Физический практикум в школе 7-11 кл

ПРАКТИКУМ ПО  ФИЗИКЕ

 Дидактический материал

Практикум по физике в средней школе. Пособие для учителей и обучающихся.

В пособии описаны руководства к выполнению лабораторных работ физических практикумов для обучающихся 9-11 классов.

Тематика и содержание работ согласовано с программой и учебниками.

Содержание

I.      Введение                                                                                                  5

II.      Основные особенности физического метода исследования

II.1.1   Определение размеров малых тел                                            17

III.      Механика                                                                                                23

Основы кинематики

III.1.1     Определение ускорения при свободном падении с помощью вращающегося диска                                                                                    23

III.1.2     Изучение законов криволинейного движения                       26

Основы динамики

III.1.3                 Проверка постоянства отношений ускорений двух тел при их взаимодействии                                                                                       29

Силы в природе

III.1.4                 Измерение коэффициента трения скольжения                  33

III.1.5                 Измерение модуля Юнга резины                                      35

Законы сохранения в механике

III.1.6                 Проверка постоянства отношений ускорений двух тел при их взаимодействии                                                                                       37

III.1.7                 Изучение закона сохранения импульса при упругом ударе шаров            41

III.1.8     Изучение закона сохранения энергии                                    45

IV.      Молекулярная физика                                                                       48

IV.1.1      Измерение удельной теплоты плавления льда                       48

IV.1.2      Измерение поверхностного натяжения воды методами отрыва капель и поднятия жидкости в капилляре                                                 50

IV.1.3      Определение поверхностного натяжения методом отрыва капель            55

IV.1.4      Определение процентного содержания воды в мокром снеге                        59

V.      Электродинамика                                                                                61

Электростатика 

V.1.1          Определение максимальной электроемкости воздушного конденсатора переменной емкости                                                                        61

Законы постоянного тока

V.1.2          Изучение зависимости сопротивления металлов от  температуры                 63

V.1.3          Расширение предела измерений вольтметра                          65

V.1.4          Расширение предела измерений амперметра                         67

V.1.5          Измерение температуры нити лампы накаливания               70

Электрический ток в различных средах

V.1.6          Снятие вольт – амперной характеристики полупроводникового диода          72

Магнитное поле

V.1.7          Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита                        77

Электромагнитная индукция

V.1.8          Работа с катушкой                                                                  80

VI.      Колебания и волны                                                                             84

Механические колебания

VI.1.1                  Измерения ускорения свободного падения методами математического и конического маятников                                                            84

VI.1.2                  Изучение колебаний пружинного маятника                     86

Электромагнитные колебания

VI.1.3                  Изучение работы устройства трансформатора                  89

VI.1.4                  Исследование магнитного поля соленоида и электромагнита         92

VII.      Оптика. Световые волны                                                                  94

VII.1.1  Определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз     94

VII.1.2  Определение показателей преломления прозрачных пластинок с помощью микроскопа                                                                                  102

VII.1.3  Наблюдение разрешающей способности малого отверстия  111

VII.1.4  Сборка модели микроскопа                                                   112

VII.1.5  Сборка модели трубы Кеплера                                              115

VII.1.6  Определение показателя преломления стеклянной пластины с помощью микроскопа                                                                                  117

VIII.      Излучение и спектры                                                                          123

VIII.1.1     Градуирование спектроскопа и измерение длин световых волн спектральных линий газов                                                                  123

IX.      Квантовая физика. Световые кванты                                          128

IX.1.1      Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона                                                                                                             128

X.      Атомная физика                                                                                   131

X.1.1          Исследование законов радиоактивного распада                    131

X.1.2          Исследование естественной радиоактивности продуктов питания           137

XI.      Литература                                                                                            140

XII.      Приложение                                                                                           142

XII.1.1  Техника безопасности для учащихся в кабинете физики       130

XII.1.2  Техника электробезопасности в кабинете физики                 144

XII.1.3  Техника безопасности при работе со стеклянной посудой в кабинете физики   146

XII.1.4  Техника безопасности при работе с нагревательными приборами по физике   148

XII.1.5          Техника безопасности во время экскурсий на уроках физики                   148

                                                                                                                        XIII.            Введение

Для укрепления связи школы с жизнью, с трудом, развития у молодежи действенных политехнических знаний, твердых умений и навыков, учащиеся должны не только понимать окружающую действительность, но и уметь плодотворно применять полученные знания и навыки в своей практической деятельности.

Все это в полной мере относится к преподаванию такого важного предмета, каким является в настоящее время физика.

Политехническая направленность преподавания физики и повышение качества знаний учащихся по этому предмету в значительной мере зависят от развития учебного физического эксперимента и его широкого, правильного применения в процессе обучения.

Особое значение в накоплении действенных знаний имеют самостоятельные практические занятия учащихся в школьном физическом кабинете и в частности выполнение физического практикума в старших классах.

Практикум должен быть лишь оной из органических частей в системе лабораторных занятий в средней школе.

В практикумы целесообразно включать работы, которые позволили бы, с одной стороны, повторить, углубить и обобщить основные вопросы пройденного курса, а с другой  стороны – давали бы возможность вести практические занятия на новой, более высокой экспериментальной базе, чем та база, на которой строятся фронтальные работы.

Тогда приобретенные навыки не будут оторваны от полученных теоретических знаний по физике. Это позволит избежать возможной крайности – чрезмерного увлечения   техникой, когда второстепенные технические объекты могут заслонить физику и отвлечь учащихся от логической системы, необходимой при изучении физики.

Сколько должно быть поставлено работ  в практикуме? Из чего нужно исходить при выборе тем для лабораторных работ? Прежде всего приходится считаться с  количеством часов, которое можно выделить для практикума из общего бюджета времени отведенного на весь курс физики с IX  по XI класс. Кроме того, надо учитывать наличие оборудования в физическом  кабинете. Это определит возможный объем и содержание практикума в каждом классе.

Задачи практикума

·                   Обучить методам и приемам применения теоретических сведений, приобретаемых на уроках, к реализации некоторых  конкретных физических заданий;

·                   Обучить методам и технике проведения самостоятельных физических исследований. Приобретение практических навыков.

·                   Экспериментальное изучение и проверка основных физических законов.

·                   Обучить практическому анализу получаемых экспериментальных результатов: оценка порядков изучаемых величин, их точности и достоверности.

·                   Обучить технике применения измерительных приборов и лабораторного оборудования в процессе выполнения самостоятельных исследований.

·                   Обучение приемам и методам обработки и оформление экспериментальных результатов: ведение записей в тетрадях, представление результатов в виде таблиц, графиков.

·                   Повторить и углубить пройденный материал.

Цель работы:

разработать дидактическую модель физического практикума и создать на ее основе систему физических опытов с применением подручных средств.

Оборудование практикума.

Проведение лабораторных работ физического практикума, очевидно, потребует соответствующего учебного оборудования более сложного, чем для фронтальных занятий. Это оборудование должно полностью удовлетворять методической задаче практикума, находить максимальное применение в процессе обучения и в то же время быть доступным школе по своей стоимости.

Для практикума во многих случаях используются приборы, необходимые и для демонстрационных опытов или являются общим лабораторным оборудованием физического кабинета.

Такие приборы, очевидно, должны быть при всех условиях в каждом физическом кабинете независимо от того, ставится ли в нем практикум или нет. Примером могут служить метроном, термометр комнатный, метр демонстрационный, штатив физический, трансформатор школьный разборный, гидравлический пресс и т.д.

Оборудование для практикума можно приобретать не сразу, а постепенно.

Но закупленное оборудование не должны иметь каких-либо простоев.

Подготовка оборудования.

Размещая оборудование практикума в кассе, необходимо внимательно просмотреть каждую работу  с точки зрения выбора наиболее подходящих условий для ее выполнения.

В некоторых работах оборудование выходит за пределы площади стола и занимает часть прохода между столами. Эти работы надо разместить так, чтобы учащиеся других звеньев не могли мешать выполнению эксперимента. Установленное для практикума оборудование сохраняется на все время  занятий, после того как все приборы размещены, необходимо проверить действие каждой установки, каждого прибора. Как правило, все приборы в практикуме должны быть подготовлены. В подготовительной работе существенную помощь преподавателю может оказать лаборант.

После размещения работ практикума составляется расписание сроков выполнения работ в практикуме. С этой целью работы нумеруются с первого по последнюю, а группа учащихся делится по звеньям из двух человек; звенья сохраняются на все время занятий. Учитель разъясняет учащимся последовательность перехода от одной работы к другой.

Подготовка учащихся.

Практикум проводится после  того, как учащиеся накопили достаточные знания изучаемого материала и смогут разобраться в более сложных приборах, установках и опытах. Могут понять целесообразность применения того или иного измерительного прибора для данного опыта, разобраться в методе измерения, во вносимых поправках и расчетах погрешностей.

Подготовка к практикуму проводится постепенно, систематически, в течение всего года во время классных занятий. Учащиеся должны вести свои тетради, в которых вносятся чертежи приборов, схемы установок которые нужны для выполнения эксперимента и порядок выполнения лабораторной работы, вытекающий из метода ее проведения. Метод проведения учащиеся должны знать так, чтобы уметь его рассказывать. Таким образом, в течение года учащиеся будут предварительно ознакомлены со всеми лабораторными работами, входящими в практикум. Перед  занятиями практикума учащимся необходимо иметь  краткую письменную инструкцию, по которой можно было бы заранее подготовиться к предстоящей работе. В инструкцию, как правило, включается содержание и метод работы, описание конструкции приборов, порядок выполнения работы, порядок записи результатов опыта и вычислении. Инструкция, как правило, должна содержать следующие элементы:

·                   Краткие сведения из теории изучаемого вопроса;

·                   Краткое описание приборов, если они неизвестны учащимся;

·                   Метод выполнения работы;

·                   Порядок записи результатов измерений и вычислений;

·                   Дополнительные вопросы или экспериментальные упражнения.

Объем инструкции будет в основном зависеть от того, насколько удачно раскрывалось содержание той или иной лабораторной работы на классных занятиях, и от самого характера работы. При составлении инструкций следует учитывать, что некоторые работы в механике и из других разделов по своему содержанию выходят за пределы двухчасового урока. Они требуют особого внимания при подготовке или некоторого сокращения материала.

Весьма важно обратить внимание на то, чтобы инструкции были хорошо оформлены (отпечатаны, имели четкие и ясные чертежи) и вшиты в прочные папки с указанием на этих папках номера и название работы.

Папки для описания разных работ, входящих в один и тот же практикум, полезно взять разноцветные.

В таком виде инструкции удобно выдавать учащимся и обменивать; они хорошо сохраняются, несмотря на то, что много раз переходят из рук в руки:  или пользуются при подготовке дома и на занятиях в классе.

Последним этапом подготовки учащихся является двухчасовая вводная беседа, которая должна проводится  непосредственно перед началом практических занятий.

Содержанием такой беседы должны явиться следующие вопросы:

·       Задачи практикума;

·       Содержание практикума;

·       Организация работы;

·       Приемы измерения, анализ погрешностей, приближенные вычисления;

·       Составление отчетов о проделанных работах.

Информация об организации работы сводится к тому, что преподаватель сообщает о делении учащихся одного данного класса на звенья, оглашает заранее составленное расписание занятий и вывешивает его на видимом месте.  Затем согласно расписанию выдает учащимся инструкции к очередным работам и указывает дальнейший порядок обмена инструкциями между звеньями.

Тут же делается замечание о необходимости тщательно ознакомиться с инструкцией, без чего учащиеся не могут быть допущены к работам: незнание инструкции чаще всего приводит к пустой трате времени, а иногда даже к порче приборов. Далее говорится о необходимости поддерживать полный порядок на рабочем столе во время выполнения работы, об уборке рабочего места после занятий, о представлении отчетов по окончании каждой работы, написанных в отдельной тетради.

Наконец, даются мелкие практические указания о пользовании электрическим током, газом или другими источниками тепла, водой, мелкими ручными инструментами и т.д.

После этого преподаватель переходит к вопросу о приемах  измерений и анализ погрешностей, одному из важных элементов работы, которым должны учащиеся овладеть на лабораторных занятиях.

Во вступительной беседе надо обратить внимание учащихся на то, что всякое  измерение выполняется приближенно, со степенью точности, удовлетворяющей практическим или научным целям, причем степень точности зависит от метода измерения, от совершенства инструментов, от способностей, экспериментатора от некоторых других причин.

Поэтому основная задача экспериментатора, определяющего значение той или иной величины, заключается  не в поисках истинного значения той или иной величины, а в определении пределов, в которых она находится, при применении данного метода измерения конкретных приборов и инструментов.

Рассказать учащимся о прямом и  косвенном измерении. Прямое измерение - непосредственное измерение длины линейной, массы (веса) – взвешиванием на весах, величины тока – амперметром и т.д. особенность этого вида измерений – его сравнительная простота, возможность многократных повторений и непосредственное получение результатов измерений.

Однако далеко не все физические величины измеряются непосредственно, многие из них находятся косвенным путем. Определение искомой величины после непосредственного измерения других величин следует какой–либо расчет, в результате чего находится искомая величина.

Во время беседы необходимо показать учащимся основные различия в приемах вычисления погрешностей при выполнении прямых и косвенных измерений.

Во вступительной беседе надо сказать и о том, как составляется учащимся  письменный отчет.

Содержание отчета в основном должны составить схематический чертеж установки, с которой проводится эксперимент, порядок выполнения работы, результаты наблюдений и измерений, обработка результатов (вычисление погрешностей или построение графика).

Лучше всего к вопросу об отчете вернуться еще раз, после того как учитель проверит первые отчеты, и будет располагать конкретным материалом. Как правило, отчет о проделанной работе составляется сейчас же по окончании эксперимента и отдается преподавателю для проверки. Только в исключительных случаях эта работа может быть перенесено на дом.

В связи с этим было бы весьма полезно таким образом, чтобы практикум по физике проводился на двух последних уроках. Тогда учащиеся в случае необходимости могли бы задержаться на некоторое время в физическом кабинете для окончания работы.

Для отчетов практических знаний по физике полезно рекомендовать учащимся  вести отдельную тетрадь.

Методика проведения занятий

Постепенная подготовка учащихся к практикуму в течение года на обычных классных занятиях, а также надлежащая подготовка необходимого оборудования, описанного ранее, в достаточной степени определяют собой методику проведения занятий в практикуме.

В отличие от фронтальных лабораторных работ, которые проводятся в большинстве случаев на новом материале программы и выполняются по непосредственным указаниям преподавателя, на занятиях в практикуме учащимся предоставляется максимальная самостоятельность, так как здесь они встречаются с проработанными ранее вопросами. Руководствуясь письменными инструкциями к работам, основное содержание которых берется из пройденного материала программы, и имея набор необходимых приборов, принадлежностей, материалов, учащиеся собирают из отдельных деталей установки; они проводят эксперимент и связанные с ним необходимые наблюдения и измерения; пользуясь справочниками, обрабатывают результаты измерений и составляют отчеты.

Роль преподавателя на этих занятиях значительно отличается от той, какую он выполняет на обычном уроке, когда излагается новый материал с демонстрацией опытов, решаются для примера задачи, ведется опрос учащихся и т.п. Эта роль сводится главным образом к всестороннему наблюдению за ходом работы каждого звена.

Попутно с наблюдением преподаватель во время проведения практикума дает отдельным учащимся указания по обращению с приборами, заботясь о том, чтобы прививались правильные практические навыки. В случае необходимости он корректирует ход работы в том или ином звене, дает указания, помогающие вовремя закончить экспериментальную часть и получить надлежащие результаты, а также советы по поводу обработки полученных результатов, составления отчета и т.п.

Наблюдения за ходом  выполнения работы позволяют преподавателю установить, кто из учащихся подготовился  лучше (владеет теорией, ясно представляет ход работы, знает назначение отдельных приборов) и кто подготовился недостаточно. У первых работа спорится; они чувствуют себя увереннее, обращаются к препода­вателю сравнительно редко. У вторых замечается неуверенность, отставание; они со всякой мелочью обращаются к преподавателю или к более сильным товарищам: этим учащимся требуется помощь. Кроме того, преподаватель легко может видеть, кто из учащихся выполняет работу тщательно и аккуратно, стремясь добиться луч­ших результатов, и кто ведет ее поспешно, без должного прилежа­ния, а иногда без понимания основной сути дела, формально. Все это дает преподавателю богатый материал, необходимый для даль­нейшего улучшения организации занятий в практикуме и для правильной оценки успеваемости каждого учащегося по лаборатор­ным работам.

Оценка знаний учащихся по практикуму относится к числу су­щественных сторон методики ведения занятий. Эта оценка склады­вается из результатов проверки ученических отчетов и из резуль­татов наблюдения преподавателя, так как в оценку должно вхо­дить не только качество отчета, но и качество всей практической работы, проведенной учеником на лабораторных занятиях. Послед­нее обстоятельство важно подчеркнуть потому, что отчет далеко не всегда отражает работу учащихся в лаборатории, а иног­да может ввести в заблуждение: отчет оказывается хорошим, а вы­полнение работы оставляет желать лучшего.

Отчеты должны проверяться преподавателем после каждого занятия. В них просматриваются полученные результаты, чертежи установок, графики процессов, различные схемы, проверяется правильность исходных теоретических положений, определяю­щих практическую задачу. При этом учитель вносит в тетрадь свои исправления или замечания, а затем ставит общую оценку, принимая во внимание всю практическую работу в целом. Такая общая оценка знаний отучает учащихся от формального отношения к делу, от погони только за хорошим отчетом независимо от серьез­ной предварительной практической работы. Она заставляет знать физическую суть задачи, уделять внимание правильному и рацио­нальному обращению с приборами, воспитывает бережливость и аккуратность.

Правильная методика ведения занятий приучает учащихся от­носиться к практикуму с полной ответственностью и серьезно гото­виться к нему. В тех весьма редких случаях, когда учитель затрудняется вы­ставить оценку по практикуму, он может вызвать ученика насле­дующем уроке и опросом детально выяснить его теоретические и практические знания по проделанной работе. После такого опроса оценка выставляется в тетрадь и в классный журнал.

Правила выполнения работ лабораторного практикума

1.   Урок начинается не со звонка, а при входе в лабораторию.

2.                        Все сумки остаются в кабинете.

3.                         Группы размещаются за теми столами, где находятся нужные работы.

4.                        Запрещается переносить приборы и оборудование с одних столов на другие.

5.                         Работы выполняются строго по графику. Если группа не успела закончить работу за отведенное ей время, она обязана освободить место другой группе.

6.     Закончив эксперименты, группа приводит в порядок стол с
оборудованием и сдает оборудование лаборанту, после чего приступает к
оформлению отчета и устной защите.

7.                        Запрещается бесцельное хождение по лаборатории.

8.                         Вход и выход во время урока свободный.

9.                        Инструкцию нужно сдать по окончании занятия независимо от того, защищена работа или нет.

10.При нарушении правил техники безопасности учащийся отстраняется от выполнения работ физического практикума с последующей сдачей теории за весь курс.

11. Оценки в классный журнал выставляются после окончания физического практикума.

Структура деятельности учителя и ученика

Главная цель, которая ставится в настоящее время в образовании: изменение технологии работы учителя и ученика.

Задача учителя максимально раскрывать перед ребенком спектр физических знаний, для формирования естественнонаучной картины мира, мобилизовать его на путь самоопределения, развития личности на протяжении всей жизни.

В своей учебно-методической деятельности выбираю следующие направления:

·        не передавать знания, а организовывать процессы деятельности, в котором эти сведения и операции создавать и пользоваться;

·        развивать логику познания учащихся;

·        развивать умение импровизации и анализа новых нестандартных ситуаций, строить собственные уникальные действия в конкретных ситуациях;

·        развивать понимание разных ситуаций (учебных, исторических, в обществе и мире, в школе и классе).

В общении с детьми выбираю позицию сотрудничества, демократичный стиль общения. Считаю его наиболее продуктивным, т.к. он основывается на уважении личности партнеров по общению, возможности свободного высказывания своих позиций и мнений.

Ученик же на различных этапах работы должен показать свои знания и умения при самостоятельном выполнении работ практикума.

В случае неудовлетворительного результата или пропуска по уважительной причине дается возможность на повторное выполнение работы. Если учащийся показывает удовлетворительный или хороший результат, итоговая оценка повышается на один балл.

На протяжении всего учебного процесса ставлю перед собой помимо обучающих, следующие задачи:

·              помочь детям жить,  в постоянно меняющемся,  не стабильном мире, адаптироваться в этих условиях;

·              научить детей жить совместно с другими людьми;

·              научить работе с информацией;

·              научить учиться;

·              помочь быть счастливым.

                  XIV.            Основные особенности физического метода исследования

XIV.1.1                 Определение размеров малых тел

Цель: научиться выполнять измерения способом рядов.

Оборудование: линейка, дробь (или горох), иголка.

Краткие теоретические сведения.

