках - это сложение световых волн, отраженных от нижней и поверхности пленки, в результате чего на ее поверхности появляются радужные полосы.

Оборудование: прибор для определения длины световой волны, дифракционная решетка, лампа накаливания или свеча.

Ход работы.

Изучение дифракции света

1. Вставить дифракционную решетку в рамку 6 на продольной линейке 1 прибора.

2. Экран со шкалой 5 установить на конце продольной линейки.

3. Смотря на лампу через дифракционную решетку, расположить прибор так, чтобы через прорезь в экране была видна нить лампы.

4. Перемещением экрана со шкалой по продольной линейке добиться наиболее четкого изображения на экране спектров первого и второго порядков.

5. Измерить расстояние b от экрана до дифракционной решетки.

6. Определить расстояние от щели до середин красной полосы как слева а_л, так и справа а_п для спектров 1-го порядка и вычислить среднее значение а_ср.

7. Опыт повторить со спектром 2 - го порядка.

8. Измерения повторить и для фиолетовых полос.

9. Вычислить длину волны λ по формуле: .

__________________________________________________________________

10. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

    №

    Период решетки

    d, мм

    Порядок спектра

    n

    Расстояние от экрана до решетки

    b, мм

    Видимые границы спектра фиолетового света

    Видимые границы спектра красного света

    Длина световой волны

    слева а_{л, мм}

    справа а_{п, мм}

    среднее а_{ср, мм}

    слева а_{л, мм}

    справа а_{п, мм}

    среднее а_{ср, мм}

    λ_кр

    λ_ф

    1.

    
    

    1

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    2.

    
    

    2

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

    
    

11. Сделать вывод.

_____________________________________________________________________________

Изучение интерференции света

1. Окунуть проволочную рамку в мыльный раствор и внимательно рассмотреть образовавшуюся мыльную пленку. Зарисовать в тетради увиденную интерференционную картину.

Сделать вывод:___________________________________________________

2. Рассмотреть под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производилась запись). Описать интерференционную картину. Объяснить наблюдаемые явления.

Контрольные вопросы:

1. Что такое дифракция, дифракционная решетка и период дифракционной решетки?

2. Почему при дифракции максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максиму?

3. Какое явление называют явлением интерференции?

4. Для каких волн характерно явление интерференции?

5. Дайте определение когерентных волн.

6. Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?

Лабораторная работа № 20

Градуировка спектроскопа и определение длины волны спектральных линий

Цель работы: провести градуировку спектроскопа и определить длины волн в спектрах испускания и поглощения.

Краткая теория. Спектральным анализом называется метод определения химического состава вещества по его спектру. Различают спектры испускания и спектры поглощения. Сплошной спектр, излучаемый раскаленными твердыми и жидкими телами, представляет собой цветную полосу с непрерывным переходом одного спектрального цвета в другой. Линейчатый спектр дают светящиеся пары и газы. Он состоит из определенного сочетания цветных линий, характерных для каждого химического элемента. Полосатый или молекулярный спектр излучается возбужденными молекулами и имеет вид системы широких полос. Спектры поглощения возникают при прохождении белого света сквозь различные вещества, которые поглощают из белого света отдельные участки сплошного спектра. Таким образом, на фоне сплошного спектра видны темные полосы или линии, характеризующие это вещество. Для качественного исследования видимой части спектра служат специальные приборы - спектроскопы.

Основной частью спектроскопа является призма 1, которая разлагает в спектр пучок параллельных лучей немонохроматического света. Правая часть прибора - коллиматорная труба 3 - состоит из узкой щели S и линзы O₁; щель располагается в главной фокальной плоскости линзы O₁. Пучок, исходящий из щели, после прохождения через линзу

становится параллельным и падает на призму. С помощью второй линзы O₂ параллельные пучки собираются в различных точках ее фокальной плоскости. В результате в фокальную плоскость проектируется ряд изображений входной щели. Если источник света излучает волны всевозможных длин (например, лампочка накаливания), то все изображения входной щели в различных лучах непосредственно примыкают друг к другу, т.е. получается сплошной спектр. При излучении же источником света волн лишь определенных длин волн (газоразрядные трубки), изображения входной щели окажутся пространственно разделенными, и в результате получится линейчатый спектр.

В фокальной плоскости линзы О₂ в спектроскопе устанавливается окуляр О₃ 6 для визуального наблюдения. Если поворачивать призму, то в центре окуляра будут по очереди размещаться лучи с различными длинами волн. Поскольку в спектроскопах поворот призмы осуществляется при помощи барабана 7 с делениями, то каждому положению барабана соответствует определенная длина волны входящего света.

Градуировочный график спектроскопа выражает зависимость между длиной волны входящего светового пучка и делениями барабана.

