Инструкции к лабораторным работам по физике

Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное

учреждение Свердловской области

Социально – профессиональный техникум «Строитель»

 

ИНСТРУКЦИИ

К выполнению лабораторных работ

Дисциплина «физика»

2015 г.

Инструкции предназначены для преподавателя и обучающихся ГБПОУ СО СПТ «Строитель»

Инструкции к выполнению лабораторных работ по физике составлены в соответствии с РУП «Физика» на 2015 – 2016 учебный год.

Данная инструкция предполагают краткую теоретическую подготовку по данной теме с составлением отчета по указанной теме лабораторной работы; ознакомление с приборами, сборку схем; проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и сдачу зачета по выполненной работе.

Письменные инструкции к каждой лабораторной работе, не только позволяют определить порядок выполнения работы, но предполагают контрольные вопросы по каждой теме.

ГБПОУ СО Социально-профессиональный техникум «Строитель», 620141 г. Екатеринбург, ул. Артинская, 26

[e-mail]

Составитель: Сединкина Людмила Алексеевна, преподаватель I  КК

[e-mail]

Цель инструкции:

– оказание помощи обучающимся в выполнении лабораторных работ, предусмотренных рабочей учебной программой по физике и примерной программой фиро по дисциплине «физика»;

- обучение правильно, определять погрешности и производить необходимую числовую обработку результатов лабораторного эксперимента.

Весь процесс выполнения лабораторных работ включает в себя теоретическую подготовку, ознакомление с приборами и сборку схем, проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента, написание вывода о лабораторной работе и ее результатах полученных в ходе эксперимента, а так же сдачу зачета по выполненной работе.

Лабораторные работы направлены на освоение следующих умений и знаний согласно ФГОС

уметь:

• экспериментально находить коэффициент трения и скольжения;
• формулировать понятия: механическое движение, скорость и ускорение, система отсчета;
• изображать графически различные виды механических движений;
• различать понятия веса и силы тяжести;
• объяснять понятия невесомости;
• объяснять суть реактивного движения и различия в видах механической энергии;
• формулировать понятия колебательного движения и его видов; понятие волны;

знать:

• понятия: сила трения скольжения, коэффициент трения скольжения и его зависимость от различных факторов.
• основные единицы СИ
• виды механического движения в зависимости от формы траектории и скорости перемещения тела
• понятие траектории, пути, перемещения;
• различие классического и релятивистского законов сложения скоростей; относительность понятий длины и промежутков времени.
• основную задачу динамики;
•  понятие массы, силы, законы Ньютона;
•  основной закон динамики материальной точки;
•  закон всемирного тяготения;
• понятие импульса тела, работы, мощности, механической энергии и ее видов;
• закон сохранения импульса;
• закон сохранения механической энергии;
• превращение энергии при колебательном движении;
• суть механического резонанса;
• процесс распространения колебаний в упругой среде;

Теоретическая подготовка

Теоретическая подготовка необходима для проведения физического эксперимента, должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства, инструкций, установок к данной лабораторной работе и правилами техники безопасности.

Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание физической сущности процесса, тех законов, на которых основаны явления

Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы.

Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей:

1.     Название работы.

2.     Цель работы.

3.     Оборудование.

4.     Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин).

5.     Расчеты – окончательная запись результатов работы.

6.     Вывод.

Ознакомление с приборами, сборка схем

          Приступая к лабораторным работам, необходимо:

1)      получить у лаборанта приборы, требуемые для выполнения работы;

2)      разобраться в назначении приборов и принадлежностей в соответствии с их техническими данными;

3)      пользуясь схемой или рисунками, имеющимися в пособии, разместить приборы так, чтобы удобно было производить отсчеты, а затем собрать установку;

4)      сборку электрических схем следует производить после тщательного изучения правил выполнения лабораторных работ по электричеству.

Проведение опыта и измерений

При выполнении лабораторных работ измерение физических величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.

Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например,   точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и в значительной степени – от своевременности  включения и выключения часового механизма.

Критерии оценок лабораторных работ

Оценка «5» (отлично) ставится, если обучающийся выполняет работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений; самостоятельно и рационально монтирует необходимое оборудование; все опыты проводит в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов; соблюдает требования правил безопасного труда; в отчете правильно и аккуратно выполняет все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления; правильно выполняет анализ погрешностей.

Оценка «4» (хорошо) ставится, если выполнены требования к оценке 5, но было допущено два-три недочета, не более одной негрубой ошибки и одного недочета.

Оценка «3» (удовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы; если в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

Оценка «2» (неудовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов; если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Лабораторные работы выполняются в соответствии с инструкциями для обучающихся. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.

Лабораторные работы выполняются после прохождения инструктажа и после ознакомления с инструкциями по охране труда в кабинете физики и при проведении лабораторных работ по физике

Перечень лабораторных работ по физике 2015 – 2016 уч.год 

I, II курс (ППКРС, ППССЗ)

Тема: Механика

1.      Исследование равномерного движения

2.      Исследование движения тела под действием постоянной силы.

3.      Изучение закона сохранения импульса и энергии при упругом и неупругом ударе

4.      Изучение закона сохранения механической энергии

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

6.      Сравнение работы силы упругости с изменением кинетической энергии тела.

7.      Изучение особенностей силы трения скольжения (измерение коэффициента силы трения скольжения)

8.      Изучение деформации растяжения. Определение модуля упругости резины.

Тема: Основы молекулярной физики и термодинамики

9.      Измерение относительной влажности воздуха при помощи психрометра

10.  Измерение поверхностного натяжения жидкости.

11.  Наблюдение процесса кристаллизации.

12.  Изучение теплового расширения твердых тел

13.  Исследование тепловых свойств вещества

Тема: Электродинамика

14.  Изучение закона Ома для участка цепи, последовательного и параллельного соединения проводников.

15.  Изучение закона Ома для полной цепи.

16.  Изучение явления электромагнитной индукции.

17.  Определение температуры нити лампы накаливания.

18.  Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника напряжения.

Тема: Колебания и волны

19.  Изучение зависимости периода колебаний нитяного (или пружинного) маятника от длины нити (или массы груза).

20.  Исследование зависимости силы тока от электроемкости конденсатора в цепи переменного тока

Тема: Оптика

21.  Определение показателя преломление стекла

22.  Получение изображений при помощи тонкой линзы

23.  Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Тема: Квантовая физика

24.  Изучение треков заряженных частиц по фотографиям

Лабораторная работа №1.

Тема: Исследование равномерного движения

Теоретическая часть:

Эксперименты проводятся с коническим маятником. Небольшой шарик движется по окружности радиуса R. При этом нить АВ, к которой прикреплен шарик, описы­вает поверхность прямого кругового конуса. На шарик действуют две силы: сила тяжести и натяжение ни­ти  (рис. а). Они создают центростремительное ускорение , направленное по радиусу к центру окруж­ности. Модуль ускорения можно определить кинематиче­ски. Он равен:



Для определения ускорения надо измерить радиус окружности и период обращения шарика по окружности.

Центростремительное (нормальное) ускорение можно определить также, используя законы динамики.

Согласно второму закону Ньютона . Разло­жим силу  на составляющие и , направленные по радиусу к центру окружности и по вертикали вверх.

Тогда второй закон Ньютона запишется следующим об­разом:



Направление координатных осей выберем так, как показано на рисунке б. В проекциях на ось О₁у уравнение движения ша­рика примет вид: 0 = F₂ — mg. От­сюда F₂ = mg: составляющая уравновешивает силу тяжести , действующую на шарик.

Запишем второй закон Нью­тона в проекциях на ось О₁х:

ma_n = F₁. Отсюда 

Модуль составляющей F₁ мож­но определить различными спосо­бами. Во-первых, это можно сде­лать из подобия треугольников ОАВ и FBF₁:

   Отсюда         и     

Во-вторых, модуль составляю­щей F₁ можно непосредственно из­мерить динамометром. Для этого оттягиваем горизонтально располо­женным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу R окружности (рис. в), и опре­деляем показание динамометра. При этом сила упругости пружи­ны уравновешивает составляющую .

Сопоставим все три выражения для а_n:

, , 

и убедимся, что они близки меж­ду собой.

В этой работе с наибольшей тщательностью следует из­мерять время. Для этого полезно отсчитывать возможно большее число оборотов маятника, уменьшая тем самым относительную погрешность.

Взвешивать шарик с точностью, которую могут дать лабораторные весы, нет необходимости. Вполне достаточ­но взвешивать с точностью до 1 г. Высоту конуса и ра­диус окружности достаточно измерить с точностью до 1 см. При такой точности измерений относительные по­грешности величин будут одного порядка.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, лента измерительная, циркуль, динамометр лабораторный, весы с разновесами, шарик на нити, кусочек пробки с отверстием, лист бумаги, линейка.

Указания к работе.

1. Определяем массу шарика на весах с точностью до 1 г.

2. Нить продеваем сквозь отверстие и зажимаем пробку в лапке штатива (рис. в).

3. Вычерчиваем на листе бумаги окружность, радиус которой около 20 см. Измеряем радиус с точностью до 1 см.

4. Штатив с маятником располагаем так, чтобы продолжение шнура проходило через центр окружности.

5. Взяв нить пальцами у точки подвеса, вращаем маятник так, чтобы шарик описывал окружность, равную начерченной на бумаге.

6. Отсчитываем время, за которое маятник совершает к примеру, N = 50 оборотов.

7. Определяем высоту конического маятника. Для этого измеряем расстояние по вертикали от центра шарик; до точки подвеса.

8. Находим модуль центростремительного ускорение по формулам:

 и 

9. Оттягиваем горизонтально расположенным динамо метром шарик на расстояние, равное радиусу окружности, и измеряем модуль составляющей . Затем вычисляем ускорение по формуле .

10. Результаты измерений заносим в таблицу.

Номер опыта	R	N	Δt	T= Δt/N	h	m

Сравнивая полученные три значения модуля центростремительного ускорения, убеждаемся, что они примерно одинаковы.

Описание Лабораторной работы  1. 

Цель работы:	измерить ускорение шарика, скатывающегося по наклонному желобу.
Оборудование:	металлический желоб, штатив с муфтой и зажимом, стальной шарик, металлический цилиндр, измерительная лента, секундомер или часы с секундной стрелкой.
Описание работы.	Движение шарика, скатывающегося по желобу, приближенно можно считать равноускоренным. При равноускоренном движении без начальной скорости модуль перемещения s, модуль ускорения а и время движения t связаны соотношением .Поэтому, измерив s и t, мы можем найти ускорение а по формулеЧтобы повысить точность измерения, ставят опыт несколько раз, а затем вычисляют средние значения измеряемых величин.