Задолго до нашей эры народы Древнего Востока — египтяне, вави­лоняне, ассирийцы, индусы и китайцы — накопили много естественнонаучных и технических знаний. В связи с необходимостью строить здания, храмы, пирамиды, с развитием мореплавания, потребностями измерений земельных участков и т. д. накапливались первоначальные сведения о свойствах различных материалов, о технике математических вычислений, о движении небесных светил.

Однако научные знания народов Древнего Востока не содержали дан­ных о строении тел и о причинах отдельных явлений природы.      

По дошедшим до нас сведениям первые высказывания по этим воп­росам принадлежат ученым мира — Древней Греции и Древнего Рима. Среди этих ученых следует назвать Фалеса Милетского, Анаксимена, Гераклита Эфесского. Фалес, например, утверждал, что первоначалом всех вещей является вода, из нее образуются вещи, а Анаксимен учил, что весь мир построен из воздуха. Древнегреческий мудрец Гераклит го­ворил, что первичной формой вещества является огонь.

Основная заслуга ученых заключается в том, что они поставили, воп­рос: из чего состоят окружающие нас тела? Сплошные ли они или пост­роены из каких-то очень маленьких частиц, которые нельзя увидеть, но о существовании которых можно догадаться на основании наблюдений: испарения воды, стирания лезвий ножа и плуга при длительной работе и т. д.?

Древнегреческий ученый Демократ впервые высказал гениальное предположение о том, что все тела состоят из мельчайших и неделимых и неизменных частичек — атомов, которые находятся в движении и, взаимодействуя между собой, образуют все тела природы.

Таким образом, древние ученые высказали многое из современных представлений о строении вещества. В ту пору их высказывания явля­лись, конечно, лишь гениальными догадками, основанными на наблю­дениях, но не подтвержденными никакими экспериментальными фак­тами.

Все окружающее человека: вода, воздух, горы, деревья - обладают своими свойствами. Объекты отличаются по форме, цвету, запаху, у них различные свойства.

Две маленькие капли воды сливаются в одну, но в то же, время два стальных шарика при ударе отскакивают друг от друга.

Немного нагрев кусок воска, мы наблюдаем, как он превращается в жидкость. Почему это происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, не­обходимо иметь представление о строении вещества.

Знания о строении вещества помогают не только объяснять суть явле­ния, но и оказывать влияние на его течение.

Почему каучук упругий, а воск мягкий? Почему при нагревании твер­дые тела превращаются в жидкости, а жидкости — в газ? На все эти воп­росы можно ответить, зная строение веществ.

 

Демонстрация опытов

1. Все знают, что при помощи внешней силы, можно изменить объ­ем тела. Воздушный шарик под действием даже небольшой силы изменяет свою форму и объем.

2. Если стальной шарик, который проходит через кольцо нагреть, то он уже не пройдет через это кольцо. Следова­тельно, твердые тела при нагревании расширяются. (Демонстри­руется опыт с нагреванием металлического шара).

3. При нагревании расширяются и жидкости. При нагревании расширяются и газы. Если газ под поршнем мы начнем нагревать, то поршень начнет подниматься и объем газа увеличится.

Эти опыты указывают на то, что вещества состоят из отдельных частиц, разделенных промежутками. Изменение расстояния между частицами и приводит к изменению объема тела. (Демонстрация модели; молекулы воды).                          

То, что вещества состоят из мельчайших частиц, объясняет распро­странение запаха, испарение жидкости и твердых тел.

То, что любая жидкость или твердое тело кажутся сплошными, указы­вает на очень малые размеры частиц и промежутков между ними.

На примере опыта можно проследить, что чем меньше кон­центрация купороса в воде, тем светлее раствор. Самая маленькая пор­ция медного купороса при растворении равномерно занимает весь объем воды в сосуде. Следовательно, в самой малой порции вещества очень мно­го частиц, которые очень малы и по размерам, и по массе. Эти частит г были названы молекулами (в переводе с латинского «маленькая масса»)

Молекула вещества — это мельчайшая частица данного вещества.    

Можно ли вообразить себе, насколько малы эти размеры? Можно ли например, показать при помощи пальцев расстояние между молекулами газов, входящих в состав воздуха, которые примерно в 10 раз больше диаметра самих молекул?

Размеры молекул были определены во многих опытах. Один из них, провел английский ученый Роберт Рэлей.                       

В чистый широкий сосуд налили воду и на ее поверхность поместили" каплю оливкового масла. Капля растеклась по поверхности воды и об­разовала круглую пленку. Постепенно площадь пленки увеличивалась, но затем растекание прекратилось и площадь перестала изменяться. Ре-, лей предположил, что молекулы расположились в один ряд, т.е. толщи­на пленки стала равна как раз размеру одной молекулы, и решил определить ее толщину. При этом, конечно, нужно учесть, что объем пленки равен объему капли.

По тем данным, которые были получены в опыте Рэлея, рассчитаем толщину пленки и узнаем, чему равен линейный размер молекулы мас­ла. Капля имела объем 0,0009 см³, а площадь пленки, образовавшейся из капли, была равна 5500 см². Отсюда толщина пленки:

Многочисленные опыты показали, что молекулы разных веществ отличаются по размерам. Но когда хотят оценить диаметр молекул (если принять, что они имеют форму шариков), то берут величину 0,000 000 01 см.

Из - за очень малых размеров молекулы невидимы невооруженным гла­зом или в обычные микроскопы. Но при помощи специального прибора — электронного микроскопа — удалось сфотографировать наиболее круп­ные из них. На рисунке 20 учебника показано расположение молекул белка. Диаметр которых примерно в 100 раз больше, чем у молекулы воды.  Молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц — атомов.

Закрепление изученного

¾   Как объяснить высыхание белья после стирки?

¾   В чем заключается гипотеза о строении вещества?

¾   Почему не видны частицы, из которых состоят тела?

Ход   работы

1. Положите вплотную к линейке несколько (20 - 25 штук) дробинок (или горошин) в ряд. Измерьте длину ряда и вычислите диаметр одной дробинки.

2. Определите таким же способом размер крупинки пшена (или зер­нышка мака). Чтобы удобнее было укладывать и пересчитывать крупинки, воспользуйтесь иголкой. Способ, которым вы определили размер тела, называют способом ря­дов.

3. Определите способом рядов диаметр молекулы по фотографии (увеличение равно 70 000). Данные всех опытов и полученные результаты занесите в таблицу.

№ опыта	Число час­тиц в ряду	Длина ряда, мм	Размер одной частицы, мм
1. (горох) 2. (пшено)
3. (молекула)			на фотографии	истинный размер

 

Дополнительное задание. Проделать в домашних условиях опыт по определению размеров молекул масла.

Для опыта удобно воспользоваться чистым машинным маслом. Сна­чала определите объем одной капли масла. Придумайте сами, как это сделать при помощи пипетки и мензурки (можно воспользоваться мен­зуркой, которой отмеривают лекарства).

Налейте в тарелку воды и на ее поверхность поместите каплю масла. Когда капля растечется, измерьте диаметр пленки линейкой, положив ее на края тарелки. Если поверхность пленки не будет иметь форму кру­га, то или подождите, когда она примет такую форму, или сделайте не­сколько измерений и определите ее средний диаметр. Затем вычислите площадь пленки и ее толщину

¾   Какое число вы получили?

¾   Во сколько раз оно отличается от действи­тельных размеров молекулы масла?

Контрольные вопросы.

Можно показать опыт с исчезновением пятна спирта (оде­колона) на фильтровальной бумаге.

1.     Куда исчез одеколон?

2.     Мгновенно ли он исчез?

3.     Видели ли вы, как одеколон «покидал» бумагу?

4.     Где сейчас одеколон?

5.     Какую гипотезу о строении вещества можно выдвинуть для объяс­нения такого постепенного исчезновения?

                                                                                                                                       XV.      Механика

Основы кинематики

XV.1.1                     Определение ускорения при свободном падении с помощью вращающегося диска

Цель: определить ускорение свободного падения

Оборудование: электропроигрыватель, измерительная линейка, транспортир, два шарика равной массы на нити, штатив с лапкой и муфтой, два круга из белой и копировальной бумаги, спички.

Краткие теоретические сведения.

Чтобы определить ускорение свободного падения g, надо знать две величины — высоту h  и время падения тела t:    

          (1)

Первую из этих величин можно измерить с достаточной точ­ностью линейкой. Измерение же малого промежутка времени, в те­чение которого происходит падение с небольшой высоты требует особого приема. В данной работе для этой цели применен равномер­но вращающийся диск электропроигрывателя, делающий известное, строго постоянное число оборотов V в минуту.

Над диском электропроигрывателя укрепляют с помощью шта­тива небольшую деревянную или металлическую пластинку, через которую перекидывают нить с двумя одинаковыми шариками (рис. 1). При этом шарики должны находиться над диском на раз­ной высоте и располагаться строго над одним из его радиусов.

Если включить проигрыва­тель и пережечь нить, то шари­ки упадут на вращающийся диск в разные моменты времени t₁ и t₂.

Между радиусами, проведен­ными через точки падения ша­риков на диск, будет некоторый центральный угол φ. Измерив угол поворота φ в градусах и зная число

 оборотов диска в ми­нуту V, можно определить интер­вал времени   t =t₁ - t₂  в минутах

      (2)

а в секундах этот интервал будет 

          (3)

С другой стороны, интервал времени t можно определить через время падения шариков t₁ и t₂, следовательно

         (4),

откуда

        (5)

Ход   работы

1.Приготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.  

№ опыта	h1, м	h2, м	V, с-1	, °	G,  м/с2
1
2

2.       Положите на диск проигрывателя круг из копировальной
бумаги слоем вверх и на него — круг из белой бумаги. На бумажном   круге начертите предварительно один радиус.

3.       Расположите шарики по возможности точно над вычерченным радиусом один на высоте h₁ = 10 см, другой на высоте h₂ =
= 25 см.    Эти числа внесите в таблицу результатов измерений.    

4.       Включите проигрыватель с частотой V = 78 об/мин и через
некоторое время пережгите нить, связывающую шарики. Выключите проигрыватель и снимите с него белый крут. Метки, оставленные
шариками на этом круге, соедините тонкими линиями точно с центром круга, угол  между этими линиями измерьте транспортиром.
Результаты измерений запишите в таблицу.

5.       Зная частоту V вращения диска проигрывателя, расстояния  h₂ м  и  h₁ м от шариков до диска в начальный момент времени и угол ,
вычислите величину ускорения g свободного падения тел.

6.       Повторите опыт при других высотах h₁ м h₂ м. Результаты измерений  и  вычислений  внесите  в  таблицу.

Контрольные вопросы

1.Почему время падения шарика в этой работе не измеряют
карманным  секундомером?

2.Как измеряется время падения шарика с помощью вращающегося диска?  

3.Изменится ли результат в этой работе, если шарики будут иметь массу больше прежней в два раза?

4.Изменится ли погрешность результата измерения времени
 t, если расстояние между шариками h₁-h₂ будет больше, чем
было указано в опыте?

5. Каковы основные причины погрешностей, возникающих при
выполнении   данной   лабораторной   работы?

XV.1.2                     Изучение законов криволинейного движения.

Цель: Изучить законы кинематики криволинейного движения. Измерить путь, перемещение, скорость, угловую скорость, центростремительное ускорение.

Оборудование: секундомер, сантиметровая лента, шарик, шарик на нити, копировальная бумага.

Краткие теоретические сведения.

Если направить скорость тела, стоящего на наклонной плоскости горизонтально, то действующая на тело сумма сил будет направлена перпендикулярно скорости. Следовательно, движение тела будет напоминать движение тела брошенного горизонтально (т. е. по параболе). Если при этом измерить путь и перемещение тела, то можно убедиться в том, что они различаются. При равномерном вращении шарика на нити он движется с центростремительным ускорением:

Ход   работы

1)                Соберите установку согласно рисунку (положите папку на стопку книг, на неё лист бумаги, на него лист копировальной бумаги).

2)                Толкните тяжёлый шарик горизонтально, снимите копировальную бумагу и прочертите тонкий след карандашом, начертите вектор перемещения.

3)                Измерьте путь и перемещение шарика с учётом погрешности, сравните их.

4)                Начертите векторы скорости в начале, середине и конце пути.

5)                Приведите шарик на нити во вращение над линейкой.

6)                Измерьте время прохождения 20 – 25 кругов и вычислите период движения шарика.

7)                Вычислите скорость, угловую скорость и центростремительное ускорение шарика.

8)                Рассчитайте  погрешности измерений и вычислений, результаты занесите в таблицу.

Контрольные вопросы.

1.           В каком случае измерение будут точнее: если делать 30 оборотов шарика или 60?

2.           Как изменится период движения шарика, если радиус окружности увеличить вдвое?

3.           Как при это изменится угловая скорость?

4.           Как при это изменится центростремительное ускорение?

Основы динамики

XV.1.3                     Проверка постоянства отношений ускорений двух тел при их взаимодействии

Цель: проверить постоянство отношений ускорений тел при их взаимодействии.

Оборудование:  легкая плоская стальная пружина,  два стальных шарика, платформа  на стержне,  штатив лабораторный с двумя муфтами и лапкой,  весы технические  с разновесом, отвес, уровень, лента измерительная, спички, нитки, по два листа писчей и копировальной бумаги.

Краткие теоретические сведения.

Применяемая в работе установка показана на рисунке 1. В муфте штатива в горизонтальном положении закреплена небольшая плат­форма, на которую помещают два шарика разной массы. Между шариками располагают плоскую пружину, сжатую петлей из нити. При пережигании нити пружи­на разжимается и разбрасывает шарики в противоположные сто­роны. Если масса пружины ма­ла по сравнению с массой шари­ков, то можно считать, что ша­рики взаимодействуют непосред­ственно  друг   с   другом.  При взаимодействии шариков массами      m₁    и m₂   имеем:    

m₁  /m₂ =    |а₁ | /  |а₂|          (1)

где   |а₁| и   |а₂|      — модули сред­них ускорений, полученных ша­риками в результате взаимо­действия. Начальная скорость шариков равна   нулю,   поэтому

|а₁ |  = |   |                   |а₂ |  = |   |  (2)

Здесь t — время взаимодейст­вия, одинаковое для обоих ша­риков, следовательно,

|а₁|/|а₁|=|u₁|/|u₂|   (3)

где |u₁| и |u₂| — модули горизонтальных составляющих скоростей, полученных шариками в результате взаимодействия. Во время дви­жения на шарики в горизонтальном направлении действуют только силы сопротивления воздуха, которыми ввиду их малости можно пренебречь, и движение шариков в этом направлении считать рав­номерным. Поэтому 

l_{1  =}  | u₁|  _*    t_{1    и}  l_{2  =}  | u₂|  _*    t ₂    (4)

Где l_{1  и}   l_{2  -}пути пройденные  шариками в горизонтальном направлении, а t_{1    и} t _{2    -}   время падения шариков _, поскольку они падают с одной высоты, то        

t_{1    =} t ₂    ,

тогда  

| u₂| _/  | u₁|  ₌  l_{2  /}l₁    (5)

Если шарики получат другие ускорения, например  |а₃ |и   |а₄|, то  проведя аналогичные рассуждения   получим:        

Рис. 2

m₁  /m₂ =    |а₄| /  |а₃|   =     l₄   /l₃                    (6)

  А следовательно, и в общем случае

m₁  /m₂ =    |а_п| /  |а_п-1|   =     l_п  /l_п-1                 (7)

Таким образом, для сравнения отношений модулей ускорений, полученных шариками при их взаимодействии на данной установке, достаточно сравнить отношения дальности полета шариков.

Ход   работы

Соберите   установку  по рисунку. Стержень платформы закрепите в муфте штатива  на высоте 20 - 30 см. от поверхности стола. Проверьте горизонтальность платформы с помощью уровня. К середине пружины привяжите прочную нить, второй конец которой    закрепите в лапке штатива так, чтобы расстояние от лапки до пру­жины было 3—5 см.

 Приготовьте петлю из нити, сожмите пружину и наденьте на нее петлю. Установите шарики на платформе так, чтобы они касались концов пружины (при необходимости можно поднять или опустить лапку с пружиной). С помощью отвеса отметьте на бумаге, прижатой основанием штатива к столу, точки, над которыми находятся центры шаров (рис. 1).

 На писчую бумагу положите копировальную и пережгите  нить. По отметкам на бумаге измерьте дальности полета шариков  l_{1  и}   l_{2  .}

 Опыт повторите 3—4 раза, меняя сжатие пружины и измеряя каждый раз дальности полета шариков.

Для каждого опыта вычислите отношение 

Взвешиванием определите массы шариков m_х и m₂ и вычислите отношение m₁  /m₂

Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

№ опыта	lп  , м	lп-1 , м	m1, кг	m2, кг		m1 /m2
1

На   основе   полученных результатов сделайте заключение.

Контрольные вопросы

1. Будет ли зависеть отношение ускорений шариков от степени сжатия пружины?

2. Почему движение шариков в горизонтальном направлении можно считать равномерным?

3. Почему в данной работе действие пружины на шарики должно быть центральным?

 

Силы в природе                 

 

XV.1.4                     Измерение коэффициента трения скольжения

Цель работы: определить коэффициента трения скольжения.

Оборудование: 1) деревянный брусок; 2) деревянная линейка;  3) набор грузов.

Краткие теоретические сведения.

С помощью динамометра измеряют силу, с которой нужно тянуть брусок с грузом по горизонтальной поверхности так, чтобы он двигался равномерно. Эта сила равна по модулю силе трения F_тр, действующей на брусок. С помощью того же динамометра можно найти вес бруска с грузом. Этот вес по модулю равен силе нормального давления N бруска на поверхность , по которой он скользит. Определив, таким образом, значения силы трения при различных значениях силы нормального давления, необходимо построить график зависимости F_тр. от Р и найти среднее значение коэффициента трения.

Основным измерительным прибором в этой работе является динамометр. Динамометр имеет погрешность Δ = 0,05 Н. Она и равна погрешности измерения, если указатель совпадает со штрихом шкалы. Если указатель в процессе измерения не совпадает со штрихом шкалы ( или колеблется), то погрешность измерения силы равна ΔF = 0,1Н.

Ход работы

1. Положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз.

2. Прикрепив к бруску динамометр, как можно более равномерно тяните его вдоль линейки. Заметьте при этом показание динамометра.

3. Взвесьте брусок и груз.

4. К первому грузу добавьте второй, третий грузы, каждый раз взвешивая брусок и грузы и измеряя силу трения.

По результатам измерений заполните таблицу:

№ опыта	Р, Н	ΔР, Н	Fтр, Н	Δ Fтр, Н

5. По результатам измерений постройте график зависимости силы трения от силы давления и, пользуясь им, определите среднее значение коэффициента трения.

6. Рассчитайте максимальную относительную погрешность измерения коэффициента трения.

Т.к  , то          (1)

Из формулы (1) следует, что с наибольшей погрешностью измерен коэффициент трения в опыте с одним грузом (так как в этом случае знаменатели имеют наименьшее значение).

7. Найдите абсолютную погрешность и запишите ответ в виде:

Вывод.

Контрольные вопросы:

1. Чему равна сила трения покоя?

2. Как находится сила трения покоя?

3. Куда направлена сила трения скольжения и чему она равна?

XV.1.5                     Измерение модуля Юнга резины.

Цель: Определить модуль Юнга резины.

Оборудование: Резиновая лента, набор грузов, штатив, штангенциркуль, линейка.

Краткие теоретические сведения

Модуль Юнга – это коэффициент пропорциональности между механическим напряжением в материале и относительной деформацией

. 

Для его измерения достаточно провести замер деформации

и механического напряжения

в образце при небольших нагрузках. При построении зависимости s от e, модуль Юнга равен тангенсу угла наклона кривой на начальном участке соответствующем упругой деформации.

Ход   работы

1. Закрепите резиновую полоску в штативе, нанесите на ней ручкой два деления (по возможности на большем расстоянии одно от другого). Измерьте расстояние между делениями L₀, ширину a₀ и толщину b₀ полоски.

2. Подвесьте к полоске один груз, измерьте L, a, b. 

3.  Последовательно добавляя по одному грузу, каждый раз повторяйте измерения длины, ширины и толщины.

4.  Рассчитайте относительное удлинение и механическое напряжение в образце, результат из­мерений и вычислений занесите в отчетную таблицу. Оцените грани­цы погрешностей измерений. Постройте график зависимости .

Дополнительное задание

Измерьте силу грудных мышц с помощью резинки (можно от трусов).

1.  Сядьте перед столом, разложите на нём измерительную ленту, возьмите руками резинку за концы и измерьте расстояние между руками (если вы используете бельевую резинку, то её надо сложить в пять – шесть раз).

2. Растягивайте резинку в разные стороны, измеряя при этом новое расстояние между руками.

3. Зная коэффициент жёсткости резины, узнайте силу своих мышц.

Примечание: коэффициент жёсткости резины можно узнать из результатов эксперимента, если вы пользуетесь такой же резиной (медицинский резиновый бинт) или можно померить с помощью домашнего безмена.

