Инструкции к лабораторным работам по физике

Министерство образования и науки Самарской области

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Самарской области

«Губернский техникум м.р. Кошкинский»

Инструкции для выполнения лабораторных работ

по дисциплине

ОУДП.14 Физика

для лиц, обучающихся по программам подготовки

квалифицированных рабочих, служащих

по профессии  23.01.03  Автомеханик

1-2 курс

Составила преподаватель Якимова Э.К. на 

  основе примерной программы

для реализации   основной профессиональной

                     образовательной программы     СПО

на базе основного общего образования

                                                                             с получением среднего общего образования

Протокол № 3 от 21 июля 2015 г.,ФГАУ «ФИРО»

с. Кошки

2015/2016 уч. год

Инструкции к лабораторным работам.

Физика – наука экспериментальная. Все виды эксперимента – демонстрационный, фронтальный и домашний – имеют несомненную дидактическую и воспитывающую значимость. Особенно велика роль лабораторного практикума, т.к. именно на этих занятиях учащиеся обобщают и систематизируют изученный материал, самостоятельно выполняя лабораторный эксперимент. В практикум включены работы, которые позволят повторить, углубить и обобщить основные вопросы пройденного курса.

Задачи практикума

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

2.         Обучить методам и технике проведения самостоятельных физических исследований.

3.         Повторить и углубить пройденный материал.

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.

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 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.

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

 В ней напоминается о необходимость соблюдения техники безопасности при выполнении лабораторных работ и заполнении журнала ТБ.

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

Выполнение работы

При выполнении работы вначале следует ознакомиться с приборами.  Далее следует провести предварительный опыт с тем, чтобы пронаблюдать качественно изучаемое явление, оценить, в каких пределах находятся измеряемые величины. После проведенной подготовки можно приступать к измерениям. Следует помнить, что всякое измерение, если только это возможно сделать, должно выполняться больше, чем один раз.

Измерение - это нахождение числового значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений (линейки, вольтметра, часы и т.д.).

Измерения могут быть прямыми и косвенными.

Прямое измерение - это нахождение числового значения физической величины непосредственно средствами измерений.

Косвенное измерение - это нахождение числового значения физической величины по формуле, связывающей искомую величину с другими величинами, определяемыми прямыми измерениями.

Измерения, никогда не могут быть выполнены абсолютно точно. Результат любого измерения приближенный. Неопределенность в измерении характеризуется погрешностью - отклонением измеренного значения физической величины от ее истинного значения.

Абсолютные и относительные погрешности

Для количественной оценки качества измерений вводят понятия абсолютной и относительной погрешностей измерений. Любое измерение дает лишь приближенное значение физической величины, однако можно указать интервал, который содержит ее истинное значение:

А_пр- ΔА < А_ист<А_пр+ ΔА

Величина ΔА называется абсолютной погрешностью измерения величины А. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Абсолютная погрешность равна модулю максимально возможного отклонения значения физической величины от измеренного значения. А_пр- значение физической величины, полученное экспериментально, если измерение проводилось многократно, то среднее арифметическое этих измерений.

Но для оценки качества измерения необходимо определить относительную погрешность ε.

ε = ΔА/А_пр или ε = (ΔА/А_пр) · 100%.

В лабораториях физического практикума рекомендуется проводить измерения с относительной погрешностью до 10%.

Инструкция по охране труда и техники безопасности

для обучающихся и студентов в кабинете физики

1.Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняй­те указания преподавателя.

2.           Размещайте приборы, материалы, оборудование на своем рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание.

3.          Перед выполнением работы необходимо внимательно изу­чить ее содержание и ход выполнения.

4.           Для предотвращения падения при проведении опытов стеклянные сосуды (пробирки,. колбы) осторожно закрепляйте в лапке штатива.

5.          При проведений опытов не допускайте предельных нагру­зок измерительных приборов. При работе с приборами из стекла соблюдайте особую осторожность. Не вынимайте термометры из пробирок с затвердевшим веществом.

6.          Следите за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях. Не прикасайтесь и не наклоняйтесь (осо­бенно с неубранными волосами) к вращающимся частям машин.

7.          При сборке экспериментальных установок используйте про­вода (с наконечниками и предохранительными чехлами) с прочной изоляцией без видимых повреждений.

8.     При сборке электрической цепи избегайте пересечения проводов, запрещается пользоваться проводниками с изношенной изоляцией и выключателями открытого типа (при напряжении выше 42 В).

10.            Источник тока к электрической цепи подключайте в послед­нюю очередь. Собранную цепь включайте только после провер­ки и с разрешения преподавателя Наличие напряжения в цепи можно проверить  только   приборами   или  указателями   напряжения.

11.            Не прикасайтесь к находящимся под напряжением эле­ментам цепей, лишенным изоляции. Не производите пересоедине­ний в цепях и смену предохранителей до отключения источника электропитания.

12.            Следите за тем, чтобы во время работы случайно не коснуться вращающихся частей электрических машин. Не про­изводите пересоединений в электроцепях машин до полной оста­новки якоря или ротора машины.

13.            Не прикасайтесь к корпусам стационарного электрообо­рудования, к зажимам отключенных конденсаторов.

14.           Пользуйтесь   инструментами   с   изолирующими   ручками.

15.           По окончании работы отключите источник электропита­ния, после чего разберите электрическую цепь.

16.           Не оставляйте рабочего места без разрешения преподавателя.

17.           Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом преподавателя.

18.           Для присоединения потребителей к сети пользуйтесь штеп­сельными соединениями.

