Методические указания для выполнения лабораторных работ по Физике (углубленный уровень подготовки)

«Омский летно-технический колледж гражданской авиации имени А.В. Ляпидевского» филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации (институт)»

(ОЛТК ГА филиал ФГБОУВПО УВАУ ГА (И))

Цикловая методическая комиссия

«Естественнонаучных дисциплин»

Янкович Н.В.

Ф И З И К А

Методические указания для специальности

25.02.01 - техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей (углубленный уровень подготовки)

2014

Рассмотрено на заседании цикловой методической комиссии «Естественнонаучных дисциплин»

«22»октября 2014 г.

Протокол № 5

Автор-составитель: Янкович Н.В.

Рецензент: Пищагина Е.С., преподаватель высшей категории

Янкович Н.В.-Физика: методические указания к выполнению лабораторных работ: методические указания-1-е изд., Омск,2014.- 16 с.

Тематика лабораторных работ соответствует основным разделам программы, их выполнение обеспечивает более глубокое изучение материала, направлены на закрепление и систематизацию знаний, умений и формирование общих компетенций. Виды лабораторных работ включают проведение наблюдений, эксперимента, анализа данных, полученных в ходе проделанной работы.

© Янкович Н.В. 1-е издание, 2014

© Оригинал-макет: Янкович Н.В., 2014

СОДЕРЖАНИЕ

1 Пояснительная записка стр. 5

2 Введение стр. 6

3 Лабораторная работа 1 Исследование движения тела под

действием постоянной силы стр. 8

4 Лабораторная работа 2 Сохранение механической

энергии при движении тела под действием сил тяжести

и упругости стр. 8

5 Лабораторная работа 3 Исследование свойств смешанного соединения потребителей стр.13

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по дисциплине Физика составлены в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта по специальности:

25.02.01 Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей (углубленный уровень подготовки).

В соответствии с учебным планом на лабораторные занятия по дисциплине Физика отводится 6 часов.

Реализуемые цели выполнения практических работ:

• овладение умениями применять полученные знания для объяснения разнообразных физических процессов;

• развитие познавательных интересов и интеллектуальных способностей в процессе самостоятельного приобретения физических знаний с использованием различных источников информации, в том числе компьютерных;

• находить самостоятельно конкретные способы решения задач применительно к условиям.

В результате курсанты должны уметь классифицировать физические задачи и применять методы их решения; оценивать численные порядки величин характерных для различных разделов физики.

Введение

Одной из основных форм самостоятельной работы курсантов является подготовка к выполнению лабораторных работ и проведение экспериментального исследования на лабораторных стендах и оборудовании.

Физика является экспериментальной наукой; она оперирует полученными в процессе наблюдения опытными данными. Чтобы установить закономерности между величинами, нужно, чтобы результаты повторялись при сохранении условий эксперимента.

Целью экспериментальных наблюдений является установление физических законов - устойчивых объективных закономерностей, выражающих количественную взаимосвязь между величинами.

Лабораторные работы по физике выполняются с использованием оборудования, предназначенного для лабораторных работ. При подготовке к лабораторной работе курсант должен:

1 Повторить соответствующий теоретический материал, ознакомиться с описанием лабораторной работы, уяснить ее цель, порядок выполнения. Все это выполняется курсантами самостоятельно с использованием методических указаний.

2 Перед проведением опыта повторить правила техники безопасности при работе с оборудованием. При исследовании электрических цепей выяснить систему подачи и регулирования напряжения, собрать электрическую схему. Представить схему для проверки преподавателю.

3 Провести все необходимые измерения. Данные результатов измерений занести в таблицу.

4 Составить отчет: обработать результаты эксперимента, сравнить их с теоретическим материалом. Сделать выводы по лабораторной работе.

5 Защитить лабораторную работу: отчитаться перед преподавателем за выполнение лабораторной работы.

Каждая лабораторная работа рассчитана на 2 аудиторных часа. Для проведения лабораторной работы следует знать оборудование, используемое при проведении лабораторных работ.

Погрешности измерений при проведении лабораторных работ

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

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

Прямое измерение - определение значения физической величины непосредственно средствами измерения.

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

∆А - абсолютная погрешность измерения физической величины. Определяется по формуле:

γ - относительная погрешность измерения физической величины. Определяется по формуле:

Инструментальная погрешность - погрешность, определяемая конструкцией прибора.