Законы сохранения в механике

 

XV.1.6                     Проверка постоянства отношений ускорений двух тел при их взаимодействии

Цель: убедиться в справедливости закона сохранения импульса при упругом ударе шаров.

Оборудование:

       1) штатив для фронтальных работ;

       2) лоток дугообразный;

       3) шары диаметром 25 мм – 3 шт.;

       4) линейка измерительная 30см с миллиметровыми делениями;

       5) листы белой и копировальной бумаги;

       6) весы учебные со штативом;

       7) гири Г4 – 210.

Краткие теоретические сведения.

По закону сохранения импульса при любых взаимодействиях тел векторная сумма импульсов тел до взаимодействия равна векторной сумме импульсов тел после взаимодействия. В справедливости этого закона можно убедиться на опыте, исследуя столкновения шаров на установке, изображенной на рисунке 1. Для сообщения шару определенного импульса в горизонтальном направлении используют наклонный лоток с горизонтальным участком. Шар, скатившись с лотка, движется по параболе до удара о поверхность стола. Горизонтальные составляющие скорости шара и его импульса во время свободного падения не изменяются, так как нет сил, действующих на этот шар в этом направлении. Определив импульс первого шара до столкновения, ставят на краю лотка второй шар и запускают первый шар таким же образом, как и в первом опыте. После соударения в горизонтальном направлении слетают с лотка оба шара. По закону сохранения импульса сумма импульсов первого р₁ и второго р₂ шаров до столкновения должна быть равна  сумме импульсов этих шаров после столкновения.                                                                                                                                                         

     (1)

Если оба шара после столкновения движутся вдоль одной прямой и в том же направлении, в каком двигался первый шар до столкновения, то от векторной формы записи закона сохранения импульса можно перейти к алгебраической форме: 

,    или  m₁ υ₁+ m₂ υ₂ =  m₁ υ^/₁ + m₂ υ^/₂       (2)

Так как скорость υ₂ второго шара до столкновения была равна нулю, то выражение (2) упрощается:

m₁υ₁ = m₁υ^/₁ + m₂υ^/₂     (3)

Для проверки выполнения равенства (3) необходимо измерить массы шаров m₁ и m₂ с помощью весов и вычислить их скорости υ₁, υ^/₁, υ^/₂ .Во время свободного падения шара по параболе горизонтальная составляющая его скорости не изменяется, она может быть найдена по дальности  ℓ   полета шара в горизонтальном направлении и времени t его свободного падения, равного  

:                        (4)

Выполнение   работы

Задание 1. Исследование центрального удара

1.                 Измерьте массы шаров m₁ и m₂ с помощью весов.

2.                 Укрепите лоток в лапке штатива таким образом, чтобы горизонтальная часть лотка находилась на расстоянии 20 см от поверхности стола. На столе перед лотком положите листы белой бумаги, на них – листы копировальной бумаги.

3.                 Возьмите шар  с большей массой, установите его у верхнего края наклонной части лотка. Отпустите шар и по отметке на листе белой бумаги определите его дальность полета в горизонтальном направлении. Опыт повторите 3 раза и найдите среднее значение дальности полета ℓ₁ (см. рис.1).

4.                 Зная высоту края лотка h над столом, вычислите время падения шара, затем горизонтальные составляющие его скорости υ₁ и импульса р₁.

5.                 Установите на краю горизонтальной части лотка второй шар и осуществите запуск первого шара таким же образом, как в первом опыте. По отметкам на бумаге найдите дальности полетов шаров в горизонтальном направлении после их столкновения. Опыт повторите три раза и найдите среднее значение дальности полета  первого шара ℓ^/ ₁ и дальности полета второго шара ℓ^/ ₂ (рисунок 2).

6.                 По найденным числовым значениям  дальностей полетов    ℓ^/₁ и ℓ^/₂  вычислите числовые значения скоростей шаров после столкновения

7.                  υ^/₁ и υ^/₂  и их импульсов р^/₁ и р^/₂ . Сравните импульс первого шара до столкновения р₁ с суммой импульсов двух шаров после столкновения р^/₁ + р^/₂.

8.                 Сделайте вывод.

Дополнительное задание. Исследование нецентрального удара

1.                 Возьмите два шара одинаковой массы. Один шар установите на краю лотка таким образом, чтобы вектор скорости первого шара при столкновении был направлен мимо центра второго шара. При таком столкновении, называемом нецентральным, векторы скорости шаров после столкновения   υ^/₁ и υ^/₂  имеют различные направления. По закону сохранения импульса должно выполняться равенство

 

                                          m₁υ₁ = m₁υ^/₁ + m₂υ^/₂  , 

     а так как m₁= m₂, то и 

                                     υ^/₁= υ^/₁ + υ^/₂  

2.                 Для проверки последнего равенства получите отметки падения шара по вертикали с края лотка (точка А) , точки падения шара после свободного скатывания (точка В) и точек падения шаров после нецентрального столкновения (точки С и Д ) (рисунок 3). Соедините точку А с точками В, С и Д. Вектор  АВ параллелен вектору скорости υ₁  шара и пропорционален ему по длине. Векторы АС и АД параллельны векторам скорости υ^/₁  и  υ^/₂  после их столкновения. При  выполнении закона сохранения импульса сумма векторов АД и АС должна быть равна АВ.          

3.                 Постройте параллелограмм со сторонами АД и АС и проведите его диагональ из вершины А. Сравните эту диагональ с вектором АВ. 

4.                 Оцените границы погрешностей выполненных измерений.

Контрольные вопросы.

1.                 Что называется импульсом тела?

2.                 При каких условиях выполняется закон сохранения импульса?

3.                 Выходят ли обнаруженные в опыте отклонения от закона сохранения импульса за пределы границ погрешностей измерений?

 

XV.1.7                     Изучение закона сохранения импульса при упругом ударе шаров

Цель: убедиться в справедливости закона сохранения импульса при      упругом ударе шаров.

Оборудование: штатив для фронтальных работ; лоток дугообразный; шары диаметром 25мм – 3 шт.; линейка измерительная 30см с миллиметровыми делениями; листы белой и копировальной бумаги; весы учебные со штативом; гири Г4 – 210.

Краткие теоретические сведения.

По закону сохранения импульса при любых взаимодействиях тел векторная сумма импульсов тел до взаимодействия равна векторной сумме импульсов

тел после взаимодействия. В справедливости этого закона можно убедиться на опыте, исследуя столкновения шаров на установке, изображенной на рисунке 1.Для сообщения шару определенного импульса в горизонтальном направлении используют наклонный лоток с горизонтальным участком. Шар скатившись с лотка, движется по параболе до удара о поверхность стола. Горизонтальные составляющие скорости шара и его импульса во время свободного падения не изменяются, так как нет сил, действующих на этот шар в этом направлении. Определив импульс первого шара до столкновения, ставят на краю лотка второй шар и запускают первый шар таким же образом, как и в первом опыте. После соударения в горизонтальном направлении слетают с лотка оба шара. По закону сохранения импульса сумма импульсов первого р₁ и второго р₂ шаров до столкновения должна быть равна  сумме импульсов этих шаров после столкновения.                                                                                                                                                        

    (1)

Если оба шара после столкновения движутся вдоль одной прямой и в том же направлении, в каком двигался первый шар до столкновения, то от векторной формы записи закона сохранения импульса можно перейти к алгебраической форме: 

р_{1 +} р₂ = р^/₁ + р^/₂,    или  m₁υ₁+ m₂υ_{2 =}  m₁υ^/₁ + m₂υ^/₂       (2)

Так как скорость υ₂ второго шара до столкновения была равна нулю, то выражение (2) упрощается:

m₁υ₁ = m₁υ^/₁ + m₂υ^/₂     (3)

Для проверки выполнения равенства (3) необходимо измерить массы шаров m₁ и m₂ с помощью весов и вычислить их скорости υ₁, υ^/₁, υ^/₂ .Во время свободного падения шара по параболе горизонтальная составляющая его скорости не изменяется, она может быть найдена по дальности  ℓ   полета шара в горизонтальном направлении и времени t его свободного падения, равного  

t = √2h/ĝ :

υ = ℓ / t         (4)

Выполнение   работы

Задание 1. Исследование центрального удара

1.     Измерьте массы шаров m1 и m2 с помощью весов.

2.     Укрепите лоток в лапке штатива таким образом, чтобы горизонтальная часть лотка находилась на расстоянии 20 см от поверхности стола. На столе перед лотком положите листы белой бумаги, на них – листы копировальной бумаги.

3.     Возьмите шар  с большей массой, установите его у верхнего края наклонной части лотка. Отпустите шар и по отметке на листе белой бумаги определите его дальность полета в горизонтальном направлении. Опыт повторите 3 раза и найдите среднее значение дальности полета ℓ1 (см. рис.1).

4.     Зная высоту края лотка h над столом, вычислите время падения шара, затем горизонтальные составляющие его скорости υ1 и импульса р1.

5.     Установите на краю горизонтальной части лотка второй шар и осуществите запуск первого шара таким же образом, как в первом опыте. По отметкам на бумаге найдите дальности полетов шаров в горизонтальном направлении после их столкновения. Опыт повторите три раза и найдите среднее значение дальности полета  первого шара ℓ/ 1 и дальности полета второго шара ℓ/ 2 (рисунок 2)

6.     По найденным числовым значениям  дальностей полетов    ℓ/ 1 и ℓ/ 2  вычислите числовые значения скоростей шаров после столкновения  υ/1 и υ/2  и их импульсов р/1 и р/2 . Сравните импульс первого шара до столкновения р1 с суммой импульсов двух шаров после столкновения р/1 + р/2. Сделайте вывод.

Дополнительное задание. Исследование нецентрального удара

1.     Возьмите два шара одинаковой массы. Один шар установите на краю лотка таким образом, чтобы вектор скорости первого шара при столкновении был направлен мимо центра второго шара. При таком столкновении, называемом нецентральным, векторы скорости шаров после столкновения   υ^/₁ и υ^/₂  имеют различные направления. По закону сохранения импульса должно выполняться равенство

m₁υ₁ = m₁υ^/₁ + m₂υ^/₂  ,

а так как m₁= m₂, то и 

υ^/₁= υ^/₁ + υ^/₂  

2.     Для проверки последнего равенства получите отметки падения шара по вертикали с края лотка (точка А) , точки падения шара после свободного скатывания (точка В) и точек падения шаров после нецентрального столкновения (точки С и Д ) (рисунок 3). Соедините точку А с точками В, С и Д. Вектор  АВ параллелен вектору скорости υ₁  шара и пропорционален ему по длине. Векторы АС и АД параллельны векторам скорости υ^/₁  и  υ^/₂  после их столкновения. При  выполнении закона сохранения импульса сумма векторов АД и АС должна быть равна АВ.          

3.     Постройте параллелограмм со сторонами АД и АС и проведите его диагональ из вершины А. Сравните эту диагональ с вектором АВ. 

4.     Оцените границы погрешностей выполненных измерений.

Контрольные вопросы.

1.                 Что называется импульсом тела?

2.                 При каких условиях выполняется закон сохранения импульса?

3.                 Выходят ли обнаруженные в опыте отклонения от закона сохранения импульса за пределы границ погрешностей измерений?

XV.1.8                     Изучение закона сохранения энергии.

Цель: Сравнить экспериментально уменьшение потенциальной энергии пружины с увеличением кинетической энергии тела, связанного с пружиной.

Оборудование: штатив, динамометр, шарик на нити, лист белой и лист копировальной бумаги, сантиметровая лента, весы.

Краткие теоретические сведения

На основании закона сохранения  и превращения механической энергии при взаимодействии тел силами упругости изменение потенциальной энергии растянутой пружины должно быть равно изменению кинетической энергии тела связанного с пружиной, взятому с обратным знаком. Для проверки этого утверждения можно воспользоваться установкой изображённой на рисунке. Закрепив динамометр в лапке штатива, прикрепляют нить с шариком  к пружине и натягивают ее, держа нить горизонтально. Когда шар отпускают, он под действием силы упругости приобретает скорость V. При этом потенциальная энергия пружины переходит в кинетическую энергию шарика.

.

Скорость шарика можно определить, измерив, дальность его полёта S при падении его с высоты Н по параболе. Из выражений

следует, что

, а .

Целью данной работы является проверка равенства:

.

С учётом равенства

получим:

.

Ход работы.

1.                 Соберите установку (см. рис.). На место падения шарика положите лист белой, а сверху лист копировальной бумаги.

2.                 Соблюдая горизонтальность нити натянуть пружину динамометра до значения 1 Н. Отпустить шарик и по отметке на листе белой бумаги найти дальность его полёта. Повторить опыт три раза и найти среднее расстояние S.

3.                 Измерьте деформацию пружины при силе упругости 1 Н и вычислите потенциальную энергию пружины.

4.                 Повторите п.2,3 задавая силу упругости 2Н и 3Н соответственно.

5.                 Измерьте массу шарика и вычислите увеличение его кинетической энергии.

6.                 Результаты занесите в таблицу:

N	Fупр, Н	Х, м	Ер, Дж	DЕр, Дж	eЕр, Дж	м, кг	Н, м	S, м	Ек, Дж	DЕк, Дж	eЕк, Дж
1	1

7.                 Оцените границы погрешности и сравните полученные значения изменений энергий с учётом погрешностей.

8.                 Сделайте выводы, сделайте дополнительное задание.

Дополнительное задание.

Укрепив динамометр в вертикальном положении, произведите запуск шарика вверх. По высоте поднятия шарика оцените изменение его потенциальной энергии и сравните это увеличение с изменением энергии пружины.

Контрольные вопросы.

1.        В каких случаях выполняется закон сохранения механической энергии?

2.        Чем можно объяснить неточное выполнение исследуемых равенств? Как бы выполнялись эти равенства, если бы погрешности измерений отсутствовали?

                                                                                       XVI.      Молекулярная физика     

XVI.1.1                 Измерение удельной теплоты плавления льда

Цель: измерить удельную теплоту плавления льда.

Оборудование: калориметр, сосуд с теплой водой, лед, измерительный цилиндр, термометр, фильтровальная бумага.

Краткие теоретические сведения.

Повторите: «Физика 10»,тема «Количество теплоты».

Удельную теплоту плавления льда можно определить следующим способом. Если налить в стакан калориметра теплую воду массой m₁ с температурой t₁ и опустить в нее лед  массой m₂ при температуре t₃ = 0^о С, то при расплавлении всего льда температура t₂ воды в калориметре определится уравнением теплового баланса:

m₂+ m₂c(t₂ - t₃) = m₁c (t₁ - t₂) + m_кc_к (t₄ - t₁),

где  - удельная теплота плавления льда,

с – удельная теплоемкость воды,

m_{к –} масса  калориметра,

с_к – удельная теплоемкость вещества калориметра,

t₄ – начальная температура калориметра.

Выполнение эксперимента и расчетов можно упростить, если проводить опыт так, чтобы  начальное t₄ и конечное t₂ значение температуры калориметра были одинаковыми (комнатными). В этом случае уравнение теплового баланса принимает вид:

m₂+ m₂c(t₂ –t₃) = m₁c(t₁- t₂).

Поскольку t₃ = 0^o C, удельная теплота плавления льда из этого уравнения равна

Ход работы

1.                 Приготовьте несколько кусочков льда и подержите их при комнатной температуре, чтобы температура льда стала равной 0^о. (Часть льда должна растаять, оставшийся лед будет плавать в воде).

2.                 Налейте в измерительный цилиндр 150 см³ теплой воды (ее температура должна быть выше комнатной примерно на 40⁰С) и измерьте ее температуру t_1. Вылейте теплую воду во внутренний стакан калориметра.

3.                 Возьмите небольшой кусок льда, имеющий температуру 0⁰С, осушите его фильтровальной бумагой и опустите в калориметр с теплой водой. Постоянно перемешивая воду, следите за показаниями термометра. Когда первый кусок льда полностью растает, положите в воду второй кусок и поступайте так до тех пор, пока температура воды в калориметре не достигнет значения t_2, равного температуре воздуха в комнате.

4.                 Перелейте воду из стакана калориметра в измерительный цилиндр. По увеличению объема V воды найдите массу m₂ растаявшего льда.

5.                 Вычислите удельную теплоту плавления льда. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

m1, кг	t1,0C	t2,0C	3	m2,  кг	С, Дж/кг0С	Дж/кг

6.                 Оцените границы погрешностей измерений.

Контрольные вопросы

1.                 Почему при выполнении расчетов не учитывается теплоемкость калориметра?

2.                 В каком случае погрешность измерений в данной работе будет меньше – при быстром выполнении операций или при медленном? Почему?

3.                 Сравните прочность кристаллических решеток меди и льда, взятых при температуре плавления.

XVI.1.2                 Измерение поверхностного натяжения воды методами отрыва капель и поднятия жидкости в капилляре.

Цель работы: измерить поверхностное натяжение воды методом отрыва капель и методом капилляров.

Оборудование:  1) весы учебные со штативом; 2) гири Г4-210; 3)штангенциркуль; 4) клин измерительный из жести размером 1Х10 см; 5) игла; 6) линейка измерительная 30 см с миллиметровыми делениями; 7) колба 8) стакан низкий; 9) воронка конусообразная с коротким стеблем; 10) трубка резиновая с краном и стеклянным наконечником диаметром 3-4 мм; 11) штатив для фронтальных работ; 12) вода дистиллированная.

Краткие теоретические сведения.

Поверхностное натяжение определяется отношением модуля силы поверхностного натяжения F, действующей на границу поверхностного слоя жидкости, к длине этой границы L:    

σ = F/ L.  (1)                         

Поверхностное натяжение жидкости σ зависит от природы граничных сред и температуры жидкости.

В данной работе поверхностное натяжение воды необходимо измерить двумя методами: методом отрыва капель и методом поднятия жидкости в капилляре.

Для измерения поверхностного натяжения первым методом собирают установку по рисунку 1. В лапке штатива, закрепляют воронку 1, на которую надета резиновая трубка, соединенная с краном 2 и стеклянным наконечником 3. В воронку наливают дистиллированную воду и с помощью крана регулируют ее вытекание так, чтобы вода от­дельными каплями падала в подставленный стакан.

В момент отрыва капли модуль силы поверхностного натяже­ния F равен модулю силы тяжести F_тяж, действующей на каплю массой m:

F = F_тяж,      или      σ π D = m g

Отсюда    

σ = mg/πD.                         (2)

Для повышения точности измеряют массу n капель, и вы­числение ведут по формуле

σ = M g /(n πD),                                 (3)

где М — масса вылившейся воды, g — модуль ускорения свобод­ного падения, п — число капель воды, D — внутренний диаметр стеклянной трубки-наконечника.

При измерении σ вторым методом капил­лярную трубку опускают в стакан с водой и измеряют высоту поднятия воды h в капил­ляре (рис. 2).

Жидкость поднимается в капилляре до тех пор, пока сила поверхностного натяжения F не уравновесит силу тяжести F_тяж, действую­щую на поднятую воду:

σπD = ρπD²hg/4.

Отсюда

σ = ρDhg/4.

где ρ — плотность жидкости, g — модуль уско­рения свободного падения, h — высота под­нятия жидкости в капилляре, D — диаметр капилляра.

Массу воды измеряют с помощью весов, внутренний диаметр стеклянной трубки — из­мерительным клином и штангенциркулем, высоту поднятия воды в капилляре — измери­тельной линейкой, диаметр капилляра — иглой и штангенциркулем.                              

Ход работы

Задание 1. Измерение поверхностного натяжения воды методом отрыва капель

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

№ опыта	D, м	n	М, кг	σ, Н/м	Δσ	ε = Δσ /σ

2. Соберите установку по рисунку 1.

3. С помощью измерительного клина и штангенциркуля из­мерьте внутренний диаметр стеклянной трубки-наконечника 3.

4. Измерьте массу пустого стакана с точностью до 0.01 г.

5. Закройте кран 2 (см. рис. 1) и налейте в воронку дистил­лированную воду. Подставьте под трубку колбу и, постепенно открывая кран, добейтесь, чтобы вода из трубки вытекала отдельными каплями с частотой 30—40 капель в минуту. В этом слу­чае можно считать, что отрывание капель происходит только под действием силы тяжести.

6. Подставьте под трубку пустой стакан и, отсчитав 80—100 капель, отодвиньте его.

7. Вторично взвесьте стакан и вычислите массу вылившейся воды.

8. Вычислите поверхностное натяжение воды по формуле (3).

9. Вычислите относительную и абсолютную погрешности из­мерений по формулам:

ε = Δσ /σ = ΔD/D + ΔM/M;      Δσ = εσ.

10. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

Задание 2. Измерение поверхностного натяжения воды методом поднятия жидкости в капилляре

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов из­мерений и вычислений:

№ опыта	ρ, кг/м3	h,  м	D, м	σ, Н/м	Δσ	ε = Δσ /σ

2. С помощью иглы и штангенциркуля измерьте диаметр ка­пилляра.

3. Опустите капилляр в воду и измерьте высоту ее поднятия в капилляре.

4. Вычислите поверхностное натяжение воды по формуле (4).