ХОД РАБОТЫ:

1. Соберите установку,  изображенную на рисунке (верхний конец желоба должен быть на несколько сантиметров выше нижнего). Положите в желоб у его нижнего конца металлический цилиндр. Когда шарик, скатившись, ударится о цилиндр, звук удара поможет точнее определить время движения шарика.
2. Отметьте на желобе начальное положение шарика, а также его конечное положение
3. Измерьте расстояние между верхней и нижней отметками на желобе (модуль s перемещения шарика) и результат измерения запишите в таблицу.
4.  Выбрав момент, когда секундная стрелка находится на делении, кратном 10-ти, отпустите шарик без толчка у верхней отметки и измерьте время tдо удара шарика о цилиндр. Повторите опыт 5 раз, записывая в таблицу результаты измерений. При проведении каждого опыта пускайте шарик из одного и того же начального положения, а также следите за тем, чтобы верхний торец цилиндра находился у соответствующей отметки.
5. Вычислите  и результат запишите в таблицу.
6. Вычислите ускорение, с которым скатывался шарик: . Результат вычислений запишите в таблицу.

Запишите вывод: Что было сделано в ходе проведения эксперимента, как именно вы это делали, что наблюдали, что именно  вы измеряли и какой получен результат.

Лабораторная работа № 2.

Тема: «ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОСТОЯННОЙ СИЛЫ»

Теоретическая часть:

ДИНАМИКА - часть механики, изучающая связь движения тела с причинами, которые его вызвали.

ДИНАМИЧЕСКИЕ характеристики  - это такие характеристики движения, быстрота изменения которых (производная по времени) пропорциональна определенной характеристике внешнего воздействия. Одной из динамических характеристик движения МТ является импульс    .

МАССА  m  есть количественная характеристика инертности тела.

ИНЕРТНОСТЬ есть свойство тела противодействовать попыткам изменить его состояние покоя или движения.

ДИНАМИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ для импульса (иногда его называют «уравнением движения тела» или «вторым законом Ньютона»)

 .

Словесная формулировка: «быстрота изменения импульса определяется суммой всех сил, действующих на тело».

ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА есть следствие динамического уравнения для импульса тела с постоянной массой, и имеет вид:

 .

СИЛА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ возникает при соприкосновении двух поверхностей тел и наличии движения одной поверхности относительно другой.

СВОЙСТВА силы трения скольжения:

      направлена против скорости,

      не зависит от величины скорости,

      пропорциональна величине силы N, прижимающей по нормали одно тело к поверхности другого .

СИЛА ТРЕНИЯ покоя возникает при соприкосновении поверхностей двух тел и наличии составляющей силы, приложенной к одному из тел, направленной вдоль поверхностей и стремящейся вызвать движения (СВД) данного тела вдоль поверхности другого (рис.1).

 

На рис.1 не показаны сила тяжести и сила реакции опоры (подумайте, где каждая приложена и как направлена).

СВОЙСТВА силы трения покоя

      направлена против составляющей силы СВД,

      равна (до определенного порога) по величине составляющей силы СВД,

имеет максимальное значение, максимальное значение силы трения покоя пропорционально величине силы N, сжимающей поверхности по нормали  .

ЗАДАНИЕ: Выведите формулу для нормированного ускорения кубика (a/g) в данной ЛР и для ускорения свободного падения на большой высоте h над поверхностью Земли.

УКАЗАНИЯ: Выпишите формулу для второго закона Ньютона. Подставьте в нее все реальные силы, действующие на кубик. Спроектируйте полученное векторное уравнение на вертикальную и горизонтальную оси. Решите систему уравнений и, разделив слева и справа на mg, найдите нормированное ускорение.

Ход лабораторной работы № 2. 

Цель работы:	измерить начальную скорость тела, брошенного горизонтально.
Оборудование:	штатив с муфтой и зажимом, изогнутый желоб, металлический шарик, лист бумаги, лист копировальной бумаги, отвес, измерительная лента.
Описание работы.	Шарик скатывается по изогнутому желобу, нижняя часть которого горизонтальна. После отрыва от желоба шарик движется по параболе, вершина которой находится в точке отрыва шарика от желоба. Выберем систему координат, как показано на рисунке. Начальная высота шарика h и дальность полета l связаны соотношением . Согласно этой формуле при уменьшении начальной высоты в 4 раза дальность полета уменьшается в 2 раза. Измерив h и l, можно найти скорость шарика в момент отрыва от желоба по формуле

ХОД РАБОТЫ:

1. Соберите установку, изображенную на рисунке. Нижний участок желоба должен быть горизонтальным, а расстояние h от нижнего края желоба до стола должно быть равным 40 см. Лапки зажима должны быть расположены вблизи верхнего конца желоба.
2. Положите под желобом лист бумаги, придавив его книгой, чтобы он не сдвигался при проведении опытов. Отметьте на этом листе с помощью отвеса точку А, находящуюся на одной вертикали с нижним концом желоба.
3. Поместите в желоб шарик так, чтобы он касался зажима, и отпустите шарик без толчка. Заметьте (примерно) место на столе, куда попадет шарик, скатившись с желоба и пролетев по воздуху. На отмеченное место положите лист бумаги, а на него — лист копировальной бумаги «рабочей» стороной вниз. Придавите эти листы книгой, чтобы они не сдвигались при проведении опытов.
4. Снова поместите в желоб шарик так, чтобы он касался зажима, и отпустите без толчка. Повторите этот опыт 5 раз, следя за тем, чтобы лист копировальной бумаги и находящийся под ним лист не сдвигались. Осторожно снимите лист копировальной бумаги, не сдвигая находящегося под ним листа, и отметьте какую-либо точку, лежащую между отпечатками. Учтите при этом, что видимых отпечатков может оказаться меньше 5-ти, потому что некоторые отпечатки могут слиться.
5. Измерьте расстояние l от отмеченной точки до точки А, а также расстояние L между крайними отпечатками.
6. Повторите пункты 1-5, опустив желоб так, чтобы расстояние от нижнего края желоба до стола было равно 10 см (начальная высота). Измерьте соответствующее значение дальности полета и вычислите отношения h₁ /h₂ и l₁ /l₂.
7. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

№ опыта	h, м	l, м	h1 / h2	l1 / l2
1
2

8. По результатам первого опыта вычислите значение начальной скорости, используя формулу

Запишите вывод: Что было сделано в ходе проведения эксперимента, как именно вы это делали, что наблюдали, что именно  вы измеряли и какой получен результат.

Лабораторная работа № 3

Тема: ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА И ЭНЕРГИИ ПРИ УПРУГОМ И НЕУПРУГОМ УДАРЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: проверка выполнения законов сохранения энергии и импульса при  упругом и  неупругом ударах.

Оборудование: лабораторная установка, набор шаров.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

        Примером применения законов сохранения импульса и энергии при решении реальной физической задачи является удар абсолютно упругих и неупругих тел.

       Удар (или соударение) — это столкновение двух или более тел, при котором взаимодействие длится очень короткое время.  Силы взаимодействия между сталкивающимися телами (ударные или мгновенные силы) столь велики, что внешними силами, действующими на них, можно пренебречь. Это позволяет систему тел в процессе их соударения приближенно рассматривать как замкнутую систему и применять к ней законы сохранения.

Тела во время удара претерпевают деформацию. Сущность удара заключается в том, что кинетическая энергия относительного движения соударяющихся тел на короткое время преобразуется в энергию упругой деформации. Во время удара имеет место перераспределение энергии между соударяющимися телами. Отношение кинетических энергий тел после W_п и до W_д удара называется коэффициентом восстановления ε:

ε =W_п /W_д.

Если для сталкивающихся тел ε<1, то такие тела называются абсолютно неупругими, если ε =1 — абсолютно упругими. На практике для всех тел

0< ε<1 (например, для стальных шаров ε =0,56, для шаров из слоновой кости ε=0,89, для свинца ε =О). Однако в некоторых случаях тела можно с большой степенью точности рассматривать либо как абсолютно упругие, либо как абсолютно неупругие.

Прямая, проходящая через точку соприкосновения тел и нормальная к поверхности их соприкосновения, называется линией удара. Удар называется центральным, если тела до удара движутся вдоль прямой, проходящей через их центры масс.

   Абсолютно упругий удар — столкновение двух тел, в результате которого в обоих взаимодействующих телах не остается никаких деформаций, т.е. наблюдается упругая деформация и вся кинетическая энергия, которой обладали тела до удара, после удара снова превращается в кинетическую энергию (подчеркнем, что это идеализированный случай).  

    Деформация называется упругой, если после прекращения действия внешних сил тело принимает первоначальные размеры и форму. Деформации, которые сохраняются в теле после прекращения действия внешних сил, называются пластическими (или остаточными). Деформации реального тела всегда пластические, так как они после прекращения действия внешних сил никогда полностью не исчезают.

Для абсолютно упругого удара выполняются закон сохранения импульса и закон сохранения кинетической энергии.

  Абсолютно неупругий удар — столкновение двух тел, в результате которого тела объединяются, двигаясь дальше как единое целое. Продемонстрировать абсолютно неупругий удар можно с помощью шаров из пластилина (глины), движущихся навстречу друг другу.

        При центральном абсолютно неупругом ударе шаров между ними действуют силы, зависящие не от самих деформаций, а от их скоростей, то мы имеем дело с силами, подобными силам трения, поэтому закон сохранения механической энергии не должен соблюдаться. Вследствие деформаций происходит «потеря» кинетической энергии, перешедшей в тепловую или другие формы энергии.           

      Совокупность материальных точек (тел), рассматриваемых как единое целое, называется механической системой. Силы взаимодействия между материальными точками механической системы называются внутренними. Силы, с которыми на материальные точки системы действуют внешние тела, называются внешними. Механическая система тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой (или изолированной). Если мы имеем механическую систему, состоящую из многих тел, то, согласно третьему закону Ньютона, силы, действующие между этими телами, будут равны и противоположно направлены, т. е. геометрическая сумма внутренних сил равна нулю.

         Векторная величина = m· численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость и имеющая направление скорости, называется импульсом (количеством движения) этой материальной точки.