Абсолютная погрешность отсчета - является следствием недостаточно точного отсчета показаний средств измерения. В большинстве случаев она равна половине цены деления.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОСТОЯННОЙ СИЛЫ

Цель работы: Исследование равномерного и неравномерного движений тела под действием постоянной силы.

Данная лабораторная работа проводиться с использованием компьютера: курсанты следят за проведением эксперимента на экране монитора. Экспериментатор показывает оборудование, поясняет условия для проведения эксперимента, проводит эксперимент, комментирует ход проведения эксперимента.

В тетрадях для лабораторных работ курсанты фиксируют название работы, цель, приборы и оборудование, условия для исследования равномерного прямолинейного исследования. В результате просмотра видеодемонстрации курсанты зарисовывают график и делают вывод о проведенном исследовании.

Второй частью лабораторной работы является исследование неравномерного прямолинейного движения тела под действием постоянной силы. В результате просмотра видеодемонстрации, описывающей данный тип движения курсанты в тетрадях для лабораторных работ записывают условия, при которых возникает данный тип движения, строят графики пройденного пути в зависимости от времени, зависимости пути от квадрата времени.

По окончании просмотра видеодемонстраций сравнивают графики и делают вывод о отличии одного типа движения от другого.

Ответить на вопросы:

А) Какое движение называется равномерным прямолинейным?

Б) Какое движение называется неравномерным прямолинейным?

В) Записать формулу пути для неравномерного прямолинейного движения и пояснить, в каком случае в формуле записывается знак «+», а в каком случае знак «-» ?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

СОХРАНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛ ТЯЖЕСТИ И УПРУГОСТИ

Цель работы: научиться измерять потенциальную энергию поднятого над землёй тела и деформированной пружины; сравнивать два значения потенциальной энергии и системы.

Оборудование: динамометр, набор грузов, нить необходимой длины, измерительная лента, набор картонок, цветной мел.

Теоретическая часть. Эксперимент проводится с грузом прикрепленным к одному концу нити длиной l. Другой конец нити привязан к крючку динамометра. Если поднять груз, то пружина динамометра становится недеформированной и стрелка динамометра показывает ноль, при этом потенциальная энергия груза обусловлена только силой тяжести. Груз отпускают, и он падает вниз, растягивая пружину. Если за нулевой уровень отсчета потенциальной энергии взаимодействия тела с Землёй взять нижнюю точку, которую он достигает при падении, то потенциальная энергия тела в поле силы тяжести переходит в потенциальную энергию деформации пружины динамометра:

= ,

где ∆l - максимальное удлинение пружины; k - жесткость пружины.

Трудность эксперимента состоит в точном определении максимальной деформации пружины, т.к. тело движется быстро.

Указания к работе:

1 Привяжите груз к нити, другой конец нити привяжите к крючку динамометра и измерьте вес груза ( в данном случае вес груза равен его силе тяжести).

2 Измерьте длину l нити, на которой привязан груз.

3 На нижний коней груза нанесите цветным мелом риску.

4 Поднимите груз до точки закрепления нити.

5 Отпустите груз и убедитесь по отсутствию следов мела на картоне, что мел не касается его при падении.

6 Повторяйте опыт каждый раз, постоянно подкладывая картон, пока на верхнем листе картона не появятся следы мела.

7 Взявшись за груз рукой, растяните пружину до ее соприкосновения с верхней картонкой и измерьте динамометром максимальную силу упругости Fупр; линейкой, максимальное растяжение пружины ∆l, отсчитывая его от нулевого деления динамометра.

8 Вычислите высоту, с которой падает груз: h= l+∆l ( это высота, на которую смещается цент тяжести груза).

9 Вычислите потенциальную энергию поднятого груза

10 Вычислите потенциальную энергию деформированной пружины где Подставив выражение для k в формулу для энергии получим

11 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

F_T = mg,

Н

l,

м

∆l,

м

Fупр,

Н

h = l + ∆l,

м

,

Дж

Дж

12. Сделайте вывод по работе, сравнив значения энергий

и

12. Ответить на вопросы:

А) Какая энергия называется потенциальной? Запишите формулу.

Б) Как определяется нулевой уровень потенциальной энергии?

В) Как определяется потенциальная энергия упругодеформированного тела? Запишите формулу.

Г) В формуле может быть знак «+» или знак «-». Что это значит?