5. Повторите измерения несколько раз и найдите среднее значение σ_ср. Результаты измерений запишите в таблицу.

6. В данной работе провести оценку погрешности измерений достаточно сложно (подумайте почему). Целесообразно вы­полнить сравнение полученного вами значения  с табличным.

7. Сравните результаты измерений σ различными методами и сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1.Что такое поверхностное натяжение? Как направлены силы поверхностного натяжения?

2.Что такое коэффициент поверхностного натяжения? В каких единицах он измеряется? Как находится значение коэффициента поверхностного натяжения в настоящей работе?

3.Какая жидкость называется смачивающей твердое тело, и какая жидкость, не смачивающая тело? Как объясняется это различие с точки зрения молекулярной теории? Что такое краевой угол, и в каких пределах он может изменяться?

4.От чего зависит давление под изогнутой поверхностью в жидкости?

5.Что такое капилляр? В чем заключается капиллярное явление и как оно объясняется? От чего зависит высота поднятия или опускания жидкости в капиллярах?

XVI.1.3                 Определение поверхностного натяжения методом отрыва капель.

Цель работы: измерить поверхностное натяжение воды методом отрыва капель.

Оборудование: бюретка на штативе, два часовых стеклышка (или стаканчика), весы с разновесами, термометр.

Краткие теоретические сведения.

Характер движения молекул в жидкости отличается от движения молекул в газах и твердых телах. В газах молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга и поэтому движутся хаотично. В твердых кристаллических телах молекулы, располагаясь в правильном периодическом порядке, образуют кристаллическую решетку. В расположении молекул в твердых телах существует “дальний порядок”, который распространяется на миллион межатомных расстояний. Тепловое движение молекул сводится к их колебаниям около положения равновесия.

В жидкостях дальний порядок отсутствует. Молекулы жидкости колеблются около своих временных положений равновесия, при наличии свободного места перескакивают в другие положения и начинают колебаться около них. С ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний и молекулы чаще покидают свои места. В расположении молекул в жидкости существует временный “ближний порядок” на расстоянии двух-трех молекулярных слоев.

Между молекулами жидкости действуют силы притяжения. Каждая молекула внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях (внутреннее давление). Другое дело, когда молекула находится у поверхности и на нее действуют силы притяжения преимущественно с одной стороны.

Результирующая этих сил направлена внутрь перпендикулярно поверхности. Силы притяжения со стороны молекул газа над жидкостью незначительны. Ими можно пренебречь. Под действием результирующей силы, направленной внутрь, молекула погружается в жидкость, такое возможно для всех молекул поверхности. Но вследствие теплового движения другие молекулы изнутри выходят на поверхность. Втягивание молекул внутрь происходит с большой скоростью. То есть, поверхность жидкости стремится сократиться до минимума под действием сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности жидкости и нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Рис. 1

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения  , который численно равен силе f, действующей на единицу длины произвольной линии l, мысленно проведенной на поверхности жидкости:

              (1)

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в H/м и дин/см или Дж/м² и эрг/см².

Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения).

В настоящей работе σ определяется методом отрыва капель. Жидкость, вытекающая из узкой трубки, образует у нижнего отверстия каплю, которая перед отрывом принимает грушевидную форму. Отрыв капли происходит в тот момент, когда вес капли P сравняется с силой поверхностного натяжения f, действующей по окружности в более узкой части капли (рис. 1).

Коэффициент поверхностного натяжения определяется из условия равновесия:

              (2)

где d – диаметр шейки капли, приблизительно равный диаметру трубочки, из которой вытекает жидкость.

Следует заметить, что диаметр шейки капли измеряется с большим трудом. В настоящей работе σ неизвестной жидкости определяется путем сравнения с σ₀ эталонной жидкости (воды). В самом деле, можно записать условия равновесия в момент отрыва для обеих жидкостей

, ; откуда:          (3)

где – коэффициент поверхностного натяжения воды при комнатной температуре, p_x и p₀ – соответственно вес одной капли исследуемой жидкости и эталонной.

Ход работы

1.                  Наполните бюретку дистиллированной водой, отрегулируйте краник бюретки так, чтобы за две минуты вытекало 20–30 капель.

2.                 Взвесьте на аналитических весах стаканчик (или часовое стеклышко), отсчитайте в стаканчик 60–80 капель и снова взвесьте. Определите вес одной капли p₀.

3.                 Наполните исследуемой жидкостью бюретку, отсчитайте в стаканчик 60–80 капель. Путем взвешивания определите вес одной капли p_x.

4.                 Определите коэффициент поверхностного натяжения спирта по формуле (3).

5.                 Опыт повторите три раза. Определите среднее , и конечный результат запишите в виде в единицах Н/м.

6.                 Запишите результаты измерений в таблицу.

№	Nв	mв, кг	P0, Н	Nx	mx, кг	Px, Н	σ, Н/м	, Н/м	, Н/м
1
2
3

Контрольные вопросы

1.                  Чем отличается строение жидкости от строения твердых тел?

2.                 Как следует понимать выражение “ближний порядок” в жидкостях?

3.                 Что такое поверхностный слой в жидкости? Почему он обладает свойствами, отличными от свойств остальной массы жидкости?

4.                 Что такое поверхностное натяжение? Как направлены силы поверхностного натяжения?

5.                 Что такое коэффициент поверхностного натяжения? В каких единицах он измеряется? Как находится значение коэффициента поверхностного натяжения в настоящей работе?

6.                 Какая жидкость называется смачивающей твердое тело, и какая жидкость “не смачивающая тело”? Как объясняется это различие с точки зрения молекулярной теории? Что такое краевой угол, и в каких пределах он может изменяться?

7.                 От чего зависит давление под изогнутой поверхностью в жидкости?

8.                 Что такое капилляр? В чем заключается капиллярное явление и как оно объясняется? От чего зависит высота поднятия или опускания жидкости в капиллярах?

XVI.1.4                 Определение процентного содержания воды в мокром снеге.

Цель работы: развитие навыков использования формул для расчёта количества теплоты, поглощаемых при нагревании вещества и при его плавлении, а также выделяемых при охлаждении вещества; закрепление правила знаков для поглощенного и выделившегося количества теплоты; использование уравнения теплового баланса для решения задач.

Оборудование: калориметр с мокрым снегом, мензурка с горячей водой, термометр, измерительный цилиндр.

Краткие теоретические сведения.

1. Измерить температуру t₁ мокрого снега в калориметре (убедитесь, что она равна 0 градусов).

2. Измерить объем горячей воды V₂  и её температуру t₂.

3. Измерить конечную температуру смеси t (влейте горячую воду в калориметр с мокрым снегом и, только когда весь снег растает, проводите измерение).

4. Определить общий объём воды  V_общ. (перелейте для этого всю воду из калориметра в измерительный цилиндр).

5. Вычислить объём талой воды:

V₁ = V_общ.- V₂.

6. Рассчитать количество теплоты, отданное горячей водой:

Q₂ = pV₂ c( t –t₂).

7. Рассчитать количество теплоты, поглощенное талой водой:

Q₁ = pV₁ c(t – t₁).

8. Определить количество теплоты Q, затраченное на таяние снега:

                       Q + Q₁ + Q₂ = 0, откуда  Q = -(Q₁ +Q₂).

9. Вычислить массу снега в смеси снега с водой:

m   = Q /L ,

где    L – удельная теплота плавления льда.

10. Определить  процентное содержание воды в мокром снеге:

(pV₁ – m) 100% / pV₁.

11.Результаты опыта записать в таблицу. Таблица должна отразить алгоритм проведения опыта.

                                                                                               XVII.      Электродинамика     

Электростатика    

                                                             

XVII.1.1             Определение максимальной электроемкости воздушного конденсатора переменной емкости

Цель работы: научить применять знания по теме «Электроемкость».

Оборудование: воздушный конденсатор переменной емкости, штангенциркуль.

Краткие теоретические сведения.

Конденсатором называют систему двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которой мала по сравнению с размерами проводников. Так, например две плоские параллельные пластины, разделенные слоем диэлектрика (в частности воздуха), образуют плоский конденсатор.

    Воздушный конденсатор переменной емкости можно представить как систему параллельно соединенных конденсаторов, число которых на единицу меньше числа пластин. Электроемкость такой системы можно вычислить по формуле:

С = ε₀ S (n - 1) / d

С - электроемкость конденсатора (Ф);

S - площадь каждой пластины (м²);

ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф/м - электрическая постоянная;

n - число пластин;

d - расстояние между пластинами (м).

          Ход работы

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

№  опыта	Д, м	S, м2	n	d, м	dср, м	С, ф

2. Внимательно изучите устройство воздушного конденсатора переменной емкости. Убедитесь, что его электроемкость максимальна в положении, когда пластины полностью задвинуты.

3. Измерьте штангенциркулем диаметр одной пластины Д и  вычислите её площадь.

4. Подсчитайте число пластин n.

5. Измерьте зазор d₁ между двумя соседними пластинами штангенциркулем, затем измерьте еще 4 зазора d₂, d₃, d₄, d_5.

    Вычислите d_ср = d₁ + d₂ + d₃ + d₄ + d_5.

6. Вычислите электроемкость:

                                           С = ε₀ S (n - 1)/d

7. Оцените погрешность проведенных измерений и сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

1.Какие типы конденсаторов вы знаете?

2. Предложите способ определения электроемкости воздушного конденсатора переменной емкости с помощью электроизмерительных приборов.

Законы постоянного тока      

 

XVII.1.2             Изучение зависимости сопротивления металлов от  температуры.

Цель: исследовать зависимость сопротивления металлов от температуры; определить термический коэффициент сопротивления меди.

Оборудование: источник питания, ключ, провода, миллиамперметр (50 мА), вольтметр  (7,5 В), проволочная катушка (медная), реостат (40 Ом), стакан химический, термометр, электроплитка.

Ход   работы

1.                 Построить зависимость R = f (t), для чего:

а) собрать приборы по схеме;

б) опустить пробирку с катушкой в стакан с водой и внутрь катушки вставить термометр;

в) включить плитку в сеть и замкнуть ключ;

г) регулярно измеряя температуру, напряжение и силу тока, результаты заносить в таблицу (замеры проводить до температуры 95⁰ С).

N	I, A	U, B	Т, 0С

д) рассчитать погрешность измерения по формуле:

е) нанести с учётом погрешности точки на график R = f (t).

2.                 Определить термический коэффициент сопротивление меди. Для этого:

а) взять два любых замера из таблицы;

б) исключив из системы уравнений:

R₁= R₀(1+at₁)

R₂= R₀(1+at₂)

сопротивление образца при температуре 0⁰ С, получить выражение для ТКС a.        

в) рассчитайте погрешность косвенных измерений и, сравните значение ТКС материала с табличными данными.

3.                 Ответьте на вопросы:

а) какой математической зависимостью описывается ваша кривая? Проходит ли она через начало координат? Почему?

б) объясните ход кривой теоретически. Почему изменяется сопротивление металлов при изменении температуры?

в) опишите ход кривой в области отрицательных температур.

г) предложите устройство, в котором использовалась бы зависимость сопротивления металлов от температуры.

е) если пропускать через проволоку ток, то она нагреется. Начнём интенсивно охлаждать половину проволоки (например, обдувая её потоком воздуха). Как изменится при этом температура второй половины. Теплопроводностью пренебречь.

XVII.1.3             Расширение предела измерений вольтметра.

Цель: расширить пределы измерений вольтметра.

Оборудование: 1) вольтметр лабораторный на 6 В; 2) миллиамперметр лабораторный на 5 мА; 3) омметр; 4) батарея аккумуляторов или выпрямитель ВС4-12 ( или другой источник постоянного тока); 5) реостат на 500 Ом; 6) ключ лабораторный; 7) провода соединительные с наконечниками; 8) набор резисторов (от 510 Ом до 1,5 кОм).

Краткие теоретические сведения.

В лабораторной практике часто встречается необходимость расширить пределы измерения электроизмерительного прибора. Эта задача решается подключением к прибору дополнительного сопротивления. При включении , например, вольтметра в цепь с напряжением , превышающим  напряжение, на которое он рассчитан, последовательно с вольтметром включают соответствующий резистор(добавочное сопротивление).

В работе следует рассчитать это добавочное сопротивление (резистор) к вольтметру так, чтобы получить прибор, которым можно было бы измерять напряжение в заданных пределах. Сопротивление R_доб присоединяют к прибору последовательно и через него идет тот же ток, что и через прибор. Измеряемое напряжение U равно сумме напряжений на вольтметре и добавочном резисторе:

U = IR_o + IR_доб , отсюда R_доб = U - IR_o / I ,

где I – предельная сила тока для вольтметра, рассчитывается по формуле  I = U_o/R_o  (предел измерения вольтметра U_o определяется по шкале прибора);

R_o – внутренние сопротивление прибора (измеряется омметром);

U – задаваемый предел измеряемого напряжения.

Ход работы

1.Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

№ опыта	1	2	3	4	5
Vк
Vс
ΔV

2. С помощью омметра измерьте внутреннее сопротивление вольтметра, по шкале определите  U_o и рассчитайте предельно допустимый для него ток  I.

3. Выберите предел измеряемого напряжения, например U = 12 В, и рассчитайте сопротивление добавочного резистора R_доб по указанной выше формуле.

4. Из имеющихся резисторов выберете подходящий и проверьте его сопротивление омметром. Подключите этот резистор к вольтметру, и определить цену деления собранного таким образом вольтметра.

5. Соберите по рисунку 1 цепь, состоящую из источника тока, потенциометра , контрольного вольтметра, ключа и собранного вами вольтметра.

6. Замкните цепь и сравните показания собранного вами вольтметра с контрольным. Затем меняйте с помощью потенциометра несколько раз напряжение в цепи и каждый раз записывайте в таблицу показания V_к   контрольного и показания Vс собранного вольтметра, а также поправку ΔV, равную разности V_к – V_с.

Поправка ΔV равна абсолютной погрешности прибора . При измерении этим прибором  она алгебраически складывается с его показанием.

7. Опыт повторите выбрав другой предел измерения напряжения , например 6 В.

Контрольные вопросы

1. Почему вольтметр  включают параллельно потребителю?

2. Как рассчитать дополнительное сопротивление к вольтметру?

3. Почему нельзя включать в цепь миллиамперметр параллельно   потребителю?

4. Как определить действительное напряжение в цепи показания вольтметра и поправка?

XVII.1.4             Расширение предела измерений амперметра

Цель: расширить пределы измерений амперметра.

Оборудование: 1) миллиамперметр лабораторный  на 5мА; 2) амперметр лабораторный на 2 А; 3) омметр; 4) выпрямитель ВС-6 или другой источник постоянного тока; 5) реостат на 100 Ом; 6) реостат лабораторный на 6 Ом; 7) микрометр МК-25; 8) линейка измерительная ; 9) кусачки; 10) проволока медная эмалированная диаметром 2 мм и длинной 20 - 30 см; 11) ключ лабораторный;  12) провода соединительные.

Краткие теоретические сведения.

Силу электрического  тока  измеряют с помощью амперметра (миллиамперметра, микроамперметра), который включают в цепь последовательно с сопротивлением R (рис.1). Сопротивление амперметра должно быть во много раз меньше сопротивления цепи. Для измерения токов, больших того, на который рассчитан прибор, т.е. для расширения его пределов измерения , к амперметру подключают шунт R_ш, показанный на рисунке пунктиром. Шунт представляет собой проволочный резистор, который подсоединяют параллельно прибору. При этом измеряемый ток I_изм  равен сумме токов, проходящих через шунт R_ш   и прибор I_изм  = I_ш + I_п.

 По закону Ома для участка цепи можно определить сопротивление шунта

R_ш = U / I_ш.

Учитывая ,что I_ш = I_изм  -  I_п И U = I_п R_п, где – R_п – сопротивление прибора , получим:

R_ш= I_п R_п/ I_изм  - I_п.             (1)

Здесь сопротивление R_п определяется с помощью омметра, I_п  - по шкале прибора, как предельный ток, а I_изм  является заданным пределом измеряемой величины тока.

Задача в этой работе сводится к тому, чтобы, выполнив необходимые  измерения и вычисления, подобрать к прибору соответствующий шунт .

Ход работы

1.                 Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

Iк, А	0,2	0,4	0,6	0,8	1
Iс, А

2.                 С помощью омметра измерьте сопротивление R_п  лабораторного миллиамперметра  и по шкале этого прибора определите предельно  допустимый ток I_п.

3.                 Сделайте предположение , что данный прибор должен измерять предельный ток I_изм, равный 1 А, рассчитанный по указанной формуле (1) сопротивление шунта, для этого случая.

4.                 Измерьте с помощью микрометра диаметр d проволоки из известного вам материала, найдите по таблице удельное сопротивление ρ этого материала и рассчитайте длину L проволоки для шунта по формуле

L = π d R_ш /4 ρ.

5.                 Отмерьте с помощью линейки  отрезок проволоки, который превышал бы вычисленную на 2 - 3 см, и отрежьте его кусачками. Затем зачистите его концы проволоки и сделайте петли под зажимы так, чтобы расстояние между петлями точно соответствовало расчетной длине шунта.

6.                 Подключите изготовленный шунт к прибору, определите цену деления у подготовленного таким образом амперметра и соберите цепь по рисунку 2 с контрольным (А_к) и подготовленным (А) приборами.

При этом обратите внимание на то, чтобы реостат R₁ на 6 Ом был         полностью включен в цепь, а реостат R₂ выведен из цепи.

7.                 Включите напряжение и реостатом R1 установите в цепи силу тока  1 А по  контрольному амперметру. Затем с помощью реостата R2 изменяйте силу тока в цепи от минимального значения до 1 А и каждый раз записывайте показания обоих измерительных приборов в таблицу.

8.                 Вычислите поправку, равную абсолютному значению средней разности в показаниях контрольного Iк и собранного Iс амперметров.

9.                 Опыт повторите, выбрав другой предел измерения тока, например 2 А.

Контрольные вопросы

1.                 Почему сопротивление амперметра должно быть значительно меньше  сопротивления цепи, в которой измеряют ток?

2.                 Почему шунт включают параллельно амперметру?

3.                 Как рассчитывают сопротивление шунта к амперметру?

4.                 Можно ли подключать шунт к амперметру с помощью соединительных проводов?

 

XVII.1.5             Измерение температуры нити лампы накаливания.

Цель: Определить температуру нити лампы накаливания по вольтамперной характеристике.

Оборудование: Лампа 6,3 В, амперметр, вольтметр (учебные), реостат (100 Ом), ключ, провода, монтажная панель.

Краткие теоретические сведения

Температуру нити лампы накаливания можно узнать, пользуясь зависимостью сопротивления от температуры:

R_t = R₀(1+at).

Для этого, измерив предварительно сопротивление нити лампы в холодном состоянии тестером, снять вольтамперную характеристику лампы. По найденным значениям силы тока и напряжения найти сопротивление нити и её температуру. Однако необходимо учесть, что сопротивление металлов зависит от температуры не совсем линейно. Особенно это становится заметно при больших перепадах температуры (как в данном случае). Поэтому, при измерении сопротивления в холодном состоянии выбирается

a₁ = 5·10 ^{- 3} К^-1, а в горячем a₂ = 5,8·10 ^{– 3} К^-1.

Ход   работы

1. Измерьте сопротивление нити лампы в холодном состоянии с помощью тестера. Это даст возможность вычислить сопротивление нити при нуле градусов Цельсия. Для вычисления воспользуйтесь значением термического коэффициента a₁.

2. Соберите цепь согласно схеме.

3. Снимите ВАХ, перемещая движок реостата (минимум 10 замеров). Результаты занесите в таблицу.

4. Вычислите сопротивление и температуру для каждого замера, используя значением термического коэффициента a₂ и вычисленным R₀.

5. Постройте ВАХ и зависимость R = f (t).

6.  Сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1. Чем объясняется зависимость электрического сопротивления металлов от температуры?

2. Каковы основные источники погрешностей измерений в данном эксперименте?

3.Каким способом можно повысить точность измерений в данном эксперименте?

Электрический ток в различных средах        

 

XVII.1.6             Снятие вольт – амперной характеристики полупроводникового диода.

Цель: снять вольт – амперную характеристику полупроводникового диода.

Оборудование:

1) диод полупроводниковый на колодке;

2) источник электропитания для практикума

ИЭПП-1 и батарея аккумуляторов 3-НКН-10—2 шт.;

 3) миллиамперметр постоянного тока М45М;

 4) вольтметр постоянного тока М45М;

 5) реостат ползунковый РПШ-2;

 6) ключ замыкания тока;

7) комплект проводов соединительных.

Краткие теоретические сведения.