19.           При ремонте и работе электроприборов пользуйтесь розет­ками, гнездами, зажимами, выключателями с невыступающими контактными поверхностями.

Оценка по выполнению лабораторных работ

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 обучающимся 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 преподаватель  вносит в тетрадь свои исправления или замечания, а затем ставит общую оценку, принимая во внимание всю практическую работу вцелом. 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

При оценке лабораторных работ учитываются умения:

·         планировать проведение опыта;

·         собирать установку по схеме;

·         пользоваться измерительными приборами;

·         проводить наблюдения, снимать показания измерительных приборов, составлять таблицы зависимости величин и строить графики;

·         оценивать и вычислять погрешности измерений;

·         составлять краткий отчет и делать выводы по проделанной работе.

Оценка лабораторных работ:

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

·         выполнил работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений;

·         самостоятельно и рационально смонтировал необходимое оборудование, все опыты провел в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов; соблюдал требования безопасности труда;

·         в отчете правильно и аккуратно выполнял все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графика, вычисления;

·         правильно выполнил анализ погрешностей

Оценка «4» ставится в том случае, если были выполнены требования к оценке «5», но учащийся допустил недочеты или негрубые ошибки

Оценка «З» ставится, если результат выполненной части таков, что позволяет получить правильные выводы, но в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

Оценка «2»ставится, если результаты не позволяют сделать правильных выводов, если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Оценка «1» ставится в тех случаях, когда учащийся совсем не выполнил работу.

 Во всех случаях оценка снижается, если ученик не соблюдал требования безопасности  труда.

Лабораторная работа № 1: « Исследование силы трения»

Цель: Исследовать от чего зависит  сила трения.

Оборудование: брусок деревянный, дощечка деревянная, линейка, динамометр, набор грузов, материалы с разными поверхностями.

Теория

                   Великий итальянский художник, скульптор и ученый Леонардо да Винчи проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников: он таскал по полу, то плотно свитую веревку, то ту же веревку во всю длину. Его интересовал ответ на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающихся в движении тел? Механики того времени были глубоко убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. Они рассуждали примерно так: чем больше таких точек, тем больше сила трения. Совершенно очевидно, что на большей поверхности будет больше таких точек касания, поэтому сила трения должна зависеть от площади трущихся тел.

Леонардо да Винчи усомнился и стал проводить опыты. И получил потрясающий вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся тел. Попутно Леонардо да Винчи исследовал зависимость силы трения от материала, из которого изготовлены тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения и от степени гладкости или шероховатости их поверхностей.

Он получил следующие результаты:

1) от площади не зависит;

2) от материала не зависит;

3) от величины нагрузки зависит (пропорциональна ей);

4) от скорости скольжения не зависит;

 5) зависит от шероховатости поверхностей.

Укажите, какие физические величины подлежат прямому измерению для исследования зависимости силы трения от площади трущихся поверхностей.

Выполнение работы:

1.Повторите основные сведения о силе трения, силе упругости и весе тела.

2. Задание 1. Определить зависимость силы трения от нагрузки тела.

Определим массу бруска и груза из набора.

           Зацепив крючок динамометра за крючок бруска, приведем их в равномерное движение по линейке (или поверхности стола), измерим силу тяги. Заметим, что во время движения бруска указатель динамометра колеблется, поэтому за результат измерения принимаем среднее значение положения указателя между его крайними отклонениями. Результат измерения занесем в таблицу.

              Нагружая брусок одним, двумя и тремя грузами, измерим в каждом случае силу трения. Данные занесем в таблицу.

Испытуемое тело	Масса тела, кг	Сила тяжести, Н	Сила трения , Н
Брусок с одним грузом
Брусок с двумя грузами
Брусок с тремя грузами

Вывод: От нагрузки  сила трения …

Задание 2. Определить зависимость силы трения от площади поверхности

Изьмерим длину, ширину и высоту бруска и вычислим площадь основания  бруска.

 А = _______см ;   В =________см ;            С =_________см

Sосн =____________см²

Теперь таким же способом измерим площадь боковой стороны.

а =________см;   в = _______см;    с = ____________см

S бок = ___________см²

2.  Положим брусок боковой гранью на линейку и измерим силу трения

F =____Н

3. Положим брусок основанием на линейку и измерим силу трения

 F =____Н

Вывод: От площади поверхности сила трения ….

Задание 3. Определить зависимость силы трения от поверхности, по которой движется тело.

Показание динамометра при движении бруска по дереву

 __________Н.

Показание динамометра при движении бруска по шершавой поверхности         _ __________Н.

Показание динамометра при движении бруска по поверхности парты. _____________Н.

Вывод: от шероховатости, от вида поверхности...

Лабораторная работа № 2: « Изучение закона сохранения механической энергии.»

Цель работы:    

сравнить изменения потенциальной энергии груза и потенциальной энергии пружины.

Оборудование:

штатив с муфтой и зажимом, динамометр с фиксатором, груз, прочная нить, измерительная лента или линейка с миллиметровыми делениями.

Описание работы.

Груз весом Р привязывают на нити к крючку пружины динамометра и, подняв на высоту h₁ над поверхностью стола, отпускают.

Измеряют высоту груза h₂ в момент, когда скорость груза станет равной нулю (при максимальном удлинении пружины), а также удлинение х пружины в этот момент. Потенциальная энергия груза уменьшилась на |ΔEгр| = P(h₁–h₂), а потенциальная энергия пружины увеличилась на

, где k - коэффициент жесткости пружины, х — максимальное удлинение пружины, соответствующее наинизшему положению груза.