      Закон сохранения импульса:  импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется со временем.

Математическое выражение этого закона

= =const,

где m_i, _i –масса и скорость i- го тела системы, состоящей из n тел.

      Энергия — универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. С различными формами движения материи связывают различные формы энергии: механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и др.

       Кинетическая энергия механической системы — это энергия механического движения этой системы.

  Потенциальная энергия — механическая энергия системы тел, определяемая их взаимным расположением и характером сил взаимодействия между ними.

       Пусть взаимодействие тел осуществляется посредством силовых полей (например, поля упругих сил, поля гравитационных сил), характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Такие поля называются потенциальными, а силы, действующие в них, — консервативными. Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной; ее примером является сила трения.

       Закон сохранения энергии: в замкнутой системе тел, между которыми действует только консервативные силы, механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем. 

        Законы сохранения энергии и импульса принадлежат к фундаментальным законам природы, и их экспериментальная проверка представляет особый интерес. При изучении удара шаров это можно проделать простым и наглядным способом.

       Рассмотрим упругий и неупругий удар для двух шаров.

      Случай упругого удара. До столкновения сумма импульсов системы шаров равна сумме импульсов после удара:

+ = +.

или для модулей импульсов:  m₁· υ₀ + m₂ ·υ = m₁ ·υ₁ + m₂ ·υ₂,

где m₁ и υ₀ , υ₁ – масса и скорость ударяющего шара;    m₂  и υ, υ₂ - масса и скорость ударяемого шара.

Пусть до удара второй шар находится в покое: υ = 0 и  р = 0, тогда импульс до удара

р₀ = m₁ ·υ₀ .                     (1)

После упругого удара для модулей импульсов шаров:

р  = m₂ ·υ₂  ± m₁ ·υ₁ ,             (2)

при отклонении шаров в одну сторону берется знак «+», а в противоположные  знак «-».

С учетом направления вектора скорости импульс до и после удара определяется как

m₁ ·υ₀  =  m₂ ·υ₂  - m₁ ·υ₁,

где  υ₁  и υ₂ -скорости ударяющего и ударяемого шаров сразу после удара.

      Для определения величин скоростей шаров воспользуемся следующим соображением.

      В начальном положении отклоним ударяющий шар на угол α₀. При этом центр шара поднимается на высоту

h = l-l·cos α₀ = l(1- cos α₀ ) =2 ·l· sin² ,

где l- длина нити на которой подвешан шар.

Шар получит потенциальную энергию:

W_р = m₁ ·g·h = 2·m₁ ·g·l· sin² .

Согласно закону сохранения энергии, потенциальная энергия в нижней точке перейдет в кинетическую энергию:

 W_к = W_р = 2·m₁ ·g·l ·sin² .

Используя определение кинетической энергии, получим формулу для скорости:

W_к =  = 2·m₁ ·g·l ·sin² ,

υ₀  = 2· sin .          (3)

       Значит, скорость ударяющего шара в нижней точке траектории зависит от начального угла отклонения α₀.

        Соответственно скорости шаров после ударов:

υ₁ = 2· sin  ,             (4)

υ₂  = 2· sin ,            (5)

где α₁  - угол отклонения ударяющего шара после удара;

      α₂    - угол отклонения ударяемого шара после удара.

Случай неупругого удара. Импульс шаров после неупругого удара

р₃  = (m₁ + m₃) · υ₃ .            (6)

Так как до удара второй шар находится в покое: υ = 0 и  р = 0, тогда импульс до удара

р₀ = m₁ ·υ₀ ,

и  импульс до и после удара будет равен

m₁ υ₀ =  (m₁ + m₃) υ₃,

где   υ₃  - скорость шаров, движущихся вместе после неупругого удара.

       Общая скорость шаров

υ₃  = 2·sin ,               (7)

где α₃  - угол, на который отклонятся оба шара после неупругого удара.

       Энергия шаров до удара равна кинетической энергии первого шара, поскольку второй неподвижен:

W_к =  = 2·m₁ ·g·l ·sin² .       (8)

         После упругого удара энергия шаров

W  =  W₁ + W₂  .               (9)

W₁ = 2·m₁ ·g·l· sin² .       (10)

W₂=2·m₂ ·g·l· sin² .         (11)

 W  = 2·g·l· (m₁ ·sin²  + m₂ ·sin² ).         

После неупругого удара энергия шаров

W₃ = 2(m₁ + m₃) · g·l ·sin² ,         (12)

Коэффициент восстановления энергии для упругого удара

                                                                       ε =W_к /W.              (13)

Коэффициент восстановления энергии для неупругого удара

                                                                       ε =W_к /W₃.           (14)

ОПИСАНИЕ  ЛАБОРАТОРНОЙ  УСТАНОВКИ

       Основание прибора установлено на регулирующих ножках, которыми можно установить прибор по уровню.

       На основании закреплена колонка с нижним  и верхним кронштейнами. На верхнем кронштейне  укреплены стержни  и вороток  для установки расстояния между шарами. На стержнях  надеты держатели  и втулки, фиксируемые винтами с подвесками  шаров. На нижнем кронштейне  закреплены шкалы  и электромагнит. Электромагнит можно передвигать вдоль шкалы  и фиксировать винтами  угол отклонения шара α_0.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.      Подвесить упругие стальные шары и отцентрировать их при помощи винтов  во втулке, меняя длину нитей. Записать значения масс m₁  и m₂.

2.      Установить шары и электромагнит в одной плоскости при помощи держателя  и винтов.

3.      Привести шары в соприкосновение воротком.

4.      Сдвинуть шкалы так, чтобы «0» шкалы совпал с острием подвеса.

5.      Установить электромагнит на заданный угол по шкале.

6.      Включить прибор в сеть, нажать клавишу «СЕТЬ».

7.      Отжать клавишу «ПУСК».

8.      Первый шар отклонить к электромагниту и зафиксировать исходный угол отклонения α₀, записать значение  α₀.

9.      Нажать клавишу «ПУСК».

10.   После первого удара шаров измерить углы максимального отклонения ударяющего α₁  и ударяемого α₂ шаров.

11.  Опыт повторить  5 раз и данные занести в табл.1.

12.  Вычислить средние значения α₀ , α₁ , α₂  и занести в таблицу 1.

12.  Заменить левый шар пластилиновым, записать величину его массы m₃.

13.   Проделать снова операции по пунктам 2-9.

14.   Измерить угол отклонения пластилинового шара α₃.

15.  Опыт повторить  5 раз и данные занести в табл.1.

16.  Вычислить средние значения α₃.

Таблица 1

	m1 =	m2 =	m1 +m3 =
	α1,0	α2,0	α3,0
1
2
3
4
5
ср.

17.  По формулам (3), (4), (5) и (7) найти скорости шаров после удара, по формулам (1), (2) и (6) – их импульсы.

18.  Определить по формулам (8) – (12) – энергии шаров до и после удара.

19.  Результаты вычислений занести в таблицу 2.     

20.    Определить коэффициент восстановления энергии для упругого и неупругого ударов по формулам (13), (14).                                                                                                               

21.   Сравнить значения импульса для упругого удара до удара р₀ и после р   и р₀ с р₃  для неупругого удара.

22.  Сравнить значения энергий до удара W_к  с энергией после удара W для упругого удара  и W_к  с  W₃  для неупругого удара.

 Таблица 2

	До удара	Упругий удар	Неупругий удар
Скорость, м/с	υ0=	υ1 = υ2  =	υ3 =
Импульс,	p0 =	p =	p3 =
Энергия,  Дж	Wк =	W  =	W3 =

     23.Найти энергию, затраченную на деформацию пластилинового шара: 

W_д  =  W_к  -  W₃

24. Сделать выводы о выполнимости  законов  сохранения энергии и импульса при упругом и неупругом ударах.

КОНТРОЛЬНЫЕ  ВОПРОСЫ

1.      Сформулировать законы сохранения энергии и импульса.

2. Дать определение упругого и неупругого ударов.
3. Как выполняются законы сохранения энергии и импульса при упругом и неупругом ударах?
4. Что такое коэффициент восстановления? Каким он должен быть при упругом и неупругом ударах?
5. Вывести формулу (3) для скорости шара υ₀ в момент удара.
6. Дать определение упругой и пластической деформаций.

Лабораторная работа № 4

Тема: ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

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

Цель работы: состоит в сравнении изменений потенциальной энергии груза, прикреплённого к пружине, и энергии пружины, растянутой под действием груза.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

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

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

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

Выполнение работы:

1.       В штативной лапе закрепите динамометр за кольцо, которое непосредственно крепиться к корпусу динамометра, а саму штативную лапу в муфте. Таким образом, избегают касания грузами основания штатива.

2.       Установите направляющую рейку так, чтобы её шкала располагалась как можно ближе к указателю динамометра.

3.       Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

№ опыта

4.       Определите положение указателя нерастянутой пружины динамометра на шкале – xl.

5.       Подвесьте к динамометру два груза и, приподнимая их рукой, верните пружину в нерастянутое состояние. Отпустите грузы и заметьте по шкале положение указателя, соответствующее максимальному удлинению пружины – х2.

6.    Вычислите удлинение пружины: .

7.    Повторите опыт 5 – 6 раз и вычислите среднее значение удлинения. Использование при дальнейших расчётах среднего значения удлинения позволит уменьшить влияние на результат случайных погрешностей, допущенных при проведении отдельных измерений положения указателя. Изменение длины пружины соответствует изменению высоты грузов, поэтому хср = h.

8.                 Определите общую массу грузов (масса груза указана на его поверхности) и, пользуясь формулой (1), вычислите изменение потенциальной энергии грузов Ег.

9.                 Вычислите по формуле (2) изменение энергии пружины. При этом учитывают, что жёсткость пружины динамометра k = 40 Н/м.

10. Сравните изменение энергии грузов и пружины и сделайте вывод о сохранении полной механической энергии системы грузы – пружина.

Лабораторная работа № 5

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

Цель: научиться измерять потенциальную энергию поднятого над землей тела и упругодеформированной пружины, сравнивать два значения потенциальной энергии системы.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, динамометр лабораторный с фиксатором лента измерительная, груз на нити длиной около 25 см.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

В данной лабораторной работе теоретические основы подготовьте самостоятельно. Воспользовавшись учебником физики за 10 класс или иной литературой предложенной преподавателем, письменно ответьте на подготовительные вопросы:

1.      Определение, обозначение, направление, единицы измерения силы тяжести в СИ

2.      Определение, обозначение, направление, единицы измерения силы упругости в СИ

3.      Сформулируйте закон сохранения механической энергии

ХОД РАБОТЫ

Рис.1

1.                 Соберите установку по рис.1.