Рис. 1

 

Работу выполняют с полупроводниковым диодом Д7Ж. Основная деталь его — монокристаллическая пластинка германия 5 (рис. 1), к одной из сторон которой приварена капля индия 4. В результате в пластинке, имеющей сначала лишь электронную проводимость, получились две разграниченные области с электронной (п) и дырочной (р) проводимостями. На границе этих областей образовался электронно-дырочный переход (п — р), обладающий односторонней проводимостью для электрического тока. Пластинка германия припаяна оловом 6 к основанию металлического корпуса 7, который защищает кристалл от внешних воздействий. Один контактный выход 8 соединен с пластинкой германия, второй контактный выход / — с каплей индия. Он проходит в металлической трубке 2, вплавленной в стеклянный изолятор 3. Выводы диода подведены на панели к двум зажимам, которые обозначены знаками «+» и «—». При отсутствии внешнего электрического поля через электронно-дырочный переход диода взаимно диффундируют основные носители заряда: электроны из га-германия диффундируют в р - германий, а дырки из р - германия переходят в n-германий. В результате по обе стороны границы раздела двух полупроводников образуются объемные заряды различных знаков, а вместе с этими электрическое поле. Это поле препятствует диффузии основных носителей заряда и поддерживает обратное движение не основных носителей заряда, т. е. дырки из n - области перемещает в n - область, а электроны из р - области перемещает обратно в n - область. При встречном движении электронов и дырок часть из них рекомбинируется, в результате в переходе n — р образуется слой толщиной 10^-4 — 10^{-5 см, обедненный подвижными носителями заряда. Этот слой называют запирающим слоем. Несмотря на малую толщину, запирающий слой составляет главную часть сопротивления диода. При отсутствии внешнего электрического поля токи, образованные движением основных и не основных носителей заряда, равны по абсолютной величине, но противоположны по направлению, поэтому сила тока через переход равна нулю. При действии на диод внешнего электрического поля, направленного от дырочного полупроводника к электронному, электрическое поле перехода} n — р слабеет, основные носители зарядов движутся к границе раздела двух полупроводников, толщина и сопротивление запирающего слоя уменьшаются, в результате чего диффузионный ток основных носителей заряда возрастает и общая сила тока через переход становится не равной нулю. Ток, образованный движением основных носителей заряда и направленный от дырочного полупроводника к электронному, называют прямым током диода.

С изменением полярности приложенного напряжения электрическое поле перехода п — р возрастает и диффузионное движение основных носителей заряда через переход прекращается: электрическое поле удаляет основные носители зарядов из пограничных слоев в глубь электронной и дырочной областей. Поэтому толщина запирающего слоя увеличивается, а сопротивление его возрастает. Однако небольшой ток и в этом случае течет через диод, он создается движением не основных носителей заряда. Этот ток направлен от электронного полупроводника к дырочному и называется обратным током диода. В зависимости от направления тока в диоде приложенное к нему напряжение, а также сопротивление диода называют прямыми или обратными. В данной работе надо исследовать зависимости сил прямого и обратного токов диода от приложенных к нему напряжений и построить графики этих зависимостей.

Ход работы

 1. Подготовьте в тетради две таблицы для записи результатов измерений и вычислений;

Таблица 1

U, В
I, мА

Таблица 2

U, В
I, мА

2. Исследуйте зависимость силы прямого тока от приложенного к диоду напряжения. Для этого соберите электрическую цепь по схеме, показанной на рисунке 2. Диод включите в пропускном направлении, обратив внимание на знаки «+» и «—», указанные на его панели. Источником тока в этих измерениях служит один аккумулятор из батареи 3-НКН-10. Напряжение на диод подают с потенциометра и измеряют вольтметром со шкалой 3 В, силу прямого тока диода — миллиамперметром, включенным вначале со шкалой 7,5 мА, а затем со шкалами 15 и 30 мА. Увеличивая напряжение на диоде каждый раз примерно на 0,02 В, запишите показания обоих приборов в таблицу 1.

                        

                  Рис. 2                                                             Рис. 3

Предупреждение. Сила прямого тока диода не должна превышать 300 мА, иначе диод выйдет из строя. 3. Исследуйте зависимость силы обратного тока от приложенного к диоду напряжения. Для этого соберите электрическую цепь по новой схеме, изображенной на рисунке 3, обратите внимание на отличие включения диода и вольтметра. Источником тока здесь служат источник электропитания для практикума или две батареи аккумуляторов З-НК.Н-10, включенные  последовательно. Напряжение на диод подают с помощью потенциометра и измеряют вольтметром по шкале 15 В. Силу тока—миллиамперметром со шкалой 1,5 мА. Увеличивая напряжение на 1 В, каждый раз измеряйте силу обратного тока диода. Результаты измерений запишите в таблицу 2. 4. По данным двух таблиц постройте график зависимости силы тока от приложенного напряжения. Силу прямого тока и прямое напряжение считайте положительными, а обратные — отрицательными. По оси абсцисс отложите напряжение в вольтах, а по оси ординат — силу тока в миллиамперах. Масштаб для прямого напряжения: 1 см — 0,1 В, для обратного: 1 см — 1 В. Масштаб для силы прямого тока: 1 см — 2 мА, для обратного: 1 см — 0,2 мА.

Контрольные вопросы

1. Почему при измерении силы прямого тока в диоде все соединения в электрической цепи должны иметь хорошие контакты?

2. Почему опасно подавать прямое напряжение на диод более 0,5 В?

3. Почему длительное прохождение прямого тока изменяет

сопротивление диода?

4. Зачем изменяют схему включения приборов, когда измеряют

силы прямого и обратного токов в диоде?

5. На каком участке вольт - амперной характеристики сопротивление диода остается почти постоянным?

Магнитное поле     

 

 

XVII.1.7             Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита

Цель: практическим путём вычислить индукцию магнитного поля постоянного магнита.

Оборудование: весы технические, гири Г4-210, магнит дугообразный, рамка прямоугольная размером 0,1-0,2 мм, источник электропитания, амперметр лабораторный, ключ замыкания тока, линейка измерительная с миллиметровыми делениями.

Краткие теоретические сведения.

На прямой проводник длиной , по которому течёт ток , в магнитном поле индукцией  действует сила Ампера , модуль которой равен

где α – угол между направлением тока в проводнике и вектором . Отсюда  

Если угол α равен 90^° , то индукция магнитного поля определяется выражением

Таким образом для измерения индукции магнитного поля необходимо измерить силу Ампера , действующую на проводник, длину проводника  и силу тока в проводнике .

Для этого можно использовать экспериментальную установку, изображённую на рисунке. К коромыслу технических весов подвешивают прямоугольную рамку из 20 витков тонкого изолированного провода шириной примерно 1,5 см и высотой 10 см.

Под рамкой в лапке штатива укрепляют постоянный магнит таким образом, чтобы горизонтальная сторона рамки была расположена перпендикулярно вектору . Весы уравновешивают. Рамку включают в электрическую цепь, состоящую из амперметра, ключа и источника постоянного тока. При пропускании тока через рамку силы Ампера, действующие на вертикальные стороны рамки, уравновешивают друг друга, а сила, действующая на нижнюю сторону, выводят весы из равновесия. С помощью гирь восстанавливают равновесие весов и таким образом измеряют силу Ампера.

Ход работы

1.     Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов:

№ опыта	d, м	м	А	Н	Тл

2. Измерьте линейкой ширину рамки d и подсчитайте общую длину проводника с током, помещаемого в магнитное поле.

3. Подвесьте рамку к коромыслу весов, следя за тем, чтобы подводящие провода не мешали взвешиванию.

4. Соедините рамку, ключ, амперметр, источник постоянного тока по схеме, изображённой на рисунке.

5. Уравновесив весы, пропустите через рамку ток = 0,5 А. Измерьте модуль силы Ампера .

6. Вычислите индукцию магнитного поля постоянного магнита пользуясь формулой

7. Повторите измерения силы  и расчёты индукции магнитного поля , пропуская через рамку ток ₂ = 1А и ₃ = 1,5 А.

8. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

Контрольные вопросы.

1.                 Что принимается за единицу магнитной индукции? Как называется эта единица?

2.                 Как зависит сила, действующая в данной точке магнитного поля на движущийся заряд от магнитной индукции в этой точке?

3.                 Как определить модуль вектора магнитной индукции?

Электромагнитная индукция        

 

XVII.1.8             Работа с катушкой

Цель: изучить зависимость магнитного поля катушки от силы тока в ней и расстояния от центра катушки.

Оборудование: катушка, источник тока, реостат, амперметр, провода, ключ, компас, линейка, штатив с лапкой.

Ход работы:

1.                 Собрать установку для измерения зависимости B_К от расстояния до её центра. Катушку зажать вертикально в лапке штатива. Компас расположить близ катушки на подставке. Плоскость катушки должна располагаться параллельно стрелке компаса.

2.                 Измерить расстояние до центра катушки до стрелки компаса. Замкнуть ключ на 4-5 с и измерить угол отклонения стрелки. Данные занести в таблицу.

3.                 Провести измерения для 5-6 разных расстояний. Вычислить В_К в каждом случае.

4.                 Построить график зависимости В_К=f(r) с учётом погрешности.

5.                 Собрать установку для измерения зависимости В_К от силы тока в ней. Для этого ввести в схему реостат и амперметр.

6.                 Провести 5-6 замеров при разных силах тока в катушке.

7.                  Построить график зависимости В_К=f(l) с учётом погрешности.

Расчёты:

1. B_K=tg α x B_Земли, где α – угол отклонения стрелки компаса.

B_Земли ≈ 5 x 10^-5 Тл

2. Зависимость индукции катушки от расстояния до неё

Расстояние, метры	Угол отклонения, градусы	BK, тесла	εBK, проценты	ΔBK, тесла
0,046	86	0,000715	2%	0,000012
0,066	84	0,000476	2%	0,000008
0,075	60	0,000087	3%	0,000002
0,081	40	0,000042	4%	0,000002
0,106	20	0,000018	8%	0,000001
0,113	18	0,000016	8%	0,000001
0,131	10	0,000009	15%	0,000001
0,149	6	0,000005	25%	0,000001

3. Зависимость индукции катушки от силы тока в ней.

Сила тока, амперы	Угол отклонения, градусы	BK, тесла	εBK, проценты	ΔBK, тесла
0,060	9	0,000008	17	0,000001
0,095	10	0,000009	15	0,000001
0,160	12	0,000011	13	0,000001
0,175	15	0,000013	10	0,000001
0,200	16	0,000014	9	0,000001
0,235	19	0,000017	8	0,000001
0,263	24	0,000022	6	0,000001
0,335	30	0,000029	5	0,000001
0,410	42	0,000042	4	0,000002
0,490	47	0,000054	3	0,000002

Вывод: Данная работа выполнялась с целью изучения зависимости индукции катушки от расстояния от ее центра и силы тока в ней. Результатом проделанных экспериментов служит построение графиков этих функций с погрешностью. В итоге выяснилось, что величина индукции катушки обратно пропорционально силе тока в ней и расстоянию от ее центра. Погрешности же, с которыми, безусловно, пришлось столкнуться носили характер прежде всего неточности измерений. Это и примерность отклонения стрелки компаса, измерение расстояния до центра катушки, и снятия показаний с амперметра. Надо учитывать и погрешность измерения угла отклонения стрелки компаса. Но самое важное, на мой взгляд, что  значительно удаляет полученный результат от действительного - это индукция магнитного поля Земли. Она была дана приближенно, а следовательно не была характерна для нашего положения на планете. По-хорошему, надо было измерять индукцию Земли с помощью точнейших измерений в месте проведения эксперимента. Не могли мы избежать и от случайных, систематических погрешностей (например непараллельность стрелки компаса относительно поверхности Земли, случайным смещением центра катушки относительно измерительной линейки, нагреву обмотки катушки со временем и.т.п.

                                                                                          XVIII.      Колебания и волны  

Механические колебания

XVIII.1.1          Измерения ускорения свободного падения методами математического и конического маятников.

Цель: Научиться измерять ускорение свободного падения методами математического и конического маятников.

Оборудование: Штатив, шарик на нити, секундомер, линейка.

Краткие теоретические сведения.

Согласно теории колебаний маятник, представляющий из себя тяжёлый грузик на длинной нити, может считаться может считаться математическим и, тогда, период его колебаний будет выражаться формулой:

Для измерения ускорения свободного падения может использоваться конический маятник. Рассмотрим рисунок. Согласно закону Ньютона:                        

В проекции на вертикальную и горизонтальную оси будем иметь:

С учётом малости амплитуды колебаний можно считать

H = L

Ход   работы

9)     Подвесьте шарик на штатив и приведите маятник в колебания.

10)            Измерьте время нескольких колебаний и найдите период колебаний маятника.

11)            Вычислите ускорение свободного падения и погрешность измерений.

12)            Проделайте п.1 –3 для конического маятника приведя шарик на нити во вращение.

13)            Поставьте на пути маятника (под точкой подвеса) стержень (на расстоянии L/2, L/3, L/4) и измерьте период колебаний такого маятника. Сравните с расчётным  периодом.

Контрольные вопросы.

1.     Как измерить объём комнаты, имея ботинок и секундомер.

2.     Как будет вести себя маятник на борту орбитальной станции.

3.     Где и для каких целей используется математический маятник.

Дополнительные задачи.

1.     Приведите ещё один вывод формулы расчета периода вращения конического маятника (геометрический).

2.     Нить математического маятника при колебании отклоняется на угол a. Этот же грузик может двигаться по окружности в горизонтальной плоскости так, что нить тоже отклоняется на угол a. В каком случае натяжение нити будет большим.

3.     Кубик совершает малые колебания в вертикальной плоскости двигаясь без трения по внутренней поверхности сферической чаши. Определить период колебаний кубика, если внутренний радиус чаши равен R, а ребро кубика много меньше R.

XVIII.1.2          Изучение колебаний пружинного маятника.

Цель работы: экспериментально проверить полученный теоретически  результат.

Оборудование: набор грузов по механике НГМ-100,держатель со спиральной пружиной, штатив для фронтальных работ, метр демонстрационный, секундомер или часы с секундной стрелкой.

Краткие теоретические сведения.

Груз, подвешенный на стальной пружине и выведенный из положения равновесия, совершает под действием сил тяжести и упругости пружины гармонические колебания. Собственная частота колебаний такого пружинного маятника определяется выражением:

,

где  k - жёсткость пружины, m - масса тела.

Задача данной работы заключается в том, чтобы экспериментально проверить полученную теоретически  закономерность.

Для решения этой задачи сначала необходимо определить жёсткость k пружины, применяемой в лабораторной установке, массу m груза и вычислить собственную частоту  υ_о  и период Τ_о  колебаний маятника. Затем, подвесив груз массой  m на пружину, экспериментально проверить полученный теоретически результат.

Ход работы

4.                 Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

№ опыта	F, H	∆x, м	k, H/м	m, кг	, Гц	∆t, с	υ=n/∆t, Гц
1
2

5.                 Укрепите пружину с держателем в лапке штатива и подвесьте к ней груз массой 100 г. Рядом с грузом укрепите вертикально измерительную линейку и отметьте начальное положение груза.

6.                 Подвесьте к пружине ещё два груза массой по 100 г и её удлинение ∆x, вызванное действием силы F≈2H. По измеренному удлинению ∆x и известной силе F вычислите жёсткость пружины:

k = F/∆x.

7.                 Зная жёсткость пружины, вычислите собственную частоту колебаний υ_о  и  период T_о  пружинного маятника массой 200г и 400г.

8.                 Оставьте на  пружине два груза массой по 100г, выведите пружинный маятник из положения равновесия, сместив его на 5-7см вниз, и экспериментально определите частоту колебаний  υ маятника. Для этого измерьте интервал времени ∆t, за который маятник совершает 20 полных колебаний, и произведите расчёт по формуле:

                                                   υ = n/∆t,

где   n – число колебаний.

9.                 Такие же измерения и вычисления выполните с маятником массой 400 г. 

10.             Вычислите отклонения расчетного значения собственной частоты  υ_о  колебаний пружинного маятника от частоты  υ, полученной экспериментально, и результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

Контрольные вопросы.

1.     По какому закону происходит колебания тела, подвешенного на пружине?

2.     Зависит ли частота колебаний пружинного маятника от амплитуды колебаний?

3.     Каким был бы результат опыта в условиях невесомости?          

Электромагнитные колебания

XVIII.1.3          Изучение работы устройства трансформатора.

Цель: познакомиться с устройством и принципом рабо­ты трансформатора; научиться определять коэф­фициент трансформации.

Оборудование: источник регулируемого переменного напряже­ния, трансформатор лабораторный разборной, вольтметры переменного тока (или авометр), ключ, провода соединительные.

Краткие теоретические сведения.

Повышение и понижение напряжения осуществ­ляют с помощью специальных приборов — транс­форматоров. Трансформатор состоит из двух ка­тушек изолированного провода, намотанных на общий стальной сердечник. Одна катушка (пер­вичная обмотка) подключается к источнику пере­менного напряжения, а с другой катушки (вто­ричная обмотка) снимают переменное напряжение для дальнейшей его передачи.

Переменный ток в первичной обмотке создает пе­ременное магнитное поле. Благодаря стальному сердечнику практически такое же переменное магнитное поле пронизывает и вторичную обмот­ку, намотанную на тот же сердечник. Поскольку все витки пронизываются одним и тем же пере­менным магнитным потоком, вследствие явления электромагнитной индукции в каждом витке ге­нерируется одно и то же напряжение. Поэтому отношение напряжений U₁ и U₂ на первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в них:

Коэффициент трансформации – величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

Повышающий трансформатор — трансформатор, увеличивающий напряжение   (U₂ > U₁). У повы­шающего   трансформатора   число   витков   N₂   во вторичной   обмотке  должно   быть  больше  числа витков N₁ в первичной обмотке, т. е. к < 1.

 Понижающий трансформатор — трансформатор, уменьшающий   напряжение   (U₂ < U₁).   У   пони­жающего  трансформатора  число  витков  во  вто­ричной обмотке должно быть меньше числа вит­ков в первичной обмотке, т. е. к  > 1 .

Ход работы

Уровень «А»

1. Ознакомьтесь с устройством трансформатора. Определите первичную обмотку (клеммы с надписью 36 В) и две вторичные (клеммы 2,2 В и
4,4 В). Разберите трансформатор, выньте сердечник и рассмотрите его
устройство. Соберите трансформатор.

2. Присоедините первичную обмотку трансформатора к сети переменно­
го тока напряжением 36 В и замкните цепь.

3. Измерьте напряжение на одной из вторичных обмоток.

4. Вычислите коэффициент трансформации.

5. Проделайте аналогичные действия для другой вторичной обмотки.

6. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

№ опыта	, В	, В
1	36
2	36

7. Присоедините одну из  вторичных обмоток  трансформатора к сети
переменного тока напряжением 4 В и замкните цепь.

8. Измерьте напряжение на первичной обмотке.

9. Вычислите коэффициент трансформации.

10. Присоедините другую вторичную обмотку трансформатора к сети
переменного тока напряжением 4 В,  замкните цепь и измерьте

на­пряжение на первичной обмотке.

11. Вычислите коэффициент трансформации.

12. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

№ опыта	,В	, В
1	4
2	4

13. . Запишите вывод: что вы измеряли, и какой получен результат

Оценка и комментарий учителя:

XVIII.1.4          Исследование магнитного поля соленоида и электромагнита

Цели: 1. Исследовать магнитное поле катуш­ки с током и дугообразного магнита и выяснить, от каких факторов оно зависит; 2. Определить полюса соленоида и электромагнита с помощью магнитной стрелки и подтвердить полученный ре­зультат, опираясь на правило буравчика (обхвата правой рукой).

Оборудование: источник постоянного тока лабораторный, ключ, реостат, маг­нитная стрелка (компас), детали для сборки электромагнита (2 катушки с общим П-образным сердечником), со­единительные провода.

Краткие теоретические сведения

При выполнении лабораторной рабо­ты «Сборка электромагнита и испытание его действия» предлагаю желающим ис­следовать в качестве дополнительного задания магнитное поле соленоида и ду­гообразного электромагнита при помо­щи магнитной стрелки, графически ото­бразить это и обосновать определение магнитных полюсов.

Вначале актуализирую необходимые знания. На доске с помощью графопроектора воспроизвожу опорный конспект по теории:

1)магнитное поле тока (определение) и его свойства;

2)доказательство существования магнит­ного поля тока (опыты Эрстеда и Ампера).

3) силовые линии магнитного поля;

4) правило буравчика (обхвата правой рукой) для определения направления
силовых линий: а) прямого тока (рис. 1), б) соленоида.

5) определение магнитных полюсов со­леноида по направлению силовых линий.

Ход работы

1. Соберите электрическую цепь по схеме (рис. 2).

2. Определите магнитные полюса со­леноида. Подумайте, как это сделать.

3. Изучите, как можно усилить маг­нитное поле соленоида. Подумайте, как
это сделать. (Подсказка: вставить желез­ный сердечник; увеличить силу тока в
катушке при помощи реостата, переме­стив ползунок; увеличить число витков в катушке.)

4. Соберите дугообразный электромаг­нит. Для этого его катушки соедините последовательно так, чтобы на их кон­цах получились разноименные магнит­ные полюса (рис. 3). Подайте на обмот­ку напряжение. Определите полюса с помощью компаса. Обоснуйте результат опыта, определив направление магнит­ных силовых линий у концов каждой катушки по правилу буравчика (обхвата правой рукой), и на основании этого — полюса магнита. Сделайте рисунок.