Поскольку часть механической энергии переходит во внутреннюю вследствие трения в динамометре и сопротивления воздуха, отношение

Eпр / |ΔEгр| меньше единицы. В данной работе требуется определить, насколько это отношение близко к единице.

Модуль силы упругости и модуль удлинения связаны соотношением F = kx, поэтому

 , где F — сила упругости, соответствующая максимальному удлинению пружины. Таким образом, чтобы найти отношение Eпр / |ΔEгр|, надо измерить Р, h₁, h₂, F и х.

Для измерения F, х и h₂ необходимо отметить состояние, соответствующее максимальному удлинению пружины. Для этого на стержень динамометра надевают кусочек картона (фиксатор), который может перемещаться вдоль стержня с небольшим трением. При движении груза вниз ограничительная скоба динамометра сдвинет фиксатор, и он переместится вверх по стержню динамометра. Затем, растянув динамометр рукой так, чтобы фиксатор оказался снова у ограничительной скобы, считывают значение F, а также измеряют х и h₂.

ХОД РАБОТЫ:

Соберите установку, изображенную на рисунке.

Привяжите груз на нити к крючку динамометра (длина нити 12-15 см). Закрепите динамометр в зажиме штатива на такой высоте, чтобы груз, поднятый до крючка, при падении не доставал до стола.

Приподняв груз так, чтобы нить провисала, установите фиксатор на стержне динамометра вблизи ограничительной скобы.

Поднимите груз почти до крючка динамометра и измерьте высоту h₁ груза над столом (удобно измерять высоту, на которой находится нижняя грань груза).

Отпустите груз без толчка. Падая, груз растянет пружину, и фиксатор переместится по стержню вверх. Затем, растянув рукой пружину так, чтобы фиксатор оказался у ограничительной скобы, измерьте F, х и h₂.

Вычислите:

 а) вес груза Р = mg;

 б) увеличение потенциальной энергии пружины ;

в) уменьшение потенциальной энергии груза |ΔEгр| = P(h₁ – h₂).

Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

P, H	h1, м	h2, м	F, H	x, м	|ΔEгр|, Дж	Eпр, Дж	Eпр / |ΔEгр|

Найдите значение отношения Eпр / |ΔEгр|. Сравните полученное отношение с единицей и запишите сделанный вывод; укажите, какие превращения энергии происходили при движении груза вниз.

3. Лабораторная работа: « Определение относительной влажности воздуха»

Цель работы: освоить приемы определения относительной влажности воздуха, основанные на использовании  психрометра.

Оборудование

Термометр лабораторный; психрометрическая таблица.

Введение

Чтобы определить относительную влажность воздуха  нужно измерить при одной и той же температуре парциальное давление водяного пара ри давление насыщенного пара р_н:

р_н 100%               

Психрометр собирают, используя термометр, кусочек тонкой ткани, нитку и стакан с водой комнатной температуры. Вначале термометром измеряют температуру воздуха в помещении. Затем его резервуар со спиртом оборачивают 2— 3. раза тканью, кото­рую закрепляют ниткой. Затем ткань смачивают водой и наблю­дают за изменениями показаний термометра. В момент, когда столбик спирта перестанет опускаться, записывают его показа­ние. По результатам двух измерений температуры, используя психрометрическую таблицу, определяют относительную влаж­ность воздуха.

Задания и вопросы дня проверки готовности к выполнению работы

Рассмотрите таблицу «Давление насыщенного водяного пара при различных температурах». Отметьте, с каким интерва­лом приведены в таблице значения температуры пара, в каких единицах указаны значения давления насыщенного пара.

Рассмотрите   «Психрометрическую  таблицу». Определите, с какими интервалами приведены в ней возможные значения температуры воздуха и значения разности температур «сухого» и «влажного» термометров, каково предельное значение этой разности.

Каковы значения максимальной и минимальной относи­тельной влажности воздуха, которые можно определить с по­мощью модели психрометра?

Психрометрическая таблица

Показания сухого термометра, °С	Разность показаний сухого и влажного термометров, °С
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Относительная влажность, %
12	100	89	78	68	57	48	38	29	20	11	-
13	100	89	79	69	59	49	40	31	23	14	6
14	100	89	79	70	60	51	42	34	25	17	9
15	100	90	80	71	61	52	44	36	27	20	12
16	100	90	81	71	62	54	46	37	30	22	15
17	100	90	81	72	64	55	47	39	32	24	17
18	100	91	82	73	65	56	49	41	34	27	20
19	100	91	82	74	65	58	50	43	35	29	22
20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24
21	100	91	83	75	67	60	52	46	39	32	26
22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28
23	100	92	84	76	69	61	55	48	42	36	30
24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31
25	100	92	84	77	70	63	57	50	44	38	33

Ход работы

Задание 2. Измерить относительную влажность воздуха с по­мощью модели психрометра.

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

Таблица 2

№ опыта	t, °С	tвл, 0С	Δt, °С	φ, %	φср, %

2. Измерьте температуру воздуха tв помещении.

Опустите термометр в воду и убедитесь, что она имеет комнатную температуру.

Оберните наполненный спиртом резервуар термометра ку­сочком ткани и закрепите его ниткой.

Смочите ткань водой и наблюдайте за изменениями пока­заний термометра. Запишите его показание t_влв тот момент, ког­да столбик спирта перестанет опускаться.

Занесите в таблицу значения температуры, которые пока­зывал термометр до и после того, как его резервуар увлажнили. Вычислите их разность Δt и с помощью психрометрической таб­лицы (табл. 2) определите относительную влажность φ воздуха в классе.