Оборудование: прибор «Спектр-1», спектроскоп, люминесцентная лампа (содержащая пары ртути), миллиметровая бумага.

Ход работы.

1. Градуировка спекторкопа.

1. Прибор «Спектр-1» с находящейся внутри него газоразрядной трубкой подключить к источнику питания с напряжением 6 В и включить источник в сеть. Расположите щель коллиматора вплотную к газоразрядной трубке. Настроить окуляр на резкость и, вращая микрометрический винт, постепенно увидеть все области спектра.

2. С помощью винта переместите зрительную трубу вправо так, чтобы в поле зрения появилась крайняя красная линия. Совместить изображение нити с этой линией и записать показание микрометра в таблицу.

Микрометрический винт имеет шаг 1 мм, а барабан имеет 50 делений с ценой деления 0,02 мм.

3. Вращая микрометрический винт, передвигать зрительную трубу до совмещения нити с каждой из спектральных линий и записывать показания микрометра:

Цвет линии

Показания микрометра, мм

Длина волны по справочным данным

4. Выбрав подходящий масштаб, нанести на график все экспериментальные точки, откладывая по оси ординат длины волн, а по оси абсцисс показания микрометра. По полученным точкам провести плавную кривую.

5. Заменить газоразрядную трубку и настройте спектроскоп для наблюдения нового спектра.

6. Подготовить новую таблицу и занести в нее показания микрометрического винта, соответствующие цветам спектральных линий. По полученной градуировочной кривой определить длины волн наблюдаемых линий. С помощью таблиц, данных в приложении к работе, найти химический элемент, которому принадлежат эти линии.

2. Наблюдение спектров.

1. Наблюдение сплошного спектра испускания нити электрической лампы. Зарисовать наблюдаемый спектр, дать ему характеристику.

2. Направить спектроскоп на светящуюся люминесцентную лампу, висящую на потолке и рассмотреть ее спектр. Найти желтую, зеленую и фиолетовую линии, характерные для спектра паров ртути. Зарисовать наблюдаемую картину. Описать, чем спектр люминесцентной лампы отличается от спектра лампы накаливания.

3. Зарисовать линейчатые спектры испускания различных газов. Дать им характеристику.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о спектре и его видах.

2. Сформулируйте постулаты Бора.

3. В чем заключается спектральный анализ?

Литература

1. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования. - М., 2014.

2. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач: учеб. пособие для образовательных учреждений сред. проф. образования. - М., 2014.

3. Дмитриева В. Ф., Васильев Л. И. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Контрольные материалы: учеб. пособия для учреждений сред. проф. образования / В. Ф. Дмитриева, Л. И. Васильев. - М., 2014.

4. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Лабораторный практикум: учеб. пособия для учреждений сред. проф. образования / В. Ф. Дмитриева, А. В. Коржуев, О. В. Муртазина. - М., 2015.

5. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: электронный учеб.-метод. комплекс для образовательных учреждений сред. проф. образования. - М., 2014.

6. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: электронное учебное издание (интерактивное электронное приложение) для образовательных учреждений сред. проф. образования. - М., 2014.

7. Касьянов В. А. Иллюстрированный атлас по физике: 10 класс.- М., 2010.

8. Касьянов В. А. Иллюстрированный атлас по физике: 11 класс. - М., 2010.

9. Трофимова Т. И., Фирсов А. В. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей: Сборник задач. - М., 2013.

10. Трофимова Т. И., Фирсов А. В. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей: Решения задач. - М., 2015.

11. Трофимова Т. И., Фирсов А. В. Физика. Справочник. - М., 2010.

12. Фирсов А. В. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования / под ред. Т. И. Трофимовой. - М., 2014.

Интернет- ресурсы

1. fcior. edu. ru (Федеральный центр информационно-образовательных ресурсов).

2. w dic. academic. ru (Академик. Словари и энциклопедии).

3. booksgid. com (Воокs Gid. Электронная библиотека).

4. globalteka. ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).

5. window. edu. ru (Единое окно доступа к образовательным ресурсам).

6. st-books. ru (Лучшая учебная литература).

7. school. edu. ru (Российский образовательный портал. Доступность, качество, эффективность).

8. ru/book (Электронная библиотечная система).

9. alleng. ru/edu/phys. htm (Образовательные ресурсы Интернета - Физика).

10. school-collection. edu. ru (Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов).

11. https//fiz.1september. ru (учебно-методическая газета «Физика»).

12. n-t. ru/nl/fz (Нобелевские лауреаты по физике).

13. nuclphys. sinp. msu. ru (Ядерная физика в Интернете).

14. college. ru/fizika (Подготовка к ЕГЭ).

15. kvant. mccme. ru (научно-популярный физико-математический журнал «Квант»).

16. yos. ru/natural-sciences/html (естественно-научный журнал для молодежи «Путь в науку»).