2.                  Фиксатор 2 – пластину из пробки, надрезают ножом до середины и насаживают на проволочный стержень динамометра. Фиксатор должен перемещаться вдоль стержня с малым трением.

3.                  Проверьте работу фиксатора: установите фиксатор в нижней части проволочного стержня вплотную к ограничительной скобе динамометра. Растяните пружину динамометра до упора. Отпустите стержень. При этом фиксатор вместе со стержнем поднимается вверх, отмечая максимальное удлинение пружины.

4. Привяжите груз к нити, другой конец нити привяжите к крючку динамометра и измерьте вес груза F₁= mg (можно использовать массу груза, если она известна).

5. Измерьте расстояние l от крючка динамометра до центра тяжести груза.

6. Поднимите груз до высоты крючка динамометра и отпустите его. Поднимая груз, расслабьте пружину и укрепите фиксатор около ограничительной скобы.

7. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное

удлинение пружины  l.

8. Растяните рукой пружину до соприкосновения фиксатора с ограничительной скобой и отсчитайте по шкале максимальное значение модуля силы упругости пружины.

Среднее значение силы упругости равно ^F . 2

9.        Найдите высоту падения груза: h = l +  l.

10. Вычислите потенциальную энергию системы в первом положении груза, т.е. перед началом падения, приняв за нулевой уровень значение потенциальной энергии груза в конечном его положении: Ep ^/ = mgh = F₁(l + l).

11. В конечном положении груза его потенциальная энергия равна нулю. Потенциальная энергия системы в этом состоянии определяется лишь энергией упруго деформированной пружины:

Вычислите ее.

12.              Результаты измерений и вычислений внесите в таблицу:

F1= mg

l

l

F

h = l +  l

Ep /  =

F₁(l +  l).

ВЫВОД: (запишите что вы делали в ходе лабораторной работе, какие результаты получили, в чем заключалась сложность и т.д., сравните значения потенциальной энергии в первом и во втором состояниях системы)

Лабораторная работа № 6

Тема: СРАВНЕНИЕ РАБОТЫ СИЛЫ УПРУГОСТИ С ИЗМЕНЕНИЕМ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА

Цель работы: экспериментальная проверка теоремы о кинетической энергии.

Оборудование: 1) штативы для фронтальных работ — 2 шт.; 2) динамометр учебный; 3) шар; 4) нитки; 5) линейка измерительная 30 см с миллиметровыми делениями; 6) весы учебные со штативом; 7)  гири Г4-210

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Теорема о кинетической энергии утверждает, что работа силы, приложенной к телу, равна изменению кинетической энергии
тела:

Для экспериментальной проверки этого утверждения можно вос­пользоваться установкой, изображенной на рисунке 1.

В лапке штатива закрепляют горизонтально динамометр. К его крючку привязывают шар на нити длиной 60—80 см. Па дру­гом штативе на такой же высоте, как и динамометр, закрепляют лапку. Установив шар на краю лапки, штатив вместе с шаром отодвигают от первого штатива на такое расстояние, чтобы на шар действовала сила упругости F_ynp со стороны пружины ди­намометра. Затем шар отпускают. Под действием силы упругости шар приобретает скорость , его кинетическая энергия изменяется от 0 до .

.

Для определения модуля скорости v шара, приобретенной под действием силы упругости F_упр, можно измерить дальность полета s шара при свободном падении с высоты Н:

, .

Отсюда модуль скорости v равен: , а  изменение кинетической энергии равно  .

Сила упругости во время действия на шар по закону Гука изменяется линейно от  до F_ynp2=0, среднее значение силы упругости равно

.

Измерив  деформацию пружины динамометра x, можно вы­числить работу силы упругости: .

Задача настоящей работы состоит в проверке равенства
, т.е. .

Ход работы

1. Укрепите на штативах динамометр и лапку для шара на одинаковой высоте Н = 40 см от поверхности стола. Зацепите за крючок динамометра нить с привязанным шаром.

2. Удерживая шар на лапке, отодвигайте штатив до тех пор, пока показание динамометра станет равным 2 Н. Отпустите шар с лапки и заметьте место его падения на столе. Опыт повторите 2—3 раза  и  определите среднее  значение  дальности  полета S  шара.

3. Измерьте массу шара с помощью весов и вычислите изме­нение кинетической энергии шара под  действием силы упругости:

4.  Измерьте деформацию пружины динамометра х при силе
упругости 2 Н. Вычислите работу А силы упругости:

7.      Оцените границы погрешности определения значении из­менения кинетической энергии  и работы А силы упругости.

Динамометр имеет погрешность = 0,05H, погрешность=0,02 кг, =0,02. Относительная погрешность изменения кинетической энергии

Абсолютная погрешность изменения кинетической энергии

8.      Сравните полученные значения работы А силы упругости и изменения кинетической энергии Е_к шара.

9.      Сделайте вывод.

Лабораторная работа № 7

Тема: ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ.

Цель работы: измерить коэффициент трения скольжения деревянного бруска по деревянной линейке двумя различными способами.

Оборудование, средства измерения: 1) деревянный брусок, 2) набор грузов, 3) динамометр, 4) деревянная линейка, 5) измерительная лента.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

1.Принципиальная схема первого способа измерения коэффициента трения скольжения приведена на рисунке 1.

Деревянный брусок, на котором сверху помещаются грузы, присоединён к динамометру.

При приложении к динамометру внешней силы брусок может перемещаться по горизонтально расположенной деревянной линейке. При﬩равномерном движении бруска его ускарение равно нулю. Согласно второму закону Ньютона геометричесая сумма сил, действующх на брусок в этом случае также равнв нулю. Это означает, что сила трения скольжения уравновешивает силу растяжения пружины динамометра и может быть измеренная динамометром.

Коэффициент трения скольжения определяется как коэффициент пропорциональности между силой трения F﬩ бруска с грузами на опору  (или весом тела):

 .

Сила нормального давления F﬩в данном случае равна весу бруска вместе с грузом и определяется взвешиванием(рис. 2). Тогда по результатам измерений Fтр и F﬩можно вычеслить коэффициент трения скольжения:

Согласно формуле (1) графиком зависимости Fтр от силы нормального давления тела F﬩ является прямая линия ( рис.3). Как видно из графика, ( где - угол наклона прямой к оси абсциис).

2.Второй способ измерения коэффициента трения скольжения не требует непосредственного измерения сил и соответственно использования динамометра. В этом случае один из концов линейки с помещённым на ней бруском и грузом постепенно приподнимают до тех пор, пока при небольшом толчке брусок не начнёт равномерно скользить вниз по линейке (рис. 4). В этот момент линейка образует угол  с горизонталью, а сумма проекций сил на оси X и Y, действующих на тело, будет равна нулю:

(X) mgsin- Fтр =0,

(Y) mgсоs- N =0/

Учитывая, что Fтр = F﬩, а F﬩= N по третьему закону Ньютона, можно представить систему уравнений (3) в виде

mgsin= N,

mgcos = N.

Беря отношение правых и левых частей системы (4), получаем:

 = tg.

Как видно из рисунка 4,

tg, а = .

Следовательно,

 = .

Ход  работы

1.Спомощью динамометра определите вес деревянного бруска ,бруска вместе с одним грузом , бруска с двумя грузами , бруска с тремя грузами . Результаты занесите в таблицу 1 ( в графу F﬩).

F﬩
Fтр

2.Динамометром равномерно тяните брусок по линейке, измеряя силу тяги Fт (Fт = Fтр). Опыт повторите, нагрузив брусок одним, потом двумя и тремя грузами. Результаты измерений Fтр запишите в таблицу 1.

3.Постройте график зависимости Fтр (F﬩) ( рис.5), используя данные таблицы 1. Через начало отсчёта проведите прямую линию так, чтобы число точек над прямой равнялось числу точек под прямой.

4.Найдите коэффициент трения скольжения  по формуле (5) как тангенс угла наклона прямой линии к оси абсцисс.

Для этого выберите произвольную точку с координатами ( F﬩,Fтр) на прямой и найдите   как отношение

 =

5.Через начало отсчёта проведите прямую линию под минимальным углом  к горизонтали через экспериментальную точку. Рассчитайте минимальное значение коэффициента трения скольжения.

6.Оцените абсолютную погрешность измерения коэффициента трения скольжения.

7.Запишите окончательный результат в виде

       8. Измерьте длину линейки.

 .

9.Отсоедините динамометр от бруска. На один из концов линейки поместите брусок с одним грузом и медленно приподнимайте его( см. рис. 4). Измерьте высоту подъёма h конца линейки, когда при небольшом толчке брусок начинает ск4ользить вниз равномерно.

.

10.Вычислите коэффициент трения скольжения по формуле (6).

11.Рассчитайте относительную погрешность косвенного измерения коэффициента трения скольжения по формуле

12.Вычислите абсолютную погрешность измерения .

13.Запишите окончательный результат в виде

Сравните величины коэффициента трения скольжения, измеренные двумя различными способами.

Запишите Вывод: Что было сделано в ходе проведения эксперимента, как именно вы это делали, что наблюдали, что именно  вы измеряли и какой получен результат.

Дополнительное задание.

Доказать, что сила трения скольжения не зависит от площади трущихся поверхностей.

1.Деревянный брусок равномерно тяните динамометром по горизонтальной линейке, измеряя силу тяги.

2.Опыт повторите при перестановке бруска на другие грани с различной площадью поверхности.

Убедитесь, что сила трения скольжения не зависит от площади трудящихся поверхностей, и сделайте вывод.

Сделайте вывод: Что было сделано в ходе проведения эксперимента, как именно вы это делали, что наблюдали, что именно  вы измеряли и какой получен результат.