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ 3

Лабораторная работа выполняется на лабораторном стенде

К 4826. Во время ее выполнения курсанты должны приобрести практические навыки конструирования и сборки простейших электрических схем, освоить методику экспериментального исследования электрических цепей постоянного тока закрепить полученные теоретические знания.

Каждая работа состоит из пяти этапов:

1 Подготовка к работе. На этом этапе курсанты должны повторить соответствующий материал, ознакомиться с содержанием лабораторной работы, уяснить ее цель, порядок выполнения, методику обработки экспериментальных данных, выполнить расчетную часть, начертить схему, таблицы. Этот этап работы проводится самостоятельно.

2 Экспериментальная часть. Курсанты проводят все необходимые измерения согласно заданию, заполняют таблицы.

3 Составление отчета. На этом этапе обрабатываются результаты эксперимента, производится сопоставление теоретических и экспериментальных данных, делаются выводы о работе.

4 Защита лабораторной работы. Курсант отчитывается перед преподавателем о выполнении лабораторной работы.

Каждая лабораторная работа рассчитана на 2 аудиторных часа. Для успешной подготовки и выполнения лабораторной работы следует изучить лабораторный стенд К 4826 и работу приборов, встроенных в него.

Питание стенда осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В частотой 50Гц. Источники питания постоянного напряжения обеспечивают максимально допустимый ток 0,1А и напряжения, указанные в таблице 2.

Таблица 2

В корпус встроены: блок ПГ (блок питания, генератор сигналов, генератор трехфазного напряжения), измерительные приборы и монтажная панель. Их лицевые панели образуют общую лицевую поверхность, на которой выделены три части.

Блок ПГ размещен в правой части корпуса. Лицевая панель разделена на 4 зоны. В верхней зоне размещены органы управления и выходные гнезда генератора трехфазного напряжения:

- тумблер «ВКЛ»;

- линза индикатора подачи напряжения ГТН;

- ручка установки частоты;

- гнезда выхода трех фаз (А, В, С) и нуля;

В средней зоне размещены органы управления и индикации источников питания:

- тумблер «СЕТЬ ВКЛ»;

- линза индикатора подачи напряжения на блок ПГ;

- ручка «5В, -15В, +15В» переменных резисторов - для плавной регулировки напряжений -15В и +15В;

- вольтметр 0-30В - для измерения стабилизированных напряжений. В нижней зоне размещены органы управления и индикации генератора сигналов:

- тумблер ГС «ВКЛ»;

- 2 ручки установки частоты генератора сигналов: переключателя «10, 10², 10³» - для установки множителя и переменного резистора плавной регулировки частоты выходного напряжения по шкале «2-5-10-15-20», объединенные надписью «Hz»;

- 2 ручки установки выходного напряжения генератора-переключателя «1, 10^-1, 10^-2, 10^-3» - для установки множителя;

- ручка переключателя для задания формы выходного напряжения генератора сигналов.

В левой зоне размещены штепсельные гнезда выходных напряжений источников питания « ~ 8В», «~ 24В», «+ 5В», «- 5В», «- 15В», «0», «+ 15В» и выходного напряжения генератора сигналов «Um», «┴».

В верхней части корпуса находятся измерительные комбинированные приборы.

В левой части корпуса находится монтажная панель, на которой расположены штепсельные гнезда. Верхний ряд штепсельных гнезд электрически соединен по 2 гнезда между собой. Остальные гнезда расположены в двухразмерном координатном направлении, электрически соединены по 4 гнезда между собой и образуют монтажное поле квадратными группами.

В крышке устройства установлены элементы лабораторного набора. Радиоэлементы и перемычки лабораторного набора установлены в блоке со штепсельными контактами. В зависимости от количества выходных контактов радиоэлемента блоки имеют несколько конструктивных исполнений:

- с 2-мя штепсельными контактами;

- с 4- мя штепсельными контактами, а при необходимости с гнездами на крышке блока;

- с 2-мя гибкими проводниками на концах со штепсельными контактами.

Корпуса блоков выполнены из прозрачного полистирола. На крышках блоков нанесены условные графические обозначения и наименования элементов в международной символике.

Для выполнения лабораторной работы на монтажной панели собирается схема с помощью элементов лабораторного набора и измерительных приборов. Электрическое соединение элементов схемы, измерительных приборов и подключение схемы к гнездам осуществляется с помощью проводов П2, П3, П4, П5 и перемычек П1. с блока питания подаются необходимые напряжения питания. Все измерения производятся многопредельными приборами. Один прибор следует использовать в качестве амперметра, другой - в качестве вольтметра.