7. Повторите опыт 3—4 раза и определите среднее значение искомой величины φ_ср.

8. При наличии в классе психрометра определите относите­льную влажность воздуха с его помощью. Сравните результаты, полученные при выполнении заданий 1 и 2, со значением отно­сительной влажности, определенной психрометром. Сделайте вывод о том, какой из двух способов, используемых в работе, дает более достоверные результаты.

Контрольные вопросы

 Могут ли в ходе опытов температуры «сухого» и «влажного» термо­метров оказаться одинаковыми?

 Может ли температура «влажного» термометра оказаться выше тем­пературы «сухого»?

 Каким может быть предельное значение относительной влажности
воздуха?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.: «ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ»

Цель работы: определить как значение сопротивления зависит от вида соединения.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.

Если состояние проводника остается неизменным (не меняется его температура и так далее), то для каждого проводника существует зависимость между напряжением U, приложенным к концам проводника, и силой тока I в нем: I=f(U). Эта зависимость называется вольт - амперной характеристикой данного проводника.

Для многих проводников, в особенности для металлов, эта зависимость особенно проста – сила тока пропорциональна приложенному напряжению:

I=kU                                                      (1)

Этот закон носит название закона Ома.

Коэффициент пропорциональности k называется электропроводностью проводника, а величина, обратная электропроводности – электрическим сопротивлением. Если обозначить сопротивление через R, то

R=I/U                                                    (2)

Электропроводность и сопротивление зависят от рода вещества проводника, от его геометрических размеров и формы, а также от состояния проводника.

Если несколько проводников соединить последовательно (рис. 1а) то его общее сопротивление будет равно сумме каждого сопротивления, то есть например для n проводников

R_общ=R₁+R₂+...+R_n                            (3)

Если несколько проводников соединены параллельно (рис. 1б), то общее сопротивление вычисляется по формуле:1/Rобщ=Σ (1/Rn)                                            (4)

 

                                                а                                                                             б

Рисунок 1.

ВНИМАНИЕ! СОБРАННУЮ СХЕМУ ВКЛЮЧАТЬ ТОЛЬКО ПОСЛЕ ПРОВЕРКИ ЕЕ ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ.

Собрать схему, показанную на рисунке 2, в качестве R использовать R₁. При сборке схемы обращайте внимание на полярность блока питания и измеряемых приборов.

                               A

                        БП                                                             V

                                                                                              R

Рисунок 2.

Показать схему преподавателю после чего включить блок питания на 4,5 В. Записать показания амперметра и вольтметра. Переключить напряжение питания на следующее и снова записать показания приборов. По формуле (2) вычислить значения R₁.

2) Повторить измерения  для сопротивлений R₂, R₃, R₄.

ВНИМАНИЕ! ВСЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СХЕМЕ ПРОИЗВОДИТЬ ТОЛЬКО ПРИ ВЫКЛЮЧЕННОМ ПИТАНИИ.

3) Измерить сопротивление параллельного соединения следующих проводников: а)R1+R2, б)R1+R2+R3, в)R1+R2+R3+R4. Сравните полученные данные с расчитанными по формуле (4).

4) Измерить сопротивление последовательного соединения следующих проводников: а)R1+R2, б)R1+R2+R3, в)R1+R2+R3+R4. Сравните полученные данные с расчитанными по формуле (3).

Вывод:…….

Лабораторная работа № 5: «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»

Цель работы: изучить метод измерения электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока, основанный на использовании вольтметра, амперметра и реостата.

Введение

К источнику тока с ЭДС  и внутренним сопротивлением rподключают в качестве внешнего сопротивления реостат и дваж­ды измеряют силу тока и напряжение при различных его сопро­тивлениях. Как следует из закона Ома для замкнутой цепи  и закона Ома для участка цепи , при сопротивлении реостата R₁ будет выполняться равенство:

(1)

Аналогично при сопротивлении реостата R₂:

(2)

Значения I₁, I₂, U₁, U₂определяют по показаниям приборов в ходе проведения опыта.

Система двух уравнений (1) и (2) содержит две неизвестные величины ε и r. Решая ее относительно этих неизвестных полу­чают расчетные формулы для определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока:

         (3) и        (4)

Оборудование

Источник постоянного тока,

амперметр лабора­торный,

вольтметр лабораторный,

лабораторный реостат,

ключ,

соединительные провода.

Описание экспериментальной установки

Схема электрической цепи экспериментальной установки показана на рис. 16.

Перед монтажом цепи ползун реостата переводят в такое по­ложение, при котором его сопротивление максимально.

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

Таблица 1

I1, А	ΔI1, А	U1, В	ΔU1, В	I2, А	ΔI2, А	U2, В	ΔU2, В

Начертите в тетради схему электрической цепи экспери­ментальной установки.

Соберите электрическую цепь.

Убедитесь в том, что ползун реостата находится в положе­нии, при котором сопротивление реостата максимально. Пред­ставьте собранную цепь преподавателю для проверки.

Включите источник тока, замкните ключ и измерьте силу тока I₁ и напряжение U₁.

Отключите цепь от источника и переведите движок рези­стора в среднее положение.

Еще раз замкните ключ и измерьте силу тока I₂ и напряже­ние U₂.

Отключите источник тока от электросети и разберите уста­новку.

Определите, используя формулы (3) и (4), значения ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

Вычислите границы абсолютных погрешностей прямых измерений силы тока и напряжения.

Вычислите границы относительных и абсолютных по­грешностей определения ЭДС и r.