5. Сделайте вывод: как соотносятся эксперимент и теория.

                                                                                           XIX.      Оптика. Световые волны

XIX.1.1                 Определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз.

Цель: Определение фокусного расстояния собирающей и                                                                                                                                      рассеивающей линз

Оборудование: 1) лента измерительная, 2) батарея аккумуляторов, 3) лампочка на подставке, 4) выключатель, 5) провода соединительные, б) экран белый со щелью, 7) линза двояковыпуклая 8) линза двояковогнутая.

Краткие теоретические сведения.

В большинстве реальных оптических систем содержится несколько преломляющих, сферических поверхностей. Оптическую систему называют центрированной, если центры всех поверхностей лежат на одной прямой, которую называют главной оптической осью системы.

Простейшей центрированной оптической системой является линза. Она представляет собой прозрачное, обычно стеклянное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. В частном случае одна из поверхностей может быть плоской (рис. 1).

Точки пересечения поверхностей линзы с ее главной оптической осью называются вершинами преломляющих поверхностей. Расстояние между вершинами именуется толщиной линзы. Если толщиной линзы можно пренебречь по сравнению с меньшим из радиусов кривизны, ограничивающих линзу поверхностей, линза называется тонкой. Рассмотрением тонких линз мы и ограничимся. В тонкой линзе вершины преломляющих поверхностей можно считать совпадающими в одной точке О (рис. 2), которую называют оптическим центром линзы. Прямая, проходящая через оптический центр и не совпадающая с главной оптической осью, называется побочной или вспомогательной оптической осью.

Различают два типа линз: собирающие и рассеивающие. Параллельные лучи, идущие через собирающую линзу, отклоняются к ее главной оптической оси, а через рассеивающую линзу — в сторону от оси. В воздухе линзы имеющие большую толщину в середине, чем по краям, являются собирающими, а более толстые у краев, чем в середине, — рассеивающими. (Линзу можно представить как совокупность большого числа призм, а каждая призма отклоняет лучи к своему основанию).

Точка F, в которой пересекаются после преломления лучи, падающие на линзу параллельно ее главной оптической оси, называется фокусом, а плоскость, проходящая через фокус и перпендикулярная главной оптической оси—фокальной плоскостью. В случае собирающей линзы фокус действительный (рис. 3 а), для рассеивающей линзы фокус мнимый (рис. 3 б), так как в точке F пересекаются не сами лучи, а их продолжения.

Если линза находится в однородной среде, то у нее имеются два фокуса по разные стороны линзы, расстояния до которых от оптического центра линзы (фокусные расстояния) одинаковы. Фокусные расстояния часто обозначают той же буквой F, что и фокусы. Фокусное расстояние тонкой линзы, как показывают расчеты, определяется соотношением

, (1)

где  — абсолютный показатель преломления вещества линзы, а

— показатель преломления среды, в которой линза находится. (Если линза находится в воздухе, то ).

При этом знаки перед членами, содержащими радиусы кривизны и , берутся положительными для выпуклых  поверхностей, отрицательными — для вогнутых. Линза, изображенная на рис. 3 — собирающая, для этой линзы (в воздухе)

а линза на рис. 3 6 — рассеивающая. Для нее

Двояковыпуклая линза, помещенная в оптически более плотную среду  ( > ), как показывает формула A), становится рассеивающей, и, наоборот, двояковогнутая линза превращается в собирающую.

Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы. Ее обозначают буквой D:

Оптическую силу D выражают в диоптриях (Дптр). Оптической силой в 1 Дптр обладает линза с фокусным расстоянием в 1 м. Для собирающих, линз D > 0, для рассеивающих линз D < 0.

Если известно положение линзы и ее фокусов, изображение А; предмета А может быть найдено путем простых геометрических построений.

Чтобы построить изображение светящейся точки в линзе, нужно из нее провести два луча, падающие на линзу. Изображение точки лежит на пересечении этих лучей (или их продолжений) после прохождения линзы.

Обычно проводят лучи через оптический центр линзы (они не преломляются) и параллельно главной оптической оси (они после преломления в линзе пересекают фокус). Рис. 4 иллюстрирует эти построения для собирающих и рассеивающих линз.

Если определять положение предмета и изображения по их расстояниям d и , соответственно, от линзы, то легко установить соотношение между этими расстояниями и фокусным расстоянием линзы. Это соотношение называется формулой тонкой линзы и имеет вид

  (2)

причем величины d,  и F могут быть как положительными, так и отрицательными. Для собирающей линзы F > О, для рассеивающей линзы F<0

Если изображение действительное, то > 0, если мнимое, то < 0.

Наконец, d > 0 в случае действительного предмета  < 0 — в случае мнимого предмета, т. е. когда на линзу падает сходящийся пучок лучей.  Измеряя расстояния и  и применяя формулу тонкой линзы (2) можно экспериментально определить фокусное расстояние линзы.  Определению фокусных расстояний собирающей и рассеивающей тонких линз и посвящена настоящая экспериментальная работа.

Ход работы

Определение фокусного расстояния собирающей линзы.

Составить электрическую цепь из лампочки, аккумуляторной батареи и выключателя. Лампочку и экран расставляют на противоположных концах стола, а между ними помещают двояковыпуклую линзу. Зажигают лампочку и передвигают линзу вдоль желоба, пока на экране не будет получено резкое изображение накаленной нити лампочки.

Для линзы можно найти два таких положения. Найдя одно из них, расположенное, например, ближе к лампоч­ке, передвигают линзу к экрану и находят для нее вто­рое положение, при котором на экране вновь появляется резкое изображение нити лампочки. Измеряют расстояния от лампочки до линзы и от линзы до экрана в каждом из двух опытов.

Воспользовавшись полученными данными, вычисляем главное фокусное расстояние по формуле

,

                                      Собирающая линза

№	1.	2.	3.
, мм
, мм
, м
, м

Рис. 1

Рассеивающая линза

Вследствие того что   рассеивающая   линза   образует   только мнимые   изображения,   положения   которых   нельзя  определить непосредственно при помощи экрана, целесообразно прибегнуть к косвенному методу при опре­делении ее главного фокусного расстояния, применив собира­ющую линзу.

Для этого вдоль желоба между горящей лампочкой и эк­раном устанавливают рассеи­вающую линзу, а между нею и экраном — короткофокусную со­бирающую линзу. Передвигая собирающую линзу и экран, до­биваются получения на экране резкого изображения нити лам­почки в виде светлой точки или полоски. Схема установки и ход лучей показаны на рисунке 1.

Схема расположения линз, источника света и экрана при определении главного фокусного расстояния   рассеивающей   линзы.

После этого лентой измеряют расстояние d от рассеивающей линзы до лампочки с точностью см. Затем отмечают на желобе место расположения рассеивающей линзы и убирают ее;

изображение на экране исчезает. Придвигают лампочку по на­правлению к собирающей линзе, пока на экране вновь не по­явится резкое изображение нити. Это, очевидно, будет в том случае, когда лампочка попадет в точку т. е. на место мнимо­го изображения, полученного в рассеивающей линзе.

Измеряют расстояние  от места, где была рассеивающая линза, до лампочки и определяют главное фокусное расстояние по общей формуле линзы:

Расстояние  надо считать здесь отрицательным, как расстояние мнимого изображения до линзы.

Рассеивающая линза

№	1.	2.	3.
, мм
, мм
, м
, м

Запишите вывод: что вы измеряли и какой получился результат.

Оценка и комментарии учителя:

XIX.1.2                 Определение показателей преломления прозрачных пластинок с помощью микроскопа.

Цель: изучение устройства микроскопа; применение микроскопа для определения показателей преломления прозрачных пластинок.

Оборудование: микроскоп, микрометр, пластинка стеклянная с метками на одной поверхности (царапинами).

Краткие теоретические сведения.

Скорость света u в среде определяется формулой

                                                 , (1)                                                  

где с - скорость света в вакууме; n - абсолютный показатель преломления среды.

Отсюда следует формула   , т.е. абсолютный показатель преломления среды показывает во сколько раз скорость света в среде меньше скорости света в вакууме.

При переходе светового луча через границу раздела двух сред с разными скоростями света u₁ и u₂, а значит, с разными показателями преломления n₁ и n₂, происходит преломление луча, удовлетворяющее закону преломления: падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред в точке падения; отношение синуса угла падения j₁ к синусу угла преломления j₂ есть величина постоянная.

                                                , (2)                                     Величина n₂₁ называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой:

                                                           , (3)

С учетом формулы (1) формула (3) принимает вид:

                                                      , (4)

Подставляя формулу (4) в формулу (2), получим

                                                   , (5)

т.е. чем больше показатель преломления n среды, тем меньше синус угла, а значит, меньше и сам угол между лучом в среде и перпендикуляром к границе раздела.

Преломление света на границе сред приводит к некоторым эффектам. В частности, световые лучи SA и SB, выходящие из точечного источника света S (см.рис.1), расположенного на нижней поверхности стеклянной пластинки толщиной Н, после перехода границы "стекло-воздух" распространяются по направлениям АК и ВО соответственно. Если эти лучи попадают в глаз наблюдателя, то ему кажется, что лучи выходят не из точки S, а из точки S₁. Поэтому наблюдателю кажется, что пластинка имеет толщину h.

Углы j₁ и j₂ в данном случае малы, так как лучи АК и ВО должны попасть в глаз наблюдателя, а расстояние от глаза до точки S₁ равно расстоянию наилучшего зрения D (D = 0,25 м для нормального глаза). Ввиду малости углов отношение синусов углов можно заменить отношением тангенсов, которые находим из DABS и DABS₁:

                                       , (6)

При преломлении на верхней поверхности пластинки, второй средой является воздух, для которого можно положить: n₂ = 1.

Учитывая, что , и обозначая показатель преломления стекла n₁ = n, формулу (6) можно записать в виде:

                                                       

Отсюда показатель преломления стекла можно определить по расчетной формуле:

                                               , (7)                                                    

предварительно измерив истинную толщину Н стеклянной пластинки микрометром и определив кажущуюся толщину h пластинки с помощью микроскопа.

Описание экспериментальной установки.

Экспериментальной установкой в данной работе является микроскоп, внешний вид которого показан на рис.2.

В устройстве микроскопа выделяют две основные части: механическую и оптическую. Механическая часть состоит из тубуса 6, приспособления для установки осветительного прибора, находящегося под предметным столиком, и штатива, состоящего в свою очередь из основания 3, колонки 4 и предметного столика 5. Тубус в целом связан с колонкой при помощи салазок и может передвигаться в них при вращении кремальеры 8. Более медленное и измеряемое передвижение тубуса с салазками происходит при вращении микрометрического винта 9, с помощью которого можно перемещать тубус в пределах до 2,4 мм. Цена деления шкалы микрометрического винта составляет 0,002 мм, а один оборот винта - 0,1 мм.

Оптическая часть состоит из зеркала 7, объектива 1 и окуляра 2. Зеркало 7 служит для направления лучей от источника света вдоль оси прибора. В некоторых микроскопах между зеркалом 7 и предметным столиком 5 помещают конденсор для усиленной конденсации света на столике. В отсутствии конденсора с той же целью зеркало 7 делают вогнутым.

В результате дифракции света при его прохождении через зрачок глаза изображение светящейся точки на сетчатке глаза имеет вид маленького круглого светлого пятна, окруженного чередующимися светлыми и темными кольцами. Так как на центральное пятно приходится около 84% светлого потока, падающего на сетчатку, то кольцами, окружающими пятно, можно пренебречь.

Угол зрения предмета a называется угол, тангенс которого (см. рис. 3) удовлетворяет условию

                                                , (8)                                               

где y - поперечный размер предмета; L - расстояние от предмета до глаза.

Если угол зрения предмета a < 1', то изображения отдельных точек предмета сливаются и глаз воспринимает такой предмет как светящуюся точку. Для наблюдения деталей предмета нужно увеличивать его угол зрения a. Глаз может наблюдать светящиеся предметы на разных расстояниях, так как мышцы глаза могут менять кривизну поверхностей хрусталика, и изображение предмета оказывается на сетчатке глаза. Чем меньше расстояние L от предмета до глаза, тем больше угол зрения a. Минимальное расстояние , при котором изображение предмета фокусируется на сетчатке, называется расстоянием наилучшего зрения. Для нормального глаза D = 0,25 м.

Роль прибора, вооружающего глаз, состоит в увеличении угла зрения предмета. Увеличением оптического прибора называется величина

                                                            , (9)

где a' - угол зрения предмета для глаза, вооруженного прибором;
a - для невооруженного.

Простейшим оптическим прибором является лупа, представляющая собой собирающую линзу с фокусным расстоянием от 10 до 100 мм. Предмет помещают за линзой (см.рис.4) на расстоянии, немного меньшем фокусного расстояния F линзы.

Если y - поперечный размер предмета МN, а МО » F, то

                                                             , (10)

Для невооруженного глаза по формуле (8) с учетом , получим

                                                           , (11)

Подставляя формулы (10) и (11) в формулу (9), найдем увеличение лупы:

                                          , (12)                                        

Микроскоп, как и лупа, предназначен для наблюдения предметов малых размеров. Ход лучей света в микроскопе показан на рис. 5.Вогнутое зеркало 7 микроскопа отражает свет, падающий на него от какого-либо источника, и направляет сходящийся пучок лучей на объект МN, расположенный на предметном столике микроскопа. Расстояние между объектом МN и объективом микроскопа 1 немного больше фокусного расстояния объектива. Пройдя объектив, лучи слабо сходящимся пучком идут к окуляру 2 и дают увеличенное действительное изображение М₁N₁. Линейное увеличение объектива равно

 , (13)

где F₁ - фокусное расстояние объектива; D - расстояние между фокусами объектива и окуляра; y - поперечный размер объекта MN.

Отсюда поперечный размер изображения М₁N₁, получаемого с помощью объектива, равен

 , (14)

Изображение объектива M₁N₁ с поперечным размером y₁ является действительным предметом для окуляра. Так как расстояние плоскости M₁N₁ до окуляра меньше его фокусного расстояния F₂, то окуляр играет роль лупы, т.е. с его помощью получают мнимое изображение M₂N₂, расположенное на расстоянии наилучшего зрения D от глаза наблюдателя. Тогда угол зрения предмета a' для наблюдателя, вооруженного микроскопом, удовлетворяет формуле

                                , (15)                                         

Подставляя формулы (11) и (15) в формулу (9), получим увеличение микроскопа

                                     , (16)                                      

Формулу (16) можно записать в виде:

 ,  (17)

где  - поперечное увеличение объектива (собирающей линзы), а

 - увеличение окуляра (лупы).

Обычно величина b_об меняется в пределах от 6,3 до 100, а величина Г_ок - от 7 до 15. Тогда в соответствии с формулой (17) увеличение микроскопа Г_М меняется в пределах от 44 до 1500. Верхний предел увеличения оптического микроскопа ограничен из-за дифракции света на диафрагме объектива и аберраций линз.

Ход работы

1.                 Измерьте микрометром истинную толщину Н прозрачной пластинки не менее 5 раз в том месте, где на поверхности пластинки нанесены метки (мелкие царапины). Найдите среднее арифметическое значение <Н> и полуширину доверительного интервала DН. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

№ измерений	Н, мм	N0	z	N	h, мм	Средние значения, мм
						<H>	DH	<h>	Dh
1
2
3
4
5

2.                 Для измерения кажущейся толщины h прозрачной пластинки закрепите ее на предметном столике S микроскопа (см.рис.2) и, наблюдая в окуляр 2, поворотом зеркала 7 добейтесь хорошего освещения поля зрения микроскопа.

3.                 Получите резкое изображение меток на нижней поверхности пластинки в поле зрения микроскопа. Для этого осторожно, чтобы не повредить линзу объектива или пластинку, при помощи микрометрического винта 9 и кремальеры 8, наблюдая сбоку, максимально опустите тубус 6. Не допускайте соприкосновения объектива микроскопа с поверхностью пластинки! Далее, вращая винт кремальеры 8 в обратном направлении и наблюдая в окуляр 2, зафиксируйте в поле зрения микроскопа метки на нижней поверхности пластинки.

Окончательно получите изображение меток микрометрическим винтом 9, показания шкалы которого N₀ запишите в таблицу.

4.                 Измерение кажущейся толщины пластинки h проведите с помощью шкалы микрометрического винта 9.

Шкала имеет 50 делений, а цена одного деления - 0,002 мм, т.е. один оборот винта соответствует перемещению тубуса на 0,1 мм (0,002 мм ×50 = 0,1 мм).

При помощи микрометрического винта 9 поднимите тубус 6 до появления в поле зрения микроскопа резкого изображения меток, находящихся на верхней стороне пластинки, считая при этом число z прохождения нуля шкалы микрометрического винта 9 мимо указателя шкалы. Определите показание шкалы N микрометрического винта 9 в конечном положении. Запишите значения z и N в таблицу.

 5.  Измеряемую толщину h найдите по формуле:                и запишите результат в таблицу.

6.                 Проведите измерения h не менее 5 раз.

7.                 Вычислите среднее значение <h> и полуширину доверительного интервала Dh. Результаты вычислений занесите в таблицу.

8.                 Используя средние значения <Н> и <h>, найдите показатель преломления прозрачной пластинки по формуле (7):

                                               

9.                 С помощью средних значений определите полуширину доверительного интервала показателя преломления Dn по формуле:

10.             Запишите результат измерения показателя преломления прозрачной пластинки в виде:  .

11.             Повторите все измерения и вычисления для второй прозрачной пластинки.

Контрольные вопросы.

1.                 Почему толщина прозрачной пластинки, определяемая визуально, т.е. с помощью микроскопа, оказывается меньше истинной толщины пластинки?

2.                 Нарисуйте ход лучей в микроскопе.

3.  Что ограничивает верхний предел увеличения оптических микроскопов?

4. Чему равно увеличение микроскопа, если поперечное увеличение объектива b_об = 40, а окуляра Г_ок = 10?

XIX.1.3                 Наблюдение разрешающей способности малого отверстия.

Цель работы: ознакомиться с явлением дифракции на малом                          отверстии.

Оборудование: осветитель, рамка №1 с фольгой, имеющая два отверстия, рамка № 2  с фольгой, имеющая три отверстия малого размера.

Ход работы

1.                 Укрепите рамку №1 в осветителе. Включите осветитель.

2.                 Подберите положение рамки, при котором оба отверстия включены одинаково. Отверстия в фольге будут служить точечными источниками света. Добейтесь максимальной яркости этих источников.

2. Посмотрите на точечные источники света через одно из отверстий в рамке №2. Глаз должен быть расположен так, чтобы нить лампы  была видна одновременно через два отверстия. При этом условии вокруг каждого источника должна наблюдаться яркая дифракционная картина в виде концентрических темных и светлых колец.

3. Не изменяя положение глаза, посмотрите на точечные источники света поочередно через оба отверстия разного диаметра.

4. Посмотрите снова на источники через отверстие среднего диаметра, и постепенно увеличивайте расстояние до них, пока они снова не сольются в одну точку. Как изменяется разрешающая способность отверстия с изменением расстояния до источников света?

Контрольные вопросы:

1. Как изменяется радиус дифракционных колец вокруг источника света с уменьшением диаметра отверстия? Если отверстие закрыть светофильтрами?

2. При каком отверстии источники не разрешаются,- сливаются в одну точку?

XIX.1.4                 Сборка модели микроскопа.

Цель: с помощью двух собирающих линз изготовить устройство для наблюдения мелких предметов и измерить его угловое увеличение.

Оборудование: оптическая скамья, рейтер (2 шт.), источник света, длиннофокусная собирающая линза, короткофокусная собирающая линза, слайд рамка СС комплектом масок пенал, соединительные провода. Выпрямитель ВУ-4М, линейка с миллиметровыми делениями.

Краткие теоретические сведения.

Оптические приборы служащие для рассматривания близких малых предметов, носят общее название микроскопов. Простой микроскоп или лупа представляет собой, в простейшем случае, собирающую линзу, помещенную относительно предмета так, что на расстоянии наилучшего зрения (для нормального глаза оно равно 25 см.) получается его прямое увеличение и мнимое изображение. Ясно, что самому предмету, поставленному на такое же расстояние, соответствовал бы меньший угол. В сложном микроскопе или просто микроскопе увеличенное действительное изображение весьма малого предмета, полученное с помощью объектива, рассматривается через окуляр как через лупу. В простейшем случае в качестве объектива и окуляра используются собирающие линзы.

При рассмотрении малых предметов с помощью микроскопа можно получить большое увеличение. Увеличение микроскопа Г равно произведению увеличения объектива  и увеличения окуляра :  Г=,

где  = ,     =  .