Лабораторная работа № 8

Тема: ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ РЕЗИНЫ.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

 Если к однородному стержню, закрепленному на одном конце, приложить силу F вдоль оси стержня, то стержень подвергнется деформации растяжения. Деформацию растяжения характеризуют    абсолютным    удлинением     Δl=l - l₀;    относительным    удлинением    .  В деформированном теле возникает механическое напряжение σ, равное отношению модуля силы F к площади поперечного сечения тела S:

На упруго деформированные тела распространяется закон Гука: при малых деформациях механическое напряжение σ прямо пропорционально относительному удлинению:

Коэффициент пропорциональности Е, входящий в закон Гука, называется модулем упругости или модулем Юнга. Модуль Юнга показывает, какое механическое напряжение возникает в материале при относительной деформации равной единице, т.е. при увеличении длины образца вдвое. В данной работе надо определить модуль упругости Е (модуль Юнга) резинового шнура. При выполнении работы надо учесть, что сила упругости в деформированном теле численно равна силе тяжести груза, подвешенного к резиновому шнуру: F=mg. Резиновый шнур имеет квадратное сечение, поэтому S=а², где а - сторона квадрата (а=1мм=10^-3м). Окончательная формула для расчета модуля Юнга имеет вид:

Цель работы: научиться измерять модуль Юнга, используя закон Гука.

Оборудование: резиновый шпур, штатив с муфтой и лапкой, грузы, измерительная линейка.

Ход работы.

1.Опыт№1

•     Нанести на резиновом шнуре две метки на расстоянии l₀ друг от друга (около 10см) и измерить это расстояние: l₀= …. см= ….. м.

•     Закрепить короткий конец шнура в лапке штатива, а к длинному концу подвесить груз массой m₁=     ….г=…..кг.

•                     Снова измерить расстояние между метками на шнуре l₁= …. см= ….. м. Рассчитайте абсолютное удлинение шнура Δl₁=l₁ - l₀ =…. см= …..м.

•                     Пользуясь формулой , рассчитать модуль упругости резины.

•                     Е₁=

2. Опыт №2 (повторить опыт №1 с грузом другой массы и снова рассчитать модуль Юнга).
m₂=   ….г=…..кг.

l₀= …. см= ….. м

l₂= …. см= ….. м

Δl₂=l₂ - l₀ =…. см= …..м.

E₂=

3. Рассчитать среднее значение модуля упругости резины (модуля Юнга).

  4. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

№ опыта	l0, м	l, м	Δl, м	m, кг	g, м/с2	а, м	S, м2	E, ПА	Eср, Па

Сделать вывод, указав в нем физический смысл измеренной величины.

Ответить на контрольные вопросы

•                     Рассчитать относительное удлинение резинового шнура.

•                     Дать определение деформации.

•                     Какая деформация имеет место в данном опыте: упругая или пластичная и почему?

Лабораторная работа № 9

Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ПСИХРОМЕТРА»

Цель: освоить прием определения относительной влажности воздуха, основанный на использовании психрометра.

Оборудование: 1. Психрометр.

ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

   В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды, которая испаряется с поверхности морей, рек, океанов и т.п.

   Воздух, содержащий водяной пар, называют влажным.

   Влажность воздуха оказывает огромное влияние на многие процессы на Земле :на развитие флоры и фауны, на урожай сельхоз. культур, на продуктивность животноводства и т.д. Влажность воздуха имеет большое значение для здоровья людей, т.к. от неё зависит теплообмен организма человека с окружающей средой. При низкой влажности происходит быстрое испарение с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, что приводит к ухудшению состояния.

   Значит, влажность воздуха надо уметь измерять. Для количественной оценки влажности воздуха используют понятия абсолютной и относительной влажности.

   Абсолютная влажность – величина, показывающая, какая масса паров воды находится в 1 м³ воздуха (т.е. это плотность водяного пара). Она равна парциальному давлению пара при данной температуре.

   Парциальное давление пара – это давление, которое оказывал бы водяной пар, находящийся в воздухе , если бы все остальные газы отсутствовали.     

   Относительная влажность воздуха – это величина, показывающая, как далек пар от насыщения. Это отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного   пара p₀ при той же температуре, выраженное в процентах:

   Если воздух не содержит паров воды, то его абсолютная и относительная влажность равны 0. Предельное значение относительной влажности – 100%. Нормальной для человеческого организма считается влажность 60%.

   Для измерения влажности воздуха используют приборы гигрометры и психрометры.

   1. Конденсационный гигрометр. Состоит из укрепленной на подставке металлической круглой коробочки с отполированной плоской поверхностью. В коробочке сверху имеются два отверстия. Через одно из них в коробочку наливают эфир и вставляют термометр, а другое соединяют с резиновой грушей. Действие конденсационного гигрометра основано на определении точки росы.

   Точка росы – это температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

   Продувают воздух через эфир (с помощью резиновой груши), при этом эфир быстро испаряется и охлаждает коробочку. Слой водяного пара, находящийся вблизи поверхности коробочки, благодаря теплообмену тоже станет охлаждаться. При определенной температуре этот водяной пар начнет конденсироваться и на отполированной поверхности коробочки появляются капельки воды (роса). По термометру определяют эту температуру, это и будет точка росы. В таблице «Давление насыщенных паров и их плотность при различных температурах» по точке росы находят абсолютную влажность – соответствующую этой температуре плотность паров или их давление.

Давление насыщенных паров и их плотность при различных температурах

t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3	t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3	t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3
- 5	401	3,24	6	933	7,30	17	1933	14,5
- 4	437	3,51	7	1000	7,80	18	2066	15,4
- 3	476	3,81	8	1066	8,30	19	2199	16,3
- 2	517	4,13	9	1146	8,80	20	2333	17,3
- 1	563	4,47	10	1226	9,40	21	2493	18,8
0	613	4,80	11	1306	10,0	22	2639	19,4
1	653	5,20	12	1399	10,7	23	2813	20,6
2	706	5,60	13	1492	11,4	24	2986	21,8
3	760	6,00	14	1599	12,1	25	3173	23,0
4	813	6,40	15	1706	12,8	26	3359	24,4
5	880	6,80	16	1813	13,6	27	3559	25,8

   Чтобы найти относительную влажность, надо давление насыщенного пара при температуре точки росы разделить на давление насыщенного пара при температуре окружающего воздуха и умножить на 100%.

   2. Волосной гигрометр. Его работа основана на том, что обезжиренный человеческий волос при увеличении влажности воздуха удлиняется, а при уменьшении влажности укорачивается. Волос оборачивают вокруг легкого блока, прикрепив один конец к раме, а к другому подвешивают груз. При изменении длины волоса указатель (стрелка), прикрепленный к блоку, будет двигаться, перемещаясь по шкале. Шкалу градуируют по эталонному прибору.

 3. Психрометр. (от греч «психриа» - холод). Состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из них обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода смачивает марлю на резервуаре термометра и при её испарении он охлаждается. По разности температур сухого и влажного термометров по психрометрической таблице определяют влажность воздуха.

Ход работы.

   Задание 1. Измерить влажность воздуха с помощью психрометра.

1. Подготовить таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

№ опыта	tсухого, 0С	tвлажного, 0С	Δt, 0С	φ, %
1

2. Рассмотреть устройство психрометра.
3. По показаниям сухого термометра измерить температуру воздуха t_сухого в помещении.
4. Записать показания термометра, резервуар которого обмотан марлей t_{влажного}
5. Вычислить разность показаний термометров Δt = t_сухого - t_{влажного}
6. По психрометрической таблице определить влажность воздуха φ
7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
8. Сделайте вывод о том, нормальная ли влажность воздуха в помещении.
9. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Почему при продувании воздуха через эфир, на полированной поверхности стенки камеры гигрометра появляется роса? В какой момент появляется роса?
2. Почему показания «влажного» термометра меньше показаний «сухого» термометра?
3. Могут ли в ходе опытов температуры «сухого» и «влажного» термометров оказаться одинаковыми?
4. При каком условии разности показаний термометров наибольшая?
5. Может ли температура «влажного» термометра оказаться выше температуры «сухого» термометра?
6. Сухой и влажный термометр психрометра показывают одну и ту же температуру. Какова относительная влажность воздуха?
7. Каким может быть предельное значение относительной влажности воздуха?

Психрометрическая таблица.

tсухого,0С	Разность показаний сухого и влажного термометров
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
5	100	86	72	58	45	32	19	6
6	100	86	73	60	47	35	23	10
7	100	87	74	61	49	37	26	14
8	100	87	75	63	51	40	28	18
9	100	88	76	64	53	42	31	21
10	100	88	76	65	54	44	34	24	14	4
11	100	88	77	66	56	46	36	26	17	8
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	90	79	70	60	51	42	33	25	17	9
15	100	90	80	71	61	52	44	36	27	20	12	5
16	100	90	81	71	62	54	45	37	30	22	15	8
17	100	90	81	72	64	55	47	39	32	24	17	10
18	100	91	82	73	64	56	48	41	34	26	20	13
19	100	91	82	74	65	58	50	43	35	29	22	15
20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24	18
21	100	91	83	75	67	60	52	46	39	32	26	20
22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28	22
23	100	92	84	76	69	61	55	48	42	36	30	24
24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31	26
25	100	92	84	77	70	63	57	50	44	38	33	27
26	100	92	85	78	71	64	58	51	45	40	34	29
27	100	92	85	78	71	65	59	52	47	41	36	30
28	100	93	85	78	72	65	59	53	48	42	37	32

   Лабораторная работа № 10

   Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

   Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

   Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

   Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости

   Как и любая механическая система, поверхностный слой жидкости стремится уменьшить потенциальную энергию и сокращается. При этом совершается работа А:

 

   где σ - коэффициент поверхностного натяжения. Единицы измерения Дж/м² или Н/м

     или  

   где F – сила поверхностного натяжения, l – длина границы поверхностного слоя жидкости.

   Поверхностное натяжение можно определять различными методами. В лабораторной работе используется метод отрыва капель.

   Опыт осуществляют со шприцом, в котором находится исследуемая жидкость. Нажимают на поршень шприца так, чтобы из отверстия узкого конца шприца медленно падали капли. Перед моментом отрыва капли сила тяжести F_тяж=m_капли·g  равна силе поверхностного натяжения F, граница свободной поверхности – окружность капли

 l=π·d_капли

   Следовательно:

 

   Опыт показывает, что d_капли =0,9d, где d – диаметр канала узкого конца шприца.

   Массу капли можно найти, посчитав количество капель n и зная массу всех капель m.

   Масса капель m будет равна массе жидкости в шприце. Зная объем жидкости в шприце V и плотность жидкости ρ можно найти массу m=ρ·V

Ход работы. 