Запишите полученные значения ЭДС и r учетом по­грешностей:

 и

Контрольные вопросы

Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источ­ника тока».

Закрепление:

Почему, определяя пригодность к использованию гальванического
элемента, недостаточно ограничиться лишь измерением его ЭДС?

Лабораторная работа №  6: Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания.

Цель работы: 1) освоить метод измерения мощности, потреб­ляемой электроприбором, основанный на измерении силы тока и напряжения; 2) исследовать зависимость мощности, потребля­емой лампой от напряжения на ее зажимах; 3) исследовать зави­симость сопротивления проводника от температуры.

Оборудование

Выпрямитель ВУ-4,

мультиметр,

лабораторный вольтметр,

ключ,

реостат с сопротивлением обмотки 100 Ом,

лампа накали­вания (3,5 В; 0,25 А),

соединительные провода.

Введение

Работа электрического тока, совершаемая на участке элект­рической цепи, равна

А = UIτ,

где U — напряжение на участке цепи; I— сила тока, протекаю­щего по цепи; τ — время его протекания.

Мощность определяется как работа, совершаемая за единицу времени:

.

Проволочную спираль лампы накаливания можно рассмат­ривать как резистор с определенным сопротивлением.

Если участок цепи содержит резистор, на нем будет происхо­дить необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника резистора. Иными словами резистор, потребляя энергию электрического тока, преобразует ее в тепло. Из закона сохранения энергии следует, что количест­во теплоты Q, которое при этом выделится в проводнике, равно работе электрического токаА:

Следовательно, потребляемая лампой мощность

Р = UI                   (1)

Сопротивление спирали лампы вычисляют на основании за­кона Ома для однородного участка цепи:

                                    (2)

Увеличение внутренней энергии спирали лампы приводит к повышению ее температуры и сопротивления. Зависимость со­противления проводника от температуры имеет вид:

где R₀— сопротивление проводника при 0 °С; α — температур­ный коэффициент сопротивления материала, из которого изго­товлен проводник. (Спираль лампы накаливания изготовлена из вольфрама, его α= 0,0048 К^-1)

Зная сопротивления «нагретого» и «холодного» проводника, а также температурный коэффициент сопротивления материала, из которого он изготовлен, можно определить температуру про­водника:

                               (3)

Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема экспериментальной установки пока­зана на рис. 6.1.

К выходным гнездам выпрямителя подключают электриче­скую цепь, составленную из соединенных последовательно лампы накаливания, реостата и ам­перметра. Амперметром служит мультиметр, переведенный в ре­жим измерения силы постоянного тока. Параллельно лампе подклю­чают лабораторный вольтметр.

Напряжение выпрямителя U, напряжения на реостате U_pи лам­пе U_лсвязаны соотношением

Напряжение на лампе равно разности выходного напряже­ния выпрямителя и напряжения на реостате:

.

Напряжение на выходе выпрямителя в ходе опыта не меня­ется. Для изменения напряжения, приложенного к лампе, меня­ют напряжение на реостате, которое зависит от его сопротивле­ния: чем оно больше, тем больше и напряжение. Напряжение на лампе при этом минимально. Уменьшая сопротивление резисто­ра, уменьшают приложенное к нему напряжение, при этом на­пряжение на лампе увеличивается. Если движок резистора пере­вести в левое по схеме положение, напряжение на нем станет равным нулю, а напряжение на лампе достигнет максимально возможного в условиях опыта значения, равного значению на­пряжения на выходе выпрямителя: U_л = U.

В данном опыте сопротивление спирали лампы при комнат­ной температуре допустимо приравнивать к сопротивлению при 0 °С.

Вопросы и задания для проверки готовности к выполнению работы

В каком положении должен находиться ползун реостата, чтобы напряжение на лампе было минимальным?

Может ли напряжение на лампе при использовании дан­ной установки стать равным нулю?

Запишите формулы для вычисления границ абсолютных погрешностей прямых измерений напряжения и силы тока.

Запишите формулы для расчета границ относительных и абсолютных погрешностей определения мощности лампы, сопротивления и температуры ее спирали.

Ход работы

Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

Таблица 2

№ измерения	U, В	I, А	P, Вт	ΔP, Вт	R, Ом	ΔR, Ом	t, 0С	Δt, 0С

Измерьте мультиметром сопротивление лампы при ком­натной температуре. В дальнейшем это значение сопротивления считать равным R₀.

Подготовьте мультиметр для измерения силы постоянного тока.

Соберите экспериментальную установку по схеме рис. 6.1.

Включите выпрямитель и установите ползун реостата в по­ложение, при котором напряжение на лампе составляет 0,4 В.

Занесите показание мультиметра, соответствующее этому напряжению в таблицу.

Увеличивайте напряжение на лампе с интервалом 0,4 В до максимально возможного и заносите в таблицу показания муль­тиметра, соответствующие каждому значению напряжения.

Вычислите границы абсолютных погрешностей прямых измерений напряжения и силы тока.

Вычислите по формуле (1) мощность, потребляемую лам­пой в те моменты опыта, когда напряжение на ней соответство­вало значениям, указанным в таблице.

Сделайте вывод о том, как изменялось сопротивление спирали лампы при увеличении ее температуры.

Вопросы:

Как объяснить зависимость сопротивления спирали ламы от температуры?

Какие характеристики измерительных приборов должны быть измене­ны и как, чтобы повысить точность измерения мощности рассмотрен­ным способом.

Как объяснить тот факт, что сила тока в лампе изменялась не прямо
пропорционально изменению напряжения?