Ход лучей в микроскопе показан на рис. 2. Предмет помещают на расстоянии  , немного большем фокусного расстояния   первой  линзы-объектива, поэтому d  . Действительное обратное увеличенное изображение предмета, даваемое объективом, рассматривают с помощью второй линзы – окуляра, используемой как лупа. Для этого изображение предмета, даваемое объективом, должно оказаться вблизи фокальной плоскости окуляра. Поэтому  приблизительно выполняется равенство

= + ,

Рис.2.

где   - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра. Так как  >>, то . Тогда для увеличения   объектива получают   .Так как  , а расстояние   равно расстоянию наилучшего зрения глаза (= 25 см.), то увеличение окуляра : = .

Приняв эти приближения для увеличения микроскопа. Получим формулу:

Г=   .

Ход работы

1. Определите фокусные расстояния каждой  линзы фокусируя на поверхность экрана изображение какого либо удаленного источника света.

Вычислите расстояние между фокусами линз  для получения увеличения, например, Г=2.

2. Начертите в правильном масштабе ход лучей и постройте изображение, полеченное в микроскопе.

3. Установите на оптической скамье  с помощью рейдеров  две собирающие линзы.  Рейтер с линзой – окуляром установите на конце скамьи так, чтобы было удобно поместить глаз перед самым окуляром. Рейтер с объективов поместите на расстоянии равном ++ от окуляра.

4. В качестве рассматриваемого предмета используется шкала, нанесенная на слайде с комплектом масок. Закрепите слайд на источнике света. Расположите  источник света  перед объективом на расстоянии, немного превышающим его фокусное расстояние.

5. Добейтесь резкого изображения шкалы небольшим плавным перемещением рейтера с источником света.

6. Перемещайте линейку с делениями на расстоянии наилучшего видения от глаза так, чтобы деления были хорошо вторым глазом.

7. Наблюдая одновременно изображение предмета в микроскоп, старайтесь совместить его с изображением линейки, видимым невооруженным глазом.

8. Определите увеличение микроскопа экспериментально.

9. Сравните результаты расчета и эксперимента.

XIX.1.5                 Сборка модели трубы Кеплера.

Цель: Сформировать умение сборки с помощью двух собирающих линз, устройства для наблюдения удаленных предметов и измерения его углового увеличения.

Оборудование: оптическая скамья, рейтер (2шт.), линза собирающая длиннофокусная, линза собирающая короткофокусная, экран, линейка

Краткие теоретические сведения.

Разрешающая способность нормального человеческого глаза равна примерно 1 минуте. Это значит, что две светящиеся точки, находящиеся на угловом расстоянии менее одной угловой минуты воспринимаются человеческим глазом как одна светящаяся точка. Для того, чтобы иметь возможность видеть мелкие детали, находящиеся друг от друга на угловых расстояниях меньше одной минуты, применяют оптические приборы, увеличивающие угол зрения на рассматриваемый предмет. Для рассмотрения удаленных предметов применяют телескопы.

В астрономической трубе – телескопе или, как её часто называют, трубе Кеплера, объектив дает действительное, уменьшенное и обратное изображение предмета, так как предмет всегда находится намного дальше двойного фокусного расстояния объектива; окуляр играет роль лупы.

Оптическое изображение в простейшем телескопе-рефлекторе получают с помощью двух собирающих линз, одна из них длиннофокусная, другая короткофокусная. Длиннофокусная линза находится в конце трубы, обращенном к объекту наблюдения. Эта линза называется объективом. Короткофокусная линза находится на другом конце трубы. Эта линза, обращенная к глазу, наблюдателя называется окуляром. Линза объектива с фокусным расстоянием  создает в фокальной плоскости действительное уменьшенное изображение далекого предмета. Окуляр расположен от фокальной плоскости объектива на расстоянии, равном  фокусному расстоянию . Поэтому параллельный пучок света, сфокусированный объективом телескопа, превращается окуляром вновь в параллельный пучок. Выйдя из окуляра, параллельный пучок света фокусируется оптической системой глаза в изображение на поверхности ее сетчатки.

Если далекий предмет АВ без применения телескопа виден под углом  , то после прохождения оптической системы телескопа угол зрения  на этот предмет (его изображение) для наблюдателя становится значительно большим (см. рис 1).

Рис.1.

Как следует из хода лучей в телескопе, представленном на рисунке, увеличение телескопа равно

.

Ход работы

1.Определите фокусные расстояния каждой линзы фокусируя на поверхность экрана изображение какого-то удаленного источника света.

2.Начертите в правильном масштабе ход лучей и постройте изображение, полеченное в телескопе.

3.Установите на оптической скамье  с помощью рейдеров  две собирающие линзы. Линзу с меньшим фокусным расстоянием (окуляр), поместите у самого края скамьи так, чтобы удобно было приблизить скамью окуляром к глазу. Вторую собирающую линзу (объектив) установите от окуляра на расстоянии L = + .

4.Наблюдайте линейку одним глазом через модель телескопа, а другим невооруженным глазом наблюдайте туже линейку.

5.Определите увеличение модели телескопа  путем расчетов и телескопа экспериментально и сравните их.

XIX.1.6                 Определение показателя преломления стеклянной пластины с помощью микроскопа.

Цель: определение показателя преломления стеклянной пластины с помощью микроскопа.

Оборудование: измерительный микроскоп, микрометр, стеклянная пластинка с двумя штрихами (на верхней и нижней поверхностях), осветитель.

Краткие теоретические сведения.

Из опыта известно, что рассматриваемый сквозь слоя воды или толстую прозрачную пластину предмет кажется приподнятым. На рис. 8 изображен ход луча, идущего от предмета, находящегося в сосуде с водой, к глазу наблюдателя.

В точке О своего пути луч испытывает преломление на поверхности воды, вследствие чего глаз видит не предмет в точке М, а его изображение в точке М₁ на кажущейся глубине h₁, меньшей истиной глубины h.

На рисунке видно, что:

где i – угол падения луча на поверхность раздела вода – воздух (вакуум); r – угол преломления.

Разделив второе равенство на первое, имеем:

.

Из закона преломления в данном случае следует, что

 или .

Воспользовавшись этим равенством, получим:

или .

При нормальном падении луча (r = 0) будем иметь:

Как следует из полученного соотношения, определение показателя преломления сводится к измерению действительной и кажущейся глубины погружения предмета (точки).

Описание аппаратуры и методов измерения.

В предлагаемом опыте вода заменена стеклом в форме плоскопараллельной пластинки, на нижней и верхней поверхности которой крест-накрест нанесены две линии. Расстояние F₁, измеряется с помощью микроскопа, ход лучей в котором показан на рис. 9. Здесь F₁, F'₁ и F₂, F'₂ соответственно передний и задний фокус объектива O₁ и окуляра О₂;  аb – предмет, расположенный за передним фокусом объектива на определенном столе, расположенном на (малом) расстоянии от него; а₁b₁ – действительное, обратное и увеличенное объективом изображение, служащее в свою очередь предметом для окуляра. Оно находится между окуляром и его передним фокусом F₂ и рассматривается окуляром как через лупу. Изображение, полученное в этом случае, будет еще более увеличенным (а₂b₂). Глаз рассматривает его без напряжения на расстоянии наилучшего зрения (для нормального глаза ~ 25 см). Расстояние между фокусами (L) называется оптической длиной тубуса или оптическим интервалом. Постоянство этого интервала, обычно равного 160-170 мм, позволяет фокусировать микроскоп на резкость изображения путем перемещения всего тубуса в целом. Наибольшая резкость достигается при определенном неизменном для данной оптической системы микроскопа расстоянии предмета от объектива. Если предмет наблюдения сместится вдоль оптической оси, то для сохранения резкости изображения, ровно на столько же, в том же направлении, следует переместить тубус. На этом и основано использование микроскопа для измерения расстояния h₁, в настоящей работе

Ход работы

1.Осветить поле зрения. Для этого, поставив перед зеркалом S осветитель, поворачивать зеркало и осветитель так, чтобы, глядя в окуляр, получить достаточно сильную и равномерную освещенность поля зрения (рис. 7).

2.Поместить на предметный столик P стеклянную пластинку с царапинами. Зажав пластинку двумя пружинящими держателями, опустить тубус винтом G так, чтобы линза объектива почти коснулась пластинки, следя за тем, чтобы касания не било, так как в противном случае можно повредить линзу объектива и раздавить пластинку. Переместить пластинку так, чтобы место пересечения штрихов пришлось, возможно точнее, против центра объектива Об.

3.Произвести фокусировку, для чего вращать головку винта G до тех пор, пока тубус поднимется настолько, что изображение станет максимально резким, при этом надо следить за тем, чтобы тубус поднимался, а не опускался, т.к. иначе возникнет опасность соприкосновения между объективом и пластинкой. После этого вращать винт дальше, пока резкость не станет заметно ухудшаться. Вращением винта в обратную сторону достигнуть прежней резкости изображения. Следует фокусировать край штриха, т.е. какую-нибудь мелкую деталь края царапины на стекле. Если фокусировать ее середину, лежащую глубже, то ошибка в определении кажущегося поднятия изображения может достигнуть десятка микронов.

4.Повернуть микровинт в сторону увеличения числа делений. Если тубус при этом поднимается, нужно начинать измерения с нижней линии, если опускается – с верхней. После этого, подняв тубус винтом грубой наводки G примерно на 1см от пластинки, вывернуть микровинт М до отказа так, чтобы при последующих измерениях, путем вращения его в обратное сторону, он мог бы поднять тубус на высоту, соответствующую максимально возможному числу своих оборотов (обычно 20-24). В таком случае можно поручиться, что свободной длины микровинта хватит для наводки на нижнюю и верхнюю линию.

5.Пользуясь винтом G, убедиться, что в поле зрения последовательно появляются изображения сначала нижней, потом верхней линии. Это будет иметь место, если видимая точка пересечения штрихов была установлена достаточно точно под центром объектива.
Если это условие не соблюдено, то необходимо улучшить ее установку, для чего, получив поочередно оба изображения, слегка переместить пластинку, чтобы место пересечения линий пришлось посредине поля зрения.

6.Получив с помощью винта G наиболее резкое изображение нижней линии, слегка опустить тубус тем же винтом и поднимать его микрометрическим винтом М до получения резкого изображения. Делать отсчет по круговой шкале. Если при этом микровинт повернулся на K₁ делений круговой шкалы, то в таблице 5 записывают p – K₁ делений, где p - общее число делений на круговой шкале, равное p = 50. Далее повернуть головку микровинта в сторону увеличения числа делений до первого совпадения указателя с 50-ым или, что то же самое, с нулевым делением шкалы. Число сделанных полных оборотов головки М при этом равно нулю. Продолжая поворачивать головку в ту же сторону, считать полные обороты, заглядывая в окуляр, чтобы убедиться, не появилось ли изображение верхней линии в поле зрения. Когда это изображение появится, добиться наибольшей резкости и записать в таблицу 5 число сделанных полных оборотов m головки М и число K₂ делений круговой шкалы, на которое повернулся микровинт от последнего перехода через нуль (до положения максимальной резкости изображения верхней линии).
Фокусировку и отсчеты для обеих линий для каждой измеряемой пластины, произвести, как минимум, 2 раза.

7.Измерить микрометром толщину пластинки (h).
Результаты измерений заносятся в таблицу 5.

8.Пользуясь формулой K = K₁ - K₂ + (m + 1) 50, найти полное число K делений круговой шкалы, пройденное при вращении микрометрического винта от крайнего нижнего положения тубуса до верхнего (для всех измеряемых случаев).

9.Найти h₁ по формуле: h₁ = K α_o, где α_o – цена деления круговой шкалы, под которой подразумевается продольное смещение тубуса при повороте микровинта на одно деление круговой шкалы, равное α_o = 0,002 мм.

10.По формуле (4-3) рассчитать показатель преломления.

11.Вычислить среднюю абсолютную ошибку окончательного результата n_ср и погрешность Δn.

12.Окончательный результат записать в форме: n = n_ср ± Δn.

13.Провести измерения для всех пластин.

№ опыта					,

                                                                                                          XX.      Излучение и спектры

XX.1.1                     Градуирование спектроскопа и измерение длин световых волн спектральных линий газов

 Цель: изучение принципа работы спектроскопа, определение с помощью него длин волн спектральных линий.

Оборудование: спектроскоп двухтрубный с отчётным микрометрическим винтом, трубки спектральные, прибор для зажигания спектральных трубок «Спектр», источник электропитания для практикума, ключ замыкания тока, комплект соединительных проводов.

Краткие теоретические сведения.

Повторите  «Физика – 10», § 71 – 73.

Эту работу выполняют с помощью спектроскопа, изображённого на рисунке 1, где 1 – окуляр, 2 – зрительная труба, 3 – объективы, 4- коллиматор, 5 – щель, 6 – микрометрический винт.

Схема микроскопа и ход лучей в нем  показаны на рисунке 2.

Расходящийся пучок, идущий от источника света, расположенного близ щели коллиматора, проходит через щель, находящуюся в главном фокусе линзы, и после линзы параллельным пучком падает на грань стеклянной призмы.

В призме пучок откланяется к её основанию и разлагается на  основные составные цветные пучки, так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления. По выходе из призмы эти пучки ещё раз отклоняются к основанию призмы и направляются в объектив зрительной трубы.

Пройдя объектив, каждый пучок одноцветных лучей образует в фокальной плоскости объектива действительное изображение щели коллиматора. Из множества таких изображений получается спектр, красная область которого обращена в сторону вершины призмы, а фиолетовая – в сторону основания.

Для фиксации зрительной трубы на определённой линии спектра служит тонкая вертикальная нить, натянутая внутри трубы той же плоскости, в которой образуется спектр.

Чтобы определять по расположению  спектре наличие в источнике излучения тех или иных химических элементов, спектроскоп необходимо проградуировать.

Градуировку проводят, наблюдая уже известный спектр, какого – либо светящегося газа. Длину волны, соответствующей каждой из наблюдаемых линий, берут из справочника. Затем совмещают нить зрительной трубы с каждой из спектральных линий, снимают показания отсчётного приспособления и строят кривую. Для этого по вертикальной оси откладывают известные длины волн, а по горизонтальной – соответствующие им показания микрометра, снятые во время опыта.

После градуировки, наблюдая линейчатый спектр неизвестного вещества и нанеся на ту же кривую показания микрометра, можно для каждой новой спектральной линии по этой кривой определить длину волны, а затем по справочнику узнать спектру какого элемента принадлежат эти линии.

Ход работы

1.      Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений:

Цвет линий	Показания микрометра, мм	Длина волны по справочнику, нм
Красная		728
Красная		668
Жёлтая		588
Зелёная		502
Зелёная		492
Голубая		471
Синяя		447

2.                 Ознакомьтесь с устройством спектроскопа.

3.                 Вставьте трубку с гелием в держатель прибора для зажигания спектральных трубок и присоедините прибор через выключатель к источнику постоянного тока напряжением 6 В. Щель коллиматора подведите вплотную к спектральной трубке и включите ток.

4.                 Ведя наблюдение через окуляр зрительной трубы, вращайте микрометрический винт, чтобы постепенно увидеть все спектральные линии гелия. Перемещением окуляра добейтесь резкого их изображения.

5.                 Микрометрическим винтом поверните зрительную трубу вправо так, чтобы в поле зрения появилась крайняя красная спектральная линия. Совместите изображение спектральной линии с вертикальной нитью и запишите показания микрометра в таблицу.

    Микрометрический винт имеет шаг 1 мм, а головка его разделена на 50 равных частей, - следовательно, цена деления на головке 0,02 мм. Отсчёт целых миллиметров производите по неподвижной шкале на цилиндре, а сотых долей – по шкале на головке винта.

6.                 Вращая микрометрический винт, передвигайте зрительную трубу до совмещения нити с каждой из последующих спектральных линий. Для      каждой линии снимите показания микрометра и занесите их в таблицу      против указанных длин волн гелия, взятых из справочника.

7.                 По записям показаний микрометрического винта и длинам волн, соответствующим этим показаниям, постройте на бумаге кривую. Для этого по оси абсцисс отложите показания микрометра, а по оси ординат – длину световых волн, выбрав соответствующий масштаб. По найденным точкам проведите плавную кривую.

8.                 Трубку с гелием в приборе для зажигания спектральных трубок замените трубкой с другим газом. Наблюдая на темном фоне спектра разного цвета яркие полосы, совмещайте с ними нить и записывайте показания микрометрического винта.

     По имеющейся кривой определите длины волн спектральных линий наблюдаемого вами газа. Для этого по оси абсцисс отложите показания микрометрического винта, из этой точки восставьте перпендикуляр и продолжите его до пересечения с построенной кривой. Опустите из точки пересечения перпендикуляр на ось ординат и найдите соответствующие значения длины волны. По вклейке учебника определите какой это газ.

Контрольные вопросы

1.Объясните устройство спектроскопа и нарисуйте ход световых пучков в нём.

2. Как изменится линейчатый спектр, если изменить ширину щели?

3. Почему щель устанавливают в главном фокусе коллиматора?

                                                          XXI.      Квантовая физика. Световые кванты

XXI.1.1                 Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона.

  Цель: научиться измерять длину световой волны монохроматического света            с  помощью колец Ньютона в отраженном и в проходящем свете.

  Оборудование: стеклянные пластины, плоско-выпуклая линза, бумага с          миллиметровыми  делениями, зеркало, спиртовка или газовая горелка, кусок асбеста, раствор поваренной соли.

Краткие теоретические сведения.

Рис. 1

 На плоскую стеклянную пластину кладется выпуклой стороной  плоско-выпуклая линза большого радиуса кривизны R (рис.1).

Свет монохроматичен  и падает перпендикулярно на плоскую поверхность линзы. Определяется толщина воздушного зазора d, через который свет проходит дважды, вверх и вниз, и в точке М интерферирует с отраженным светом на границе стекло-воздух. При наблюдении сверху в отраженном свете видны кольца Ньютона - чередующиеся темные и светлые кольца с темным пятном в центре. Из треугольника ОDМ вычисляем радиус интерференционного кольца r, проходящего через точку М горизонтальной плоскости:

r² = R² – (R-d)² = (2R - d) d .

Так как R >> d, то величиной d в разности R-d  можно                                                      пренебречь. Тогда для толщины воздушного зазора  получаем следующее выражение:

d =r² /2R.

Поэтому геометрическая разность хода интерферирующих волн в точке М выразится так:

∆x= r²/ R.

Если еще учесть потерю полуволны при отражении в точке К, то для светлых колец можно записать:

r² /R + λ/2 = 2n λ/2,

или

r²/ R = 2n λ/2 – λ/2 = (2n-1) λ/2.

Отсюда находим длину световой волны:

Λ = 2r² / R(2n - 1).  (1)

Для темных колец

r²/ R+ λ/2 = (2n + 1) λ/2.

Поэтому

r²/ R = nλ,

и длина световой волны выразится так:

λ=r²/Rn.              (2)

Таким образом, для определения длины световой волны нужно измерить лишь радиус r n-го светлого или темного кольца.

.

Ход работы

1.Поместите плоско-выпуклую линзу выпуклой стороной на плоскопараллельную пластину.

2. Под стеклянную пластину положите бумагу с миллиметровыми делениями.

3. Зажгите спиртовку, внеся в пламя кусок асбеста пропитанный раствором поваренной соли.

4. Расположите спиртовку так, чтобы воздушный зазор между пластинкой и линзой был освещен пламенем спиртовки.

5. При помощи прозрачной стеклянной пластинке направляйте свет на линзу сверху вниз (рис.2а).

6. Измерьте с помощью лупы радиус  интерференционных колец в отраженном свете.

7. Рассчитайте длину световой волны по формуле (1) для светлых колец или по формуле (2) для темных колец.

8. Для наблюдения в проходящем свете под линзу помещают стеклянную пластинку с нанесенными на ней делениями. Свет направляют с помощью зеркала на плоско-параллельную  пластинку снизу вверх (рис.2б).

9. Сравните длины волн полученных в проходящем и в отраженном свете или длины волн рассчитанных по формулам (1) и (2) и сделайте вывод.

Контрольные вопросы.

1.Чем объясняется, что в центре может быть наблюдаемо в отраженном свете вместо темного пятна светлое, если между линзой и пластинкой попадут пылинки?

2.Как изменится картина колец, если между линзой и пластинкой поместить слой жидкости (воды)?

                                                                                                            XXII.      Атомная физика

XXII.1.1              Исследование законов радиоактивного распада.

Цель: изучить закон радиоактивного распада, определить характер изменения активности радиоактивного образца, определить период полураспада, среднее время жизни и постоянную радиоактивного распада, попытаться определить зависимость этих величин от времени  и количества ядер.

Краткие теоретические сведения

Радиоактивностью называют самопроизвольное изменение состава атомного ядра. Это явление было впервые обнаружено в 1896 году Беккерелем для солей урана.

Ядра, подверженные радиоактивным превращениям, называются радиоактивными. В результате распада радиоактивных  ядер могут образовываться как стабильные, не распадающиеся ядра, так и радиоактивные дочерние осколки. В данной работе ограничимся случаем простого распада, тем более, что каскадный распад можно рассматривать как простой распад с образованием ядер другого сорта, распад которых можно рассмотреть отдельно, и для него будет справедливо все, сказанное для простого распада.