1. Начертите таблицу:

№ опыта	Масса капель m, кг	Число капель n	Диаметр канала шприца d, м	Поверхност-ное натяжение σ, Н/м	Среднее значение поверхностного натяжения σср, Н/м	Табличное значение поверхност-ного натяжения σтаб, Н/м	Относительная погрешность δ %
1	1*10-3		2,5*10-3			0,072
2	2*10-3		2,5*10-3
3	3*10-3		2,5*10-3

  Опыт 1

2. Наберите в шприц 1 мл воды («один кубик»).
3. Подставьте под шприц сосуд для сбора воды и, плавно нажимая на поршень шприца, добейтесь медленного отрывания капель. Подсчитайте количество капель в 1 мл и результат запишите в таблицу.

5. Вычислите поверхностное натяжение по формуле 

           Результат запишите в таблицу. 

6. Повторите опыт с 2 мл и 3 мл воды.
7. Найдите среднее значение поверхностного натяжения 

           Результат запишите в таблицу.

8. Сравните полученный результат с табличным значением поверхностного натяжения с учетом температуры.
9. Определите относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

 

           Результат запишите в таблицу.

10. Сделайте вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?
3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?
4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?
5. Почему следует добиваться медленного падения капель?

Лабораторная работа № 12

Тема: ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

 Цель работы

Определение температурного коэффициента линейного расширения металлического стержня в некотором интервале температур.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Тепловое расширение – это изменение размеров тела в процессе его нагревания при постоянном давлении.

Причины теплового расширения можно понять, рассматривая классический осциллятор с учетом ангармоничности его колебаний.

Ангармоничность колебаний частиц твердого тела обусловлена характером зависимости сил взаимодействия между атомами от расстояния между ними.

Независимо от природы сил, возникающих при сближении частиц (атомов или молекул), общий характер их остается одинаковым (рис. 14.1 а) [1]: на относительно больших расстояниях появляются силы притяжения F_n  , быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния r между частицами; на малых расстояниях возникают силы отталкивания F_от , которые с уменьшением r увеличиваются значительно быстрее, чем F_n.

На расстоянии r = r_o силы отталкивания уравновешивают силы притяжения и результирующая сила взаимодействия F обращается в нуль, а энергия взаимодействия достигает минимального значения U_o (рис. 14.1 б). Эти расстояния r_o определяют размер тела при абсолютном нуле температуры.

С повышением температуры частицы начинают колебаться около положений равновесия. Допустим частица 1 (рис. 14.2) закреплена неподвижно и колеблется лишь частица 2 вдоль оси х. Колеблющаяся частица обладает кинетической энергией, достигающей наибольшего значения E_к в момент прохождения положения равновесия О. На рис. 14.2 энергия E_к отложена вверх от дна потенциальной ямы авс.

При движении частицы 2 влево от положения равновесия кинетическая энергия расходуется на преодоление сил отталкивания ее от частицы 1 и переходит в потенциальную энергию взаимодействия частицы. Отклонение влево происходит до тех пор, пока вся кинетическая энергия частиц E_к не перейдет в потенциальную, которая увеличивается до U₁ =E_к , а частица 2 сместится предельно влево на расстояние х1.

При движении частицы 2 вправо от положения равновесия кинетическая энергия расходуется на преодоление сил притяжения ее к частице 1 и также переходит в потенциальную энергию взаимодействия частиц. На расстоянии х2 от положения равновесия вся кинетическая энергия E_к переходит в потенциальную.

Если бы частица 2 совершала гармонические колебания, то сила, возникающая при смещении х частицы из положения равновесия, удовлетворяла бы закону Гука

F = -k · x      

(14.1)

а изменение потенциальной энергии U(х)

U(x) = (k · x² ) / 2

(14.2)

описывалось бы симметричной параболой а′ в с′ (см. рис. 14.2). Потому отклонения х₁ и х₂ были бы одинаковыми по величине и середина размаха АВ совпала бы с положением равновесия О. Нагревание тела в этом случае не могло бы вызвать его расширения, так как с увеличением температуры происходило бы лишь увеличение амплитуды колебаний частицы, а средние расстояния между ними оставались бы неизменными.

В действительности же потенциальная кривая авс (см. рис. 14.2) является несимметричной, т.к. ее левая ветвь ва поднимается круче правой ветви вс.

Для учета асимметрии потенциальной кривой необходимо ввести дополнительный член (g · x³ ) / 3, тогда (14.1) и (14.2) примут следующий вид:

При х > 0 член ( g · x³ ) / 3 вычитается, а при х < 0, он прибавляется к (k · x²) /2,
что приводит к асимметрии потенциальной кривой.

Несимметричный характер потенциальной кривой приводит к тому, что отклонения частицы 2 вправо и влево оказываются неодинаковыми: вправо частица отклоняется сильнее, чем влево (см. рис. 14.2).

Вследствие этого среднее положение частицы 2 (точка О₁) уже не совпадает с положением равновесия О, а смещается вправо. Это соответствует увеличению среднего расстояния между частицами на <х>.

Таким образом, причиной теплового расширения тел является ангармонический характер колебаний частиц твердого тела, обусловленный ассиметрией кривой зависимости энергии взаимодействия частиц от расстояния между ними.

Количественно тепловое расширение твердых тел характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения α, который показывает, на какую долю первоначальной длины l изменяются размеры тела при нагревании его на один градус, и определяется соотношением

α = (1 / l) · (dl / dT)

(14.4)

Коэффициент α зависит от природы T твердых тел и вследствие анизотропии кристаллов может быть различным в различных направлениях. Коэффициент линейного расширения α в области низких температур зависит также от температуры: вблизи абсолютного нуля коэффициент α уменьшается с понижением температуры пропорционально кубу температуры, стремясь к нулю при абсолютном нуле.

В области высоких температур для большинства материалов коэффициент линейного расширения практически не зависит от температуры, и тогда длина твердого тела возрастает линейно с температурой, а коэффициент α определяется выражением:

α = (1 / l) · (Δl / ΔT)

(14.5)

где l - длина тела при некоторой начально ∆T температуре Т₁;
∆l   -   удлинение   тела   при   нагревании   его   от   температуры   Т₁   до   Т₂ (∆Т = Т₂ - Т ₁).

По формуле (14.5) и определяют температурный коэффициент линейного расширения металлического стержня в данной работе.

 Описание лабораторной установки

Исследуемый стержень 1 вместе с цилиндрическим нагревателем (рис. 14.3) помещен на столике 2 горизонтального оптиметра между контактными измерительными наконечниками 3 и 4, надеваемыми на штифты трубки оптиметра и пиноли 6.

Контакт 4 может перемещаться при вращении винта 8 и крепится винтами 5 и 7 неподвижно, а другой контакт 3 перемещается по мере удлинения стержня при нагревании. Перемещение этого контакта определяется по шкале, которую можно наблюдать в окуляр 9. Для освещения шкалы в поле зрения служат осветитель 11 и зеркало 10.

ВНИМАНИЕ! НЕЛЬЗЯ КАСАТЬСЯ РУКАМИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (линз, зеркала) ПРИБОРА!

Электрический нагреватель 1 включается в сеть через трансформатор.

Для измерения температуры исследуемого стержня используется точечный терморезистор, вмонтированный в стержень. Контакты терморезистора выведены на столик и подключены к измерителю сопротивления.

Проведения эксперимента и обработка результатов

Для определения температурного коэффициента линейного расширения по формуле (14.5) необходимо измерить длину стержня l при некоторой температуре (например, комнатной), определить удлинение его при нагревании и соответствующее этому удлинению изменение температуры.

Удлинение стержня определяется по шкале оптиметра. Видимое в окуляр смещение шкалы на одно деление соответствует перемещению измерительного контакта (шрифта) 3, а следовательно, удлинению стержня на 1 мкм.

Температура стержня при нагревании определяется по сопротивлению терморезистора (активного полупроводникового элемента, электрическое сопротивление которого зависит от температуры). При нагревании сопротивление R терморезистора уменьшается. График зависимости R(T) для используемого в работе терморезистора приведен на лабораторном столе. Измерив сопротивление R терморезистора, по этому графику можно определить температуру стержня при любом его удлинении.

Ход работы

1. Установите ручку трансформатора нагревателя на деление «нуль», затем включите осветитель прибора в сеть.
2. Отпустите винты 5 и 7 (см. рис. 14.3) и перемещая столик 2 и пиноль 6, установите их так, чтобы наконечники 3 и 4 касались с обоих концов стержня, а в поле зрения окуляра 9 появилась шкала. Винтом 5 закрепите пиноль 6.
3. Зеркальцем 10 добейтесь хорошей освещенности шкалы в поле зрения окуляра 9.
4. Вращая винт 8 пиноли, установите правый край шкалы (деление + 100) против указателя. Закрепите пиноль винтом 7.
5. Ознакомьтесь с измерителем сопротивления и подготовьте его к работе (инструкция на лабораторном столе).
6. Измерьте сопротивление R терморезистора при комнатной температуре, занесите результат в таблицу, при этом ∆ l = 0.
7. Включите нагреватель, для чего установите ручку трансформатора на де-ление «40 В», предварительно включив трансформатор в сеть.
8. Проводите измерения сопротивления R терморезистора через каждые 20 мкм удлинения стержня (20 делений шкалы) до общего удлинения       – 200 мкм. Данные заносите в таблицу.
9. Отключите нагреватель и проведите измерения сопротивления терморезистора при остывании стержня также через каждые 20 мкм.
10. Отключите установку.

Обработка результатов измерений

1. Для каждого удлинения вычислите среднее значение сопротивления терморезистора.
2. По средним значениям сопротивления определите температуру стержня, пользуясь графикомзависимости R(Т) терморезистора. Определите приращения температуры ∆Т, соответствующие каждому удлинению.
3. Изобразите графически зависимость ∆l = ƒ(∆Т). Через экспериментальные точки проведите прямую так, чтобы она лежала ближе к точкам и чтобы по об стороны ее оказалось приблизительно равное их количество.
4. Из графика определите отношение ∆l / ∆T, подставьте найденное значение в формулу (14.5) и определите температурный коэффициент линейного расширения стержня. Длина стержня приведена на лабораторном столе.
5. По значению α определите материал, из которого изготовлен стержень (смотрите таблицу на лабораторном столе).