Лабораторная работа № 7: «Изучение явления электромагнитной индукции»

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный или полосовой, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, реостат, ключ, провода соединительные.

Тренировочные задания и вопросы

1. Индукция магнитного поля – это ______________________________________

характеристика магнитного поля.

2. Запишите формулу модуля вектора магнитной индукции.

В = __________________.

Единица измерения магнитной индукции в системе Си: [В] = []

3. Что такое магнитный поток? _________________________________________

_________________________________________________________________

4. От чего зависит магнитный поток? ____________________________________

_________________________________________________________________

5. В чем заключается явление электромагнитной индукции? _________________

_________________________________________________________________

6. Кто открыл явление электромагнитной индукции и почему это открытие относят к разряду величайших? ______________________________________

__________________________________________________________________

Ход работы

1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.

2. Введите один из полюсов магнита в катушку, а затем на несколько секунд остановите магнит. Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток:

 а) во время движения магнита относительно катушки;

б) во время его остановки.

3. Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку: а) во время движения магнита; б) во время его остановки.

4. Сформулируйте,  при каком условии в катушке возникал индукционный ток.                     

   5. Введите один из полюсов магнита в катушку, а затем с такой же скоростью удалите. (Скорость подберите таким образом, чтобы стрелка отклонялась до половины предельного значения шкалы.)

а) Запишите, каким будет направление индукционного тока. ______________

б) Запишите, каким будет модуль индукционного тока. ________________

6. Повторите опыт, но при большей скорости движения магнита.

а) Запишите, каким будет направление индукционного тока. ______________

б) Запишите, каким будет модуль индукционного тока. __________________

7. Запишите, как скорость движения магнита влияет:

а) На величину изменения магнитного потока.__________________________

__________________________________________________________________

б) На модуль индукционного тока. ____________________________________

__________________________________________________________________

8. Сформулируйте, как зависит модуль силы индукционного тока от скорости изменения магнитного потока.

_________________________________________________________________

9. Соберите установку для опыта по рисунку.

 

1 – катушка-моток,                                                                                                                                                                                                               2 – катушка

10. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток при: а) замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2; б) протекании через 2 постоянного тока; в) изменении силы тока реостатом.

________________________________________________________________________________________________________________________________

11. Запишите, в каких из перечисленных случаев: а) менялся магнитный поток, пронизывающий катушку 1; б) возникал индукционный ток в катушке 1.

__________________________________________________________________________________________________________________________________                                            

    Вывод:

Лабораторная работа № 8:  ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ МОДЕЛИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА

Цель работы. Изучение гармонических колебаний и определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника.

  Приборы и оборудование:1.  математический маятник;2.  линейка;3. электронный секундомер.

Теория

Математический маятник -  идеализированная система, состоящая из материальной точки массой  m,  подвешенной на нерастяжимой, невесомой нити, и колеблющейся под действием силы тяжести (рис.2).

Зная законы колебательного движения, можно опытным путем определить ускорение свободного падения с помощью математического маятника.

Порядок выполнения работы

Модель математического маятника представляет собой металлический шарик небольшого радиуса, подвешенный на длинной нити.

Длина маятника  определяется расстоянием от точки подвеса до центра шарика     ,

, где - длина нити от точки подвеса до места крепления шарика к нити;  -- диаметр шарика. Длина нити  измеряется линейкой, диаметр шарика - штангельциркулем.

Оставляя нить натянутой, отводят шарик из положения равновесия на расстояние, весьма малое по сравнению с длиной нити. Затем шарик отпускают, не давая ему толчка, и одновременно включают секундомер. Определяют промежуток времени t, в течение которого маятник совершает n = 50 полных колебаний. Опыт повторяют с двумя другими маятниками. Полученные экспериментальные результаты () заносят в таблицу.

Номер измерения	,м	t, с	T, с	g, м/с
1.
2.
3.

По формуле        вычисляют период колебания маятника, а по формуле   вычисляют ускорение свободно падающего тела g.Результаты измерений заносят в таблицу. Вычисляют среднее арифметическое из результатов измерения  и среднюю абсолютную ошибку .Окончательный результат измерений и вычислений выражают в виде .

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте определение гармонических колебаний. Напишите уравнение таких колебаний,   изобразите график гармонических колебаний, отметив характерные точки.

3.Укажите, в каких точках траектории тела маятника оно имеет максимальную (для данного колебательного процесса) скорость, потенциальную энергию, кинетическую энергию, ускорение, силу натяжения нити.

4.Как изменится период математического маятника, если изменить его длину, массу колеблющегося тела, амплитуду колебаний?

5.Различаются ли понятия “вес тела” и его “сила тяжести”? Какую физическую величину определяют при взвешивании тела?

6.От каких величин зависит значение ускорения свободного падения? Одинаково ли значение  для тел с различной массой?

7.С помощью какого математического маятника, длинного или короткого, можно измерить значение  с более высокой точностью? Ответ обоснуйте.

Лабораторная   работа № 9: Определение показателя преломления вещества

Цель работы: определение показателя преломления стекла от­носительно воздуха методом построения хода луча сквозь стек­лянную пластину с параллельными гранями.

Оборудование

Стеклянная пластина с параллельными гранями,

булавки (4 шт.),

лист бумаги,

линейка,

тонко отто­ченный карандаш;

стеклянный сосуд;

два плоских стекла, d=35мм (0,035м) с заключенной между ними фотографией (для сохранности фотографии).

Введение

Относительным показателем преломления называют величи­ну, показывающую, во сколько раз скорость света v_xв одной среде больше, чем скорость света v₂в другой:

Определить относительный показатель преломления можно, воспользовавшись законом преломления света:

                  (1)

где α — угол падения луча на границу раздела двух сред; β — угол преломления.