Нужно уметь правильно выбрать предел измерения, руководствуясь данными расчетной части, и определить цену деления.

Пример. Предел измерения по току 2,5А, на шкале 50 делений. Цена одного деления С=2,5:50=0,05. Если стрелка прибора показывает 25 на амперметре, то нужно это число умножить на цену деления:

25 · 0,05= 1,25А.

Прежде чем приступить к выполнению лабораторных работ, каждый курсант должен сдать зачет на умение пользоваться комбинированными многопредельными приборами.

При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности:

- перед проведением лабораторной работы корпус устройства необходимо подсоединить к контуру защитного заземления;

- при проведении лабораторной работы подсоединение приборов и узлов устройства должно производиться только при отключенном напряжении питания;

- включать стенд без разрешения преподавателя запрещается. При появлении дыма или запаха гари необходимо немедленно выключить устройство и доложить преподавателю.

Закончив экспериментальную часть, нужно показать результаты преподавателю. Если они одобрены - цепь разбирается и рабочее место приводится в порядок.

По лабораторной работе составляется отчет, проверяется правильность расчетов и сдается зачет.

Для подготовки к зачету необходимо ответить на контрольные вопросы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СМЕШАННОГО СОЕДИНЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Цель работы: экспериментальная проверка основных свойств электрической цепи со смешанным соединением резисторов.

Приборы и оборудование:

1 Источник питания 0, + 15В.

2 Измерительные приборы 43101 и Ц4342.

3 Резисторы R₁ = 27Ом, R₂ = 100Ом, R₃= 200Ом.

4 Соединительные провода.

Подготовка к работе:

1 Повторить теоретический материал.

2 Начертить электрическую схему.

3 Выполнить для схемы расчетную часть. Дано: R₁ = 27Ом, R₂ = 100Ом, R₃= 200Ом, U = 10В. Рассчитать общее сопротивление цепи Rобщ, общий ток Iобщ, I₁, токи в параллельных ветвях I₂ и I₃. Какими будут напряжения на R₁, R₂, R₃?

4 Начертить таблицу 3.

Подготовка к проведению эксперимента:

1 Собрать электрическую цепь и предъявить ее для проверки преподавателю.

2 Выставить пределы измерения тока и напряжения приборов согласно расчетной части. Определить цену деления измерительных приборов.

Экспериментальная часть: включить цепь, установить напряжение 10В. Измерить напряжение и токи на участках цепи. Результаты измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

Составление отчета:

1Вычислить Rобщ по формуле: .

2 По данным измерений вычислить R'_1, R'_2, R'_3, Rобщ,

И относительную погрешность измерений

γ =

Сделать выводы по работе:

- о напряжении на всех участках электрической цепи;

- о соотношении токов на участках параллельной цепи и тока в общем участке цепи;

- как изменится ток в общем участке цепи, если подключить параллельно еще один резистор?

- записать закон Ома для всей электрической цепи.

Литература

Основные источники:

1 Фирсов, А.В. Курс физики: учеб. пособие для ссузов / А.В. Фирсов.-М.: Дрофа, 2006. - 509, (3) и.: ил.

2 Трофимова, Т.И. Физика. Сборник задач: учебное пособие для ссузов / Т.И. Трофимова, А.В. Фирсов. - М.: Дрофа, 2007. - 303, (1) с.: ил.

3 Трофимова, Т.И Физика. Законы, формулы, определения: учеб. пособие для ссузов / Т.И. Трофимова, А.В. Фирсов. - М.: Дрофа, 2004. - 304с.:ил.

4 Дмитриева, В.Ф. Физика. Учебник для студ. образоват. .учреждений сред. проф. образования / - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 464 с.

Дополнительные источники:

1Данилов,И.А., Иванов,П.М. Общая электротехника с основами электроники. - М.: Мастерство, 2001.

2 Мякишев,Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профильный уровни/ Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой.- 19-е изд. - М.: Просвещение, 2010.- 399 с., (4) л. - (Классический курс)

3 Парфентьева, Н.А. Сборник задач по физике. 10-11 классы: пособие для учащихся образоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Н.А. Парфентьева. - 4-е изд. - М.: Просвещение, 2012. - 206 с.: ил. - (Классический курс).