Контрольные вопросы

1. Каков характер взаимодействия между атомами в твердых телах? Как силы взаимодействия атомов зависят от расстояния между ними?
2. Как объяснить тепловое расширение твердых тел?
3. Каков физический смысл температурного коэффициента линейного расширения?
4. Назовите размерность коэффициента линейного расширения в СИ.
5. Как определяется в работе температура стержня?
6. Перечислите основные источники погрешности определения α

Лабораторная работа № 13

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА

Цель: исследование тепловых свойств веществ, объяснение поведения веществ при различных температурах

Оборудование: крошки парафина, две пробирки, держатель для пробирок, термометры, подставка для пробирок, весы и гири, плитка, сосуд с горячей водой; микроскоп школьный, деревянная палочка, предметные стекла.

Ход работы

В Вашем распоряжении имеются две одинаковые пробирки. В одной из них находится застывший парафин, а другая пустая. Определите с помощью весов массы пустой пробирки и пробирки с парафином. Разность этих масс и составит массу парафина.

Поставьте пробирку с парафином в сосуд с горячей водой до полного растворения парафина и нагрева его до температуры воды Т₁ (порядка 70^оС). Выньте пробирку держателем из воды и оберните ее бумагой (для уменьшения теплообмена с окружающей средой). Установите теплоизолированную пробирку в штатив для пробирок. Измеряйте температуру парафина каждые 30 с (термометр желательно располагать в центре пробирки). Составьте таблицу значений зависимости температуры от времени (не менее 20 минут). По данным таблицы постройте график зависимости температуры парафина от времени.

По виду графика выясните кристаллическое вещество парафин или аморфное. Объясните поведение парафина при разных температурах.

Для расчета тепловых свойств парафина нужно знать мощность теплопередачи в окружающую среду. Она различна в разных температурных интервалах. Поэтому Вам придется провести еще один опыт, взяв другую такую же пробирку и налив в нее горячую воду при температуре Т₁ и сняв температурную зависимость остывающей воды от времени. При одинаковых условиях проведения опыта можно считать, что значения теплопередачи в различных температурных интервалах равны: , где с₁ и с₂ удельные теплоемкости парафина в жидком состоянии и воды, m₁ и m₂ массы парафина и воды соответственно. Отсюда следует, что . Удельную теплоемкость воды считать известной.

Аналогично определить удельную теплоемкость парафина в твердом состоянии.

Удельную теплоту кристаллизации можно получить, считая, что процесс кристаллизации идет при средней мощности тепловых потерь. Формулу для вычислений получите самостоятельно.

В качестве отчета о выполнении работы предложите значения температуры кристаллизации парафина, значение удельной теплоемкости парафина в жидком и твердом состояниях, удельную теплоту плавления.

Проверьте результаты опыта, построив график зависимости температуры от времени при нагревании и плавлении парафина.

Пронаблюдайте рост кристаллов парафина с помощью микроскопа. Какую кристаллическую решетку имеет парафин?

Лабораторная работа № 14

Тема: ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ,  ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ  ПРОВОДНИКОВ.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Данная лабораторная работа состоит из двух частей: параллельное соединение проводников и изучение последовательного соединения проводников. Необходимо выполнить обе части лабораторной работы последовательно.

В данной лабораторной работе теоретические основы подготовьте самостоятельно. Воспользовавшись учебником физики за 10 класс или иной литературой предложенной преподавателем, письменно ответьте на подготовительные вопросы:

4.      Запишите Закон Ома для участка цепи.

5.      Какое соединение проводников называется последовательным, а какое параллельным?

6.      В чем отличия соединения проводников.

7.      Запишите расчетные формулы силы тока, напряжения, сопротивления при последовательном и при параллельном соединении проводников.

Часть I.  «Параллельное соединение проводников»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить общее сопротивление двух параллельно соединенных 

                                проволочных резисторов.

ОБОРУДОВАНИЕ: ЛИП (лабораторный источник питания), вольтметр, 3 амперметра, 2 реостата, соединительные провода.

Ход работы:

1. Расположите на столе приборы в соответствии со схемой.
2. Соберите цепь по схеме, соблюдая полярность подключаемых приборов.

 

3.      Запишите показания трех амперметров и вольтметра.

4.      Используя закон Ома для участка цепи

рассчитайте сопротивление:

ü  1 участка  

ü  2 участка 

ü  общее сопротивление по двум формулам

   и   

5. Занесите результаты измерений и вычислений в таблицу:

I, A	I1, A	I2, A	U, B	R1, Ом	R2, Ом	, Ом	, Ом

6. Сравните результаты вычислений общего сопротивления и сделайте вывод (запишите что делали, как именно делали, что ожидали, что получили)

Часть II.  «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить общее сопротивление двух последовательно соединенных 

                                проволочных резисторов.

ОБОРУДОВАНИЕ: ЛИП, 3 вольтметра, амперметр, 2 реостата, соединительные провода.

Ход работы:

1. Расположите на столе приборы в соответствии со схемой.
2. Соберите цепь по схеме, соблюдая полярность подключаемых приборов.

 

3. Запишите показания амперметра и трех вольтметров.
4. Используя закон Ома для участка цепи

рассчитайте сопротивление:

- сопротивление первого резистора  

- сопротивление второго резистора 

- общее сопротивление цепи по двум формулам :    и   

5. Занесите результаты измерений и вычислений в таблицу:

U, B	U1, B	U2, B	I, A	R1, Ом	R2, Ом	, Ом	, Ом

7. Сравните результаты вычислений общего сопротивления и сделайте вывод (запишите что делали, как именно делали, что ожидали, что получили)

Лабораторная работа № 15

Тема: ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ

Теоретическая часть:

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать силаВ результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах(А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе ₁₂, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

U12 = φ1 – φ2 + 12.

Величину U₁₂ принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

U12 = φ1 – φ2.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R = const.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диодили газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

IR = U12 = φ1 – φ2 +  = Δφ12 + .

Описание лабораторной работы № 15

Цель работы:

Углубление знаний о законе Ома для участков цепи и о законе Ома для полной цепи. Применения правил Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока.

Оборудование: учебно-лабораторный стенд «Законы постоянного тока», мультиметр, три-четыре резистора с известными сопротивлениями, два гальванических элемента разных типов, соединительные провода.

Введение

Постановка задачи о расчете цепи постоянного тока: «Зная величины действующих в цепи э.д.с., внутренние сопротивления источников тока и сопротивления всех элементов цепи, рассчитать силы токов на каждом участке цепи и падение напряжения на каждом элементе».

При решении этой задачи используются:

закон Ома для участка цепи , (1)

I – сила тока, U – напряжение на участке цепи, R – сопротивление участка;

закон Ома для полной цепи , (2)

I – сила тока, e - э.д.с. источника тока, R – сопротивление внешней цепи, r – внутреннее сопротивление источника тока.

Непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров и несколько источников тока, производится с помощью двух правил Кихгофа.

Любая точка в разветвленной цепи, в которой сходится не менее трех проводников с током, называется узлом. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, - отрицательным.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сила токов, сходящихся в узле, равна нулю:

(3)

Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме э.д.с., встречающихся в контуре:

(4)

Описание стенда «Законы постоянного тока»

В работе используется стенд, состоящий из двух источников тока (гальванических элементов), набора из четырёх резисторов с известными сопротивлениями, мультиметра и набора соединительных проводов.

1. При сборке электрических цепей необходимо обеспечить хороший контакт в каждом соединении.
2. Соединительные провода закручиваются под клеммы по часовой стрелке.
3. При измерении сил токов и напряжений щупы мультиметра должны быть плотно прижаты к клеммам.
4. Измерения производятся при кратковременном замыкании цепи кнопкой.
5. Не следует длительное время оставлять цепь в собранном состоянии.

Прежде всего, изучите правила измерений с помощью универсального электроизмерительного прибора – мультиметра.

Измерение, обработка и представление результатов измерений

Задание 1. Определение э.д.с. источников тока

Э.д.с. источника тока можно с достаточно большой степенью точности измерить непосредственно с помощью вольтметра. Но при этом следует иметь в виду, что при этом измеряемое напряжение меньше истинного значения э.д.с. на величину падения напряжения на самом источнике тока.

, (5)

где U – показания вольтметра.

Разница между истинным значением э.д.с. и измеренным напряжением при этом равна:

. (6)

При этом относительная погрешность измерения э.д.с. равна:

(7)

Обычно сопротивление источника тока (гальванического элемента) равно несколько Ом (например, 1Ом). Если даже сопротивление вольтметра мало (например, 100 Ом), то и в этом случае погрешность прямого измерения э.д.с. составляет всего » 1%. Хороший вольтметр, в том числе используемый в мультиметре, имеет сопротивление порядка 10⁶ Ом. Ясно, что при использовании такого вольтметра можно считать, что показание вольтметра практически равно измеряемой э.д.с источника тока.

1. Подготовьте мультиметр к измерению постоянного напряжения до 2 В.

2. Не вынимая гальванические элементы из креплений, измерьте и запишите их э.д.с. с точностью до сотых долей вольта.

3. Э.д.с. величина всегда положительная. Соблюдайте полярность при подключении мультиметра к источникам тока. Красный щуп мультиметра присоединяется к «+» источника тока.

Задание 2. Измерение внутреннего сопротивления источников тока

Внутреннее сопротивление источника тока можно вычислить с помощью закона Ома:

. (8)

1. Подготовьте мультиметр для измерения силы постоянного тока до 10(20) А.

2. Составьте электрическую цепь из последовательно соединенного источника тока, резистора (одного из набора) и амперметра.

3. Измерьте силу тока в цепи.

4. Рассчитайте и запишите величину внутреннего сопротивления источника.

5. Аналогичные измерения проделайте для другого элемента.

Задание 3. Расчёт электрической цепи постоянного тока

1. Соберите электрическую цепь по схеме, предложенной преподавателем (схемы 1-7).

2. Зачертите схему в отчет по работе и укажите номиналы выбранных резисторов.

3. С помощью правил Кирхгофа рассчитайте силы токов во всех ветвях цепи. Вычислите падения напряжений на каждом резисторе.

4. С помощью мультимета измерьте силу тока в доступном для измерения месте. Измерьте падение напряжения на каждом резисторе.

5. В выводе сравните измеренные и расчетные значения и укажите причины возможных расхождений.