Из (1) следует, что для определения относительного показа­теля преломления вещества необходимо измерить углы и найти отношение их синусов.

Описание экспериментальной установки

Для определения показателя преломления стекла относи­тельно воздуха рассматривают прохождение луча света через стеклянную пластину с параллельными гранями.

Углы непосредственно не измеряют, а находят отношение их синусов. Для этого поступают следующим образом. Коврик из пористого материала накрывают листом бумаги. В центральной части листа размещают прозрачную стеклянную пластину. Ка­рандашом обводят на листе контур ее основания. Пластину вре­менно удаляют с листа. С внешней стороны контура к середине одной из его параллельных сторон до пересечения с ней прово­дят прямую, наклоненную к этой стороне под углом 20—30°. В эту прямую втыкают две булавки на расстоянии 5—7 см одна от другой, причем одну из булавок втыкают в точку пересечения прямой с контуром. После этого пластину возвращают на преж­нее место —- с этого момента смещать ее относительно обведен­ного контура не следует. Затем коврик с пластиной кладут на ла­донь и располагают перед собой так, чтобы было удобно смот­реть на булавки сквозь боковые грани пластины. Поворачивая коврик вокруг вертикальной оси, находят такое его положение, при котором булавки, наблюдаемые сквозь пластину, окажутся совмещенными. Сразу после этого в коврик перед пластиной втыкают еще две булавки, но так, чтобы все четыре казались расположенными на одной линии. Вид экспериментальной уста­новки показан на рис. 29.

Добившись нужного эффекта, приступают к нахождению от­ношения синусов углов. Предварительно сняв пластину, лист бумаги снимают с коврика. В точку пересечения наклонной пря­мой с контуром пластины (ранее в эту точку была вколота одна из булавок) восставляют перпендикуляр к контуру и продолжают его внутрь контура (рис. 30). На перпендикуляре от точкиАот­кладывают отрезки АВ и АС равной длины.

Далее строят ход луча внутри пластины. Для этого соединяют линией точки, куда были воткнуты булавки второй пары, и про­должают эту линию до пересечения с контуром. Точку пересече­ния линии с контуром соединяют отрезком с точкой пересече­ния с контуром наклонной прямой, которую начертили в начале опыта. Луч внутри пластины распространялся вдоль отрезка, со­единяющего эти точки. Чтобы уменьшить погрешность измере­ния, отрезок продолжают за границу контура.

Из точекВи С опускают перпендикуляры BDи СЕ на на­правление хода луча до падения на пластину и на направление хода луча внутри нее. При этом образуются прямоугольные тре­угольники ABDи АСЕ. Используя известные тригонометриче­ские соотношения, находят

откуда

Но АВ = АС по построению. Тогда

                                (2)

Значит, чтобы определить относительный показатель пре­ломления стекла, надо измерить отрезки BDи СЕ.

Вопросы и задания для проверки готовности к выполнению работы

1. Какую размерность имеет относительный показатель пре­ломления?

2. Как длины отрезков АВ и АС влияют на точность опреде­ления показателя преломления?

3. Запишите формулу для вычисления границы абсолютной погрешности определения п₂₁.

Ход работы

Задание 1. Определение показателя преломления стекла

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

Таблица 3

BD, мм	Δ(BD), мм	CE, мм	Δ(CE), мм	n21	Δn21

2. Постройте ход луча до падения на пластину (см. описание экспериментальной установки).

3. Постройте ход луча внутри пластины.

4.Восставьте перпендикуляр к контуру пластины в том мес­те, где луч входил в нее.

5. Постройте отрезки BD и СЕ (см. описание эксперимен­тальной установки) и измерьте их длину.

6. Определите границы абсолютных погрешностей измере­ний длин отрезков BD и СЕ.

7. Вычислите по формуле (2) относительный показатель пре­ломления стекла n₂₁.

8. Вычислите границу абсолютной погрешности определения показателя преломления Δn₂₁.

9. Запишите результат определения относительного показате­ля преломления п_стстекла относительно воздуха с учетом грани­цы абсолютной погрешности: n_ст= n_2l ± Δn₂₁.

10. Найдите табличное значение коэффициента преломления стекла.

11. Установите, попадает ли табличное значение показателя преломления стекла в интервал его возможных значений, полу­ченных в результате проведения опыта.

Контрольные вопросы

1.Что характеризует относительный показатель преломления вещества?

2.Какая среда называется более оптически плотной?

3. Может ли скорость электромагнитной волны в веществе быть боль­ше, чем в вакууме?

Лабораторная работа № 10: Определение длины световой волны

Цель работы: определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Введение

Метод определения длины световой волны с помощью диф­ракционной решетки основан на использовании формулы диф­ракционной решетки:

                                           (1)

где т — любое целое число (т = 0, ±1; ±2; ±3 и т. д.); d — период решетки; Θ — угол отклонения волны от нормали; λ — длина волны.

Число т называют порядком максимума.

Таким образом, чтобы вычислить длину волны, надо знать период решетки d₉порядок максимума т и измерить угол 0 (или найти синус этого угла):

                                              (2)

Оборудование

Прибор для определения длины световой волны;

дифракци­онная решетка (100 штрихов на 1 мм);

штатив лабораторный.

Описание экспериментальной установки

Для выполнения работы используют специальный прибор, который закрепляют в лабораторным штативе (рис. 39).