Радиоактивный распад – явление статистическое. Все предсказания, которые могут быть сделаны на основе его законов, носят принципиально вероятностный характер. Это обусловлено тем, что распад по сути является чисто квантово-механическим явлением – так называемым туннельным просачиванием частиц через потенциальный барьер, удерживающий их в ядре. Нельзя сказать какие именно ядра распадутся за рассматриваемое время, но можно практически с полной достоверностью предсказать, сколько в среднем ядер распадется за это время. Например, в случае радона половина первоначального числа ядер распадается за 3,8 дня. Это вероятностное предсказание будет выполняться тем точнее, чем с большим количеством ядер радона имеют дело.

Вероятность распада ядра за единицу времени называется постоянной радиоактивного распада ядер данного сорта. Это значит, что из N имеющихся в наличии ядер распадается N, а за время dt–Ndt ядер. Величину, описывающую количество радиоактивных распадов в единицу времени называют активностью источника:

                                  (1)

В международной системе единиц применяется единица радиоактивности – Беккерель (Бк). 1Бк=1 распад/сек. Помимо этой единицы довольно широко используется единица, равная активности одного грамма изотопа радия Ra, получившая название Кюри (Ки). 1 Ки=3,7×10 Бк.

Постоянная распада практически не зависит от внешних условий (температуры, давления и т. п.). Это объясняется тем, что радиоактивные превращения происходят внутри ядра. Постоянная распада не зависит также и от времени, поскольку ядра не стареют, а их распад является как бы «несчастным случаем».

По определению активности за время dt распадается dN ядер:

                           (2)

знак «–» указывает на то, что число не распавшихся ядер убывает. Интегрируя

                                           (3)

преобразуя и найдя  постоянную из начальных условий получаем:

                                        (4)

где N₀ – количество ядер в начальный момент времени.

Выражение (4) называют законом радиоактивного распада. Смысл его заключается в том, что количество ядер радиоактивного элемента убывает экспоненциально с течением времени.

Назовем время, в течение которого распадается половина первоначального чиста ядер, периодом радиоактивного распада T, тогда

     (5)

    или                    (4*)

Таким образом, закон радиоактивного распада может быть записан в виде (4*).

Можно ввести и так называемое среднее время жизни радиоактивных ядер.

Число ядер распавшееся за время dt равно N(t)×dt, но каждый из них уже прожил время t, значит их суммарное время жизни равно t×l×N(t) ×dt. Сумма времени жизни всех ядер равна

разделив на общее количество ядер получим искомое среднее время жизни одного ядра:

                        (6)

Подставив в (5), получим связь периода полураспада со средним временем жизни:

                                          (7)

Покажем также, что активность радиоактивных веществ убывает экспоненциально.

Так как по определению  найдем производную от выражения (4):

                                  (8)

Ход   работы

Запустите программу NUCLER.EXE в работу. Просмотрите подсказку и опробуйте пользование программой.

Определение периода полураспада.

1. Подготовьте таблицу 1., задайте количество ядер порядка 1000 и запустите модель. Время каждого очередного полураспада занесите в таблицу 1. Измените начальное количество ядер и повторите серию измерений.

Серия опытов		1	2	3	4
1,  N0=	Время очередного полураспада
2,  N0=

2. Вычитая из последующего времени полураспада время предыдущего полураспада, рассчитайте 6-8 значений периодов полураспада, рассчитайте среднее и оцените погрешность. Скопируйте один из экспериментальных графиков, выберете на нем 8-10 точек, их координаты занесите в таблицу 2, по ней постройте график Ln N(t).

N
t
Ln N

 

Исследование зависимости активности от времени.

3. Скопированный график N(t) аппроксимируйте несколькими (>8) отрезками ломанной линии как показано на рисунке.

Времена t₁, t₂, t₃… являются серединами отрезков Δt₁, Δt₂, Δt₃… Так как

так можно рассчитать активности.

Заполните таблицу 3, по ней постройте график   от t.

t
ΔN
Δt
ΔN/Δt
Ln(ΔN/Δt)

Проанализировав зависимости Ln N(t) и Ln(dN/dt) от t, сделайте выводы о характере зависимостей N(t) и dN/dt.

Программа с распадом каждого ядра издает щелчок. Как можно качественно оценить изменение на слух?

5. Пронаблюдайте распады  »100 ядер и для »1000 ядер. Сравните зависимости N(t) с соответствующими теоретическими. О каких (статистических или детерминированных) свойствах закона радиоактивного распада можно судить по такому сравнению? Какой вид будет иметь зависимость N(t) для N₀, имеющего порядок числа Авогадро?

6. По определенному среднему значению периода полураспада рассчитайте среднее время жизни и постоянную радиоактивного распада для этого сорта ядер. Меняются ли они в процессе эксперимента?

Ответы на все вопросы задания запишите. Перед отчетом подготовьте ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

1. Какова вероятность распада ядра в течение единицы времени в выполненной вами работе? Зависит ли эта вероятность от времени?

2. Можно ли предсказать, когда распадется данный конкретный атом? Можно ли предсказать за какое время распадутся N ядер?

3. Как зависят отклонения от закона радиоактивного распада от количества ядер? Каковы границы применимости этого закона?

4. Как по концентрации радиоактивных изотопов (например, углерода) оценить возраст каких-либо тел, имеющих земное происхождение?

XXII.1.2              Исследование естественной радиоактивности продуктов питания

Цель: исследование на радиоактивность приобретаемых или хранящихся дома продуктов питания.

Оборудование: дозиметр, сыпучие продукты питания.

Краткие теоретические сведения

Все живые существа на нашей планете находятся под влиянием естественного радиационного фона. Он складывается не только из радиоактивного излучения горных пород и космических лучей, но и радиационного излучения веществ, поступающих вместе с пищей в организм человека.

Естественную радиоактивность продуктов питания измеряют в беккерелях на килограмм (Бк/кг). В пищевой промышленности за единицу удельной активности в СИ принята активность препарата, в котором происходит один распад в секунду, отнесенный к единице массы в 1 кг. Это и есть 1 Бк/кг. Из-за исключительной малости такая единица измерения используется сравнительно редко. Широкое применение имеет внесистемная единица — 1 кюри (Ки). 1 Ки 3,7.1010 Бк. Удельную радиоактивность измеряют в единицах кюри на килограмм (Ки/кг).

В табл. II приведен список некоторых продуктов питания с указанием их естественной радиоактивности.

К естественной радиоактивности прибавляется радиоактивность техногенная. Обычно техногенное излучение (вернее, его носители) разносится по большим площадям и, как правило, не представляет опасности для внешнего облучения человека. Однако, попадая в организм человека по пищевому тракту и дыхательным путям, оно может сказаться весьма заметно на его здоровье. (Вот почему санэпцдемстанции не оставляют без внимания даже сравнительно слабое радиационное излучение продуктов, продаваемых на рынке.)

Ход   работы

1.                           Настройте дозиметр на режим оценки объемной активности радионуклидов в пробах (т.е. суммируйте средние значения на дисплее после двукратного срабатывания таймера в течение 10 мин).

2.                           Согласно регламенту предложенного режима проведите измерения вначале фоновой активности, затем суммарной активности вместе с исследуемым продуктом. Рассчитайте активность продукта по формуле, приведенной в табл. III, и результат занесите в эту таблицу.

(Примечание. Числа в строках 1 и 2 табл. III -  это результаты измерений автора. Они приведены в качестве примера, и у вас они могут быть другими.)

К₁ — коэффициент перевода активности продукта из Бк/кг в Ки/кг.

К₂ — коэффициент относительной биологической эффективности  (ОБЭ) для a-частиц. Число в колонке под этим коэффициентом представляет собой вероятностные числа, полученные путем умножения активности продукта на коэффициент ОБЭ 20 (это при внутреннем потреблении продукта).

3.                           Полученные вами экспериментальные результаты сравните с числами табл. III. (Полная таблица приведена в книге Ю.А.Виноградова «Радиолюбительские конструкции в системах контроля и защиты». — М.: Солон-Р, 2001. — С. 117.) Сделайте предварительные выводы о наличии радионуклидов в потребляемых вами продуктах (окончательные выводы де- лают только специалисты СЭС).

                                                                                                                    XXIII.      Литература

1.           Анциферов, Л.И. Практикум по физике в средней школе [Текст] / Л.И.Анциферов, В.А.Буров, Ю.И.Дик, Б.С. Зворыкин, О.Ф. Кабардин, В.А. Кубицкий, И.М. Румянцев, В.П. Яковлев // Дидактический материал: Пособие для учителя / Л.И.Анциферов, В.А.Буров, Ю.И.Дик, Б.С. Зворыкин, О.Ф. Кабардин, В.А. Кубицкий, И.М. Румянцев, В.П. Яковлев.  М.: Просвещение, - 1987. –  С. 191.

2.           Буров, В.А. и др. Практикум по физике в средней школе [Текст] / В.А. Блинова, Б.С. Зворыкин, С.Ф. Кабанов, А.А. Покровский, И.М. Румянцев, В.П. Яковлев // Пособие для учителей / В.А. Блинова, Б.С. Зворыкин, С.Ф. Кабанов, А.А. Покровский, И.М. Румянцев, В.П. Яковлев. М: Просвещение, 1973. С. 255.

3.           Все образование Интернета [Электронный ресурс] // http://www.alledu.ru

4.           Гершензон, Е. М. Оптика и атомная физика [Текст] / Е. М. Гершензон, Н. Н. Малов, В. С. Этнин //Курс общей физики / Е. М. Гершензон, Н. Н. Малов, В. С. Этнин. М.: Просвещение. - 1981. - С. 61-92.

5.           Груздев, Ю.В. Физический практикум: учебное пособие [Электронный ресурс] // http: // genphys.physmsu.su/rus/lab/

6.           Иродов, И.Е. Волновые процессы. [Текст] / Иродов И.Е. // Волновые процессы. Основные законы // Иродов И.Е. М.: Лаборатория Базовых Знаний. - 1999. – С. 235.

7.           Покровский, А.А. Электричество [Текст] / А.А. Покровский, В.А. Буров, А.И. Глазырин, А.Г. Дубов, Б.С. Зворыкин, И.М. Румянцев //Практикум по физике в средней школе. Пособие для учителя / А.А. Покровский, В.А. Буров, А.И. Глазырин, А.Г. Дубов, Б.С. Зворыкин, И.М. Румянцев. М.: Просвещение. – 1963. – С.139

8.           Резник, Л.И. Физическая оптика в средней школе [Текст] / Л.И. Резник, С. В. Степанов, В. Е. Евстигнеев // Физическая оптика в средней школе // Резник Л.И. М.: Просвещение.  -1971. – С. 263.

9.           Степанов, С. В. Ученический эксперимент по физике. [Текст] / С. В. Степанов, В. Е. Евстигнеев // Ученический эксперимент по физике. Методические рекомендации к лабораторным работам по геометрической и волновой оптике. Степанов, С. В. – М.: ФРУП « ЦЕНТР МНТП » - 2003. – С.  23, 25.

                                                                                                                   XXIV.      Приложение

XXIV.1.1          Техника безопасности для учащихся в кабинете физики

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Директор школы, его заместитель по учебно-воспитательной работе, заведующий лабораторией и учитель физики обязаны обеспечить безопасные условия труда в лабораториях и несут личную ответственность за нарушение правил техники безопасности и производственной санитарии.

Заведующий кабинетом (лабораторией) физики и учитель физики:

а) обеспечивают безопасное состояние рабочих мест, приборов, оборудования, инструментов;

б) ведут паспорт на кабинет (лабораторию) физики и имеющиеся в нем оборудование и приборы;

в) систематически проводят инструктаж учащихся по технике безопасности.

Инструкция по технике безопасности, разработанная заведующим лабораторией с учетом местных особенностей, согласованная с местным кабинетом профсоюза и утвержденная директором школы, должна находиться в лабораториях физики на видном месте.

ОПАСНОСТИ В РАБОТЕ

Неаккуратность, невнимательность, недостаточное знакомство с приборами и незнание правил техники безопасности могут повлечь за собой несчастные случаи.

При проведении лабораторных работ или демонстраций пользоваться разбитой или стеклянной посудой с трещинами запрещается. Во всех опытах, требующих нагнетания или откачивания воздуха из стеклянных сосудов, а также повышения в них давления путем нагревания, необходимо применять защитные чехлы или экраны из органического стекла (для защиты учащихся), а также защитные очки или маски для демонстратора. Осколки стекла со стола нельзя стряхивать руками. Для этого необходимо использовать щеточку и совок. Таким же образом необходимо стряхивать металлические опилки, используемые при наблюдении магнитных спектров.

Для предотвращения несчастных случаев приборы на демонстрационном столе следует размещать таким образом, чтобы во время опытов исключить всякую возможность попадания отлетевших деталей в учащихся, для чего следует применять защитные экраны из органического стекла.

ДО НАЧАЛА РАБОТЫ

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

ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ

1. Будьте внимательны, дисциплинированны, осторожны, точно выполняйте указания учителя.

2. Не оставляйте рабочее место без разрешения учителя.

3. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.

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

5. Производите сборку электрических цепей, переключения в них, монтаж и ремонт электрических устройств только при отключенном источнике питания.

6. Не включайте источники электропитания без разрешения учителя.

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

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

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

ПОСЛЕ ОКОНЧАНИЯ РАБОТЫ

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

* Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источни и электропитания и сообщите об этом учителю.

XXIV.1.2          Техника электробезопасности в кабинете физики

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Приборы, используемые учащимися, должны иметь ограничивающие устройства, исключающие возможность поражения электротоком.

Корпуса приборов, где это необходимо, должны заземляться.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

* В качестве заземления использовать отопительные трубы.

* Оставлять без присмотра работающие электронагревательные приборы.

* Во время опытов держать на столе посторонние предметы.

ДО НАЧАЛА РАБОТЫ

* Необходимо тщательно ознакомиться с описанием приборов , и прежде чем включить прибор в цепь, проверить соответствует ли напряжение в сети тому, на которое рассчитан прибор.

* Используемые приборы должны быть исправны, отрегулированы, содержаться в чистоте и регулярно проверяться.

ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ

* Приборы нельзя оставлять у края стола. Их необходимо располагать таким образом, чтобы было удобно вести измерения, не перегибаясь через них или соединительные провода.

* Для включения и выключения тока в цепи необходимо использовать выключатели и только ими прерывать ток. Все розетки, щитки, вилки не должны иметь трещин, сколов и т.д.

* Отвертки, кусачки, плоскогубцы должны иметь изолированные ручки.

* Наличие напряжения в цепи можно проверять только приборами.

* При опытах с сильными магнитными полями необходимо снять с руки часы.

ПОСЛЕ ОКОНЧАНИЯ РАБОТЫ

* Немедленно выключить электроприборы.

* Отключение силовой линии кабинета физики осуществляется одним общим выключателем учителем.

XXIV.1.3          Техника безопасности при работе со стеклянной посудой в кабинете физики

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

* Ни один прибор нельзя использовать без проверки учителем.

* Следует помнить, что стекло обладает хрупкостью, легко ломается и трескается при ударах, резком изменении температуры.

ОПАСНОСТИ В РАБОТЕ

* Ожоги рук при неосторожном обращении со стеклянными трубками, стаканами, колбами и др. хим.посудой, нагретой до высокой температуры.

* Ранение рук и лица при разрыве сосудов или приборов при нарушении правил применения изделий из стекла.

ДО НАЧАЛА РАБОТЫ

* При сборке стеклянных приборов соединением отдельных частей их с помощью резиновых трубок, а также при других работах со стеклом необходимо защищать руки полотенцем.

* Концы стеклянных трубок и палочек для размешивания растворов или др. целей должны быть оплавлены, чтобы не поранить руки.

ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ

* Все виды механической и термической обработки стекла следует производить с использованием предохранительных очков.

* Сосуд с горячей жидкостью нельзя закрывать притертой пробкой до тех пор, пока он не остынет.

* Перенося сосуды с горячей жидкостью. следует брать их руками, защищенными полотенцем, большой сосуд при этом следует держать одной рукой за дно, другой - за горлышко.

* При смешении или разбавлении веществ, сопровождающихся выделением тепла, следует пользоваться фарфоровой или термостойкой тонкостенной химической посудой.

* Большие химические стаканы следует поднимать двумя руками, чтобы отогнутые края стакана упирались на указательные и большие пальцы.

* Работу с ядовитыми огне- и взрывоопасными веществами следует вести в приборах или посуде высококачественного ,термически стойкого стекла.

* Нагревая жидкость в пробирке, необходимо держать ее так, чтобы отверстие пробирки было направлено в сторону от себя и соседей по парте.

* При обрезании куска стеклянной трубки надо сделать на ней подрез напильником или др. инструментом, после чего взять трубку обеими руками и легким нажатием в противоположном подрезу направлении сломать ее.

ПОСЛЕ ОКОНЧАНИЯ РАБОТЫ

* Тщательно вымойте руки с мылом.

* При обнаружении каких-либо неисправностей в состоянии используемых вами приборов поставьте в известность учителя.

* Соблюдайте правила личной гигиены. При неопрятном состоянии рук под ногтями могут скапливаться вреднодействующие вещества, которые при попадании с пищей в организм приводят к отравлению.

XXIV.1.4          Техника безопасности при работе с нагревательными приборами по физике

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Каждый демонстрационный опыт и лабораторное занятие должно быть тщательно подготовлено и продумано в отношении мер безопасности, а при проведении учитель должен показывать пример точного соблюдения правил техники безопасности.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ

Оставлять без присмотра работающие электронагревательные приборы.

Использовать неисправные электронагревательные приборы.

XXIV.1.5          Техника безопасности во время экскурсий на уроках физики

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

* В качестве объекта экскурсии выбираются цехи, участки, установки, которые обеспечивают полную безопасность экскурсии.

* Место проведения экскурсии, маршрут следования, объекты демонстрации, день и время экскурсии, согласуются представителем школы с администрацией объекта экскурсии и оформляются служебной запиской с подписями директора школы и представителя предприятия.

* Руководителями экскурсии назначаются: от школы - учитель физики; от предприятия - руководитель или заместитель руководителя предприятия.

* Руководители экскурсии должны хорошо знать объект экскурсии, иметь квалификационную группу по технике безопасности не ниже III для установок свыше 1000 В, подтвержденную удостоверением установленной формы.

* Ответственность за охрану жизни и здоровья учащихся во время экскурсии несут директор школы, учитель, руководитель объекта экскурсии.

* Руководители экскурсии должны вести постоянный надзор за учащимися во время проведения экскурсии на территории объекта.

* Перед каждой экскурсией учащиеся должны быть ознакомлены с общей характеристикой объекта экскурсии, маршрутом следования и мерами предосторожности, соблюдение которых необходимо при проведении экскурсии.

* Число учащихся, одновременно не должно превышать 25 человек и согласовываться с руководителем экскурсии от предприятия.

* Допущенные к экскурсии должны быть соответственно одеты, не иметь при себе предметов, создающих опасность при проведении экскурсии.

* Во время проведения экскурсии учащимся запрещается проводить какие-либо воздействия на объекты экскурсии без разрешения руководителя.

* Запрещается проведение экскурсии на открытых или закрытых распределительных устройствах во время грозы, дождя, тумана, в ночное время суток.

* В случае аварийной ситуации на месте экскурсии учащиеся выводятся руководителями экскурсии в заранее выбранное безопасное место. При несчастном случае пострадавшему оказывается первая помощь.

* После окончания экскурсии руководители выводят учащихся с объекта и проверяют наличие учащихся по списку.

* Правила проведения экскурсии на предприятия с установками напряжением до 1000 В.

* При проведении экскурсии на объекты с электроустановками напряжением до 1000 В последние могут демонстрироваться учащимся в режиме коммутации.

* Демонстрация электроустановок в режимах коммутации (включение, отключение, изменение режимов работы, может производиться только руководителем экскурсии, работающем на данном предприятии.

* Все электроустановки, на которых производится монтаж, ремонт, отладка, испытание во время проведения экскурсии должны иметь ограждения, обеспечивающие безопасность проведения экскурсии.

* Проведение экскурсии в помещениях с аккумуляторными установками разрешается только при нормально действующей вентиляции.

* Правила проведения экскурсии на предприятия с установками напряжением выше 1000 В.

* Экскурсии на объекты с установками напряжением выше 1000 В допустимы только после оформления специального разрешения за подписью руководителя объекта экскурсии.

* Число учащихся, одновременно участвующих в экскурсии на закрытых или открытых распределительных устройствах с напряжением выше 1000 В должно быть не более 5 человек, а продолжительность экскурсии не более 30 минут.

* При экскурсиях в помещения электроустановок, где расположена низковольтная аппаратура дистанционного управления, мнемосхемы число учащихся одновременно участвующих в экскурсии, должно быть не менее 25 человек, а продолжительность экскурсии не более часа.

* Запрещается проводить экскурсии на установки с напряжением выше 1000 В во время их ремонта.

* Запрещается демонстрация оборудования во время производства оперативных переключений.