Вдоль бруска 1 нанесена шкала, оцифрованная в сантимет­рах с ценой деления 1 мм. Стержнем 2 брусок крепится к муфте штатива. Рамка 3 используется для закрепления дифракционной решетки. Место расположения решетки, вставленной в рамку, совпадает с нулевым делением шкалы бруска. Ползунок 4 может передвигаться вдоль бруска. К нему прикреплен экран, в центре которого имеется прямоугольное отвер­стие. Под отверстием по обе стороны от него на нижней части экрана нанесена шкала в сантиметрах с ценой деления 1 мм. Ну­левое деление шкалы находится точно под серединой отверстия.

Зная период решетки d, порядок рассматриваемого спектра т и измерив расстояния а и b, по формуле (3) находят длину световой волны.

(3)

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

2.Установите прибор на рабочем столе в соответствии с при­веденной выше методикой его настройки.

3.Произведите наблюдение дифракционных спектров и при необходимости скорректируйте положение прибора.

4.Занесите   в   таблицу   значение   постоянной   решетки d = 0,01мм.

5.Измерьте расстояниеаот решетки до экрана.

7.Проделав измерения несколько раз, занесите в таблицу средние значения измеренных величин.

8.Вычислите длины световых волн, соответствующих крас­ной и фиолетовой границам спектра.

9.Изменяя положение ползунка относительно дифракцион­ной решетки, повторите измерения и вычисления 2—3 раза.

10.По результатам вычислений определите средние значения длин волн для красной и фиолетовой границ спектра.

11.Сравните результаты вычислений и сделайте вывод, како­му цвету соответствует меньшая длина волны.

Контрольные вопросы

1.Как изменится вид спектров, если использовать дифракционную ре­шетку с другим периодом d?

2.Какие факторы влияют на точность определения длины световой вол­ны опробованным методом?

№  11: Изучение треков заряженных частиц по фотографиям

Цель работы: познакомиться с методами исследования ядер­ных реакций и свойств элементарных частиц по фотографиям их треков.

Оборудование

Фотографии треков заряженных частиц,

линейка,

циркуль,

транспортир,

лист кальки.

Введение

Треком частицы называют след, оставленный ею в среде, где она двигалась.

По виду треков определяют электрический заряд, скорость и ее направление, длину свободного пробега, энергию частицы.

Трек образуется ионами атомов той среды, через которую движется частица. Его толщина зависит от концентрации ионов и определяется величиной заряда частицы и ее скоростью. Тол­щина трека тем больше, чем больше заряд частицы и меньше ее скорость.

При движении частицы в среде ее энергия постепенно убы­вает в основном из-за взаимодействия с атомами среды. Следо­вательно, длина трека определяется энергией частицы. При про­чих равных условиях трек тем длиннее, чем большей энергией обладала частица в начальный момент своего движения.

Дополнительную информацию о свойствах частицы можно получить с помощью магнитного поля. При движении частицы в магнитном поле на нее со стороны поля действует сила Лоренца, которая зависит от величины ее заряда д, скорости v, индукции магнитного поля В и угла а между направлениями вектора ско­рости и вектора индукции магнитного поля:

F_Л = qvBsinα       (1)

Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение . По второму закону Ньютона F = mа, и тогда можно записать, что

где m — масса частицы; R — радиус ее траектории.

Для случая, когда частица движется перпендикулярно полю, α = 90°, sin α = 1, и тогда

             (2)

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки.

Зная радиус трека, модуль и направление индукции магнит­ного поля и скорости, определяют знак заряда частицы и вычис­ляют отношение ее заряда к массе. Для этого сравнивают треки исследуемой частицы и той, для которой известно отношение заряда к массе. Воспользовавшись формулой (2) и записав ее для одной и другой частицы, получим:

                  и                            

Если скорости частиц одинаковы (v₁ = v₂), то, выразив их из последнего равенства, находим:

(3)

Радиус трека определяют по длинам его хорды L и отрезка между окружностью и хордой Н:

            (4)

Связь между хордой окружности и радиусом можно полу­чить, если к центру хорды восставить перпендикуляр и продол­жить его до пересечения с окруж­ностью (рис. 46). Изменение радиуса кривизны тре­ка указывает, в каком направлении двигалась частица и как менялась ее скорость. Радиус кривизны трека больше на его начальном участ­ке; по мере уменьшения скорости он уменьшается.

Ход работы

. Исследование свойств элементарных частиц по их трекам.

На рис. 49 показаны три смонтированные фотографии тре­ков заряженных частиц, сделанные в камере Вильсона. Камера находилась в однородном магнитном поле с магнитной индук­циейВ= 2,2 Тл. Первый трек оставлен α-частицей, второй — ядром изотопа водорода дейтерия (), третий — неизвестной час­тицей. Начальная скорость всех частиц была направлена снизу вверх. По виду треков необходимо установить  заряд неиз­вестной частицы и его отношение к массе частицы.

1. Скопируйте на кальку треки частиц.

2. Измерьте радиусы первой половины треков α-частицы и неизвестной частицы. При измерении радиусов необходимо учесть масштаб снимка, указанный на рисунке.

3. Зная структуру α-частицы, вычислите отношение ее заряда к массе.

4. Вычислите по формуле (3) отношение заряда к массе неиз­вестной частицы.

5. Укажите, какая из известных вам элементарных частиц имеет аналогичные характеристики.

Контрольные вопросы

1. В чем преимущество применения фотоэмульсии по сравнению с ка­мерой Вильсона и пузырьковой камерой?

2. Какие нейтроны называют тепловыми?

3. Каковы принципы действия камеры Вильсона и пузырьковой камеры