Задание 4. Соединение источников тока в батареи

1. Источники тока могут соединятся в батареи двумя основными способами: параллельно и последовательно. Если источники соединяются последовательно, то их э.д.с. и внутренние сопротивления складываются:

(9)

При параллельном соединении одинаковых источников тока общая э.д.с. батареи равна э.д.с. одного источника, а внутреннее сопротивление батареи в n раз меньше внутреннего сопротивления одного источника тока: (10)

Соберите цепи по схемам 8, 9, в которых реализуются обе схемы соединения. Рассчитайте и измерьте силу тока в цепи при этих соединениях. В выводе сравните расчетные и измеренные значения.

Лабораторная работа № 16

Тема:  ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

а) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вдвигается и выдвигается постоянный магнит. На гальванометре будет отклонение стрелки, и оно будет тем больше, чем быстрее происходит вдвижение и выдвижение. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится.

б) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вставлена катушка (другой соленоид), через которую пропускается ток. При включении и выключении (т.е. при любом изменении тока) происходит отклонение стрелки гальванометра. Направление отклонения изменяется при включении – выключении, уменьшении – увеличении тока, вдвигании – выдвигании катушек.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает индукционный (наведенный) электрический ток.

Возникновение индукционного тока означает, что в контуре действует электродвижущая сила ?_i – ЭДС индукции.

I

 ЭДС индукции, возникающая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром – закон Фарадея.

В 1834 г. Э.Х.  Ленц установил закон, позволяющий определить направление индукционного тока.

Правило Ленца: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Знак минус в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца.

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит не из одного витка, а из N витков (например, соленоид), то если витки соединены последовательно, ?_i будет равна сумме ЭДС, индуцируемых в каждом из витков в отдельности:

- потокосцепление или полный магнитный поток.

Если Ф₁ =Ф₂=…=Ф_n, то

Т.к. Ф_B=BScosα, то для того чтобы изменить магнитный поток Ф можно изменить:

1) магнитное поле ;

2) площадь S;

3) угол α.

Описание лабораторной работы  

Цель работы - изучить явление электромагнитной индукции.

Приборы: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, магнит полосовой.

Порядок выполнения работы

I.Выяснение условий возникновения индукционного тока.

1.Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.  

2. Наблюдая за показаниями  миллиамперметра, отметьте, возникал ли индукционный ток, если:

-     в неподвижную катушку  вводить магнит,

-      из неподвижной катушки  выводить магнит,

-     магнит разместить внутри катушки, оставляя неподвижным.

3. Выясните, как изменялся магнитный поток Ф, пронизывающий катушку в каждом случае. Сделайте вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.

II. Изучение направления индукционного тока.

1.О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.

Проверьте, одинаковым ли будет направление индукционного тока, если:

-     вводить в катушку и удалять магнит северным полюсом;

-     вводить магнит  в катушку магнит северным полюсом и южным полюсом.

2.Выясните, что изменялось в  каждом случае. Сделайте вывод о том, от чего зависит направление индукционного тока.

III. Изучение величины индукционного тока.

1.Приближайте магнит к неподвижной катушке медленно и  с большей скоростью, отмечая, на сколько делений (N₁, N₂) отклоняется стрелка миллиамперметра.

2. Приближайте магнит  к катушке  северным полюсом. Отметьте, на сколько делений  N₁ отклоняется стрелка миллиамперметра.

К  северному полюсу дугообразного магнита приставьте северный полюс полосового магнита. Выясните, на сколько делений  N₂ отклоняется стрелка миллиамперметра при приближении одновременно двух магнитов.

3.Выясните, как изменялся магнитный поток в каждом случае. Сделайте вывод, от чего зависит величина индукционного тока.

Ответьте на вопросы:

1.В катушку из медного провода сначала быстро, затем медленно вдвигают магнит. Одинаковый ли электрический заряд при этом переносится через сечение провода катушки?

2.Возникнет ли индукционный ток в  резиновом кольце при введении в него магнита?

Лабораторная работа № 17

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НИТИ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Цель работы: исследовать зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Измерьте электрическое сопротивление нити лампы накаливания при комнатной температуре и при свечении нити лампы. Определите температуру светящейся нити.

Оборудование: лампа накаливания (6,3 В), вольтметр (до 15 В), авометр АВО-63, источник электропитания ИЭПП-2, соединительные провода.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Зависимость электрического сопротивления R, металлов от температуры выражается формулой R=R₀(l+at), где R — электрическое сопротивление металлического образца при температуре t; R₀ — электрическое сопротивление его при 0°С; a — температурный коэффициент электрического сопротивления для данного вещества. Если известны значения электрического сопротивления образца R₀ при 0°С и R, в нагретом состоянии, а также температурный коэффициент электрического сопротивления а, то температуру t можно вычислить по формуле t=(R/R₀-1)/a

Ход работы

1. Измерьте электрическое сопротивление нити лампы накаливания при комнатной температуре с помощью омметра. Считайте полученное значение примерно равным электрическому сопротивлению R₀ нити лампы при 0°С.

2. Подключите лампу к выводам источника электропитания. Измерьте силу тока в цепи при напряжении 6,3 В на концах нити лампы. Вычислите электрическое сопротивление R, нити лампы в нагретом состоянии:   R=U/I

3. По найденным значениям электрического сопротивления нити лампы R и R₀ и известному значению температурного коэффициента электрического сопротивления вольфрама a=4,8×10^-3 К^-1 вычислите температуру t нити лампы. Оцените границы погрешностей измерений.

Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

R0, Ом	U, B	I, A	R, Ом	t, °C	e	∆t, °C

Контрольные вопросы

1. Почему электрическое сопротивление металлов зависит от температуры?

2. Каковы основные источники погрешностей измерений в данном эксперименте?

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

4. Почему в данной работе электрическое сопротивление нити лампы при комнатной температуре можно считать приблизительно равным ее электрическому сопротивлению при 0°С?

Лабораторная работа № 18

Тема: ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТОКА.

Цель работы: научиться измерять ЭДС (E) источника тока и косвенными измерениями определять его внутреннее сопротивление.

Оборудование: аккумулятор или батарейка для карманного фонаря; вольтметр; амперметр; реостат; ключ.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

При разомкнутом ключе (рисунок) ЭДС источника тока равна напряжению на внешней цепи. В эксперименте источник тока замкнут на вольтметр, сопротивление которого R_в должно быть много больше внутреннего сопротивления источника тока г. Обычно сопротивление источника тока достаточно мало, поэтому для измерения напряжения можно использовать школьный вольтметр со шкалой 0-6 В и сопротивлением R_в = 900 Ом (см. надпись под шкалой прибора). Так как R_в » г, отличие E от U не превышает десятых долей процента, а потому погрешность измерения ЭДС равна погрешности измерения напряжения.

Внутреннее сопротивление источника тока можно измерить косвенным путем, сняв показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе. Действительно, из закона Ома для замкнутой цепи (см. § 108) получаем E = U + Ir, где U = IR - напряжение на внешней цепи (R - сопротивление реостата). Поэтому г_пр = (E_пр - U_пр)/I_пр. Для измерения силы тока в цепи можно использовать школьный амперметр со шкалой 0-2 А. Максимальные погрешности измерений внутреннего сопротивления источника тока определяются по формулам ε_пр = (ΔE + ΔU)/(E_пр - U_пр) + ΔI/I_пр, Δr = r_прε_r

Указания к работе

1. Подготовьте бланк отчета со схемой электрической цепи и таблицей для записи результатов измерений и вычислений.

№	Измерено			Вычислено
	Uпр, В	Iпр, А	Eпр, В	ΔиU, В	ΔоU, В	ΔU, В	εU, %	εE, %	rпр, Ом
Измерение E
Измерение r
Вычислено
Измерение E				ΔиI, А	ΔоI, А	ΔI, А	εI, %	εr, %	Δr, Ом
Измерение r

2. Соберите электрическую цепь согласно рисунку. Проверьте надежность электрических контактов, правильность подключения амперметра и вольтметра.

3. Проверьте работу цепи при разомкнутом и замкнутом ключе.

4. Измерьте ЭДС источника тока.

5. Снимите показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе и вычислите r_пр. Вычислите абсолютную и относительную погрешности измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока, используя данные о классе точности приборов.

6. Запишите результаты измерений ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока:

E = E_пр ± ΔE, ε_E = ...%

r = r_пр ± Δr, ε_r = ...%

Лабораторная работа № 19 Тема: ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДА КОЛЕБАНИЙ НИТЯНОГО МАЯТНИКА ОТ ДЛИНЫ НИТИ.  Оборудование: штатив с перекладиной и муфтой, нить с петлями на концах, груз с крючком, линейка, электронный секундомер Цель работы: состоит в экспериментальной проверке формулы, связывающей пе­риод колебаний маятника с длиной его подвеса. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ    Рассмотрим колебания нитяного маятника, т.е. небольшого тела (например, шарика), подвешенного на нити, длина которой значительно превышает размеры самого тела. Если шарик отклонить от положения равновесия и отпустить, то он начнет колебаться. Сначала маятник движется с нарастающей скоростью вниз. В положении равновесия скорость шарика не равна нулю, и он по инерции движется вверх. По достижении наивысшего положения шарик снова начинает двигаться вниз. Это будут свободные колебания маятника.    Свободные колебания – это колебания, которые возникают  в системе под действием внутренних сил, после того, как система была выведена из положения устойчивого равновесия.    Колебательное движение характеризуют амплитудой, периодом и частотой колебаний.    Амплитуда колебаний - это наибольшее смещение колеблющегося тела от положения равновесия. Обозначается А. Единица измерения - метр [1м].    Период колебаний - это время, за которое тело совершает одно полное колебание. Обозначается Т. Единица измерения - секунда [1с].    Частота колебаний - это число колебаний, совершаемых за единицу времени. Обозначается ν. Единица измерения - герц [1Гц].    Тело, подвешенное на невесомой нерастяжимой нити называют математическим маятником.    Период колебаний математического маятника определяется формулой:  (1), где l – длина подвеса, а g – ускорение свободного падения.    Период колебаний математического маятника зависит:    1) от длины нити. Период колебаний математического маятника пропорционален корню квадратному из длины нити . Т.е., например при уменьшении длины нити в 4 раза, период уменьшается в 2 раза; при уменьшении длины нити в 9 раз, период уменьшается в 3 раза.    2) от ускорения свободного падения той местности, где происходят колебания. Период колебаний математического маятника обратнопропорционален корню квадратному из ускорения свободного падения .    Тело, подвешенное на пружине называют пружинным маятником.    Период колебаний пружинного маятника определяется формулой , где m - масса тела, k - жесткость пружины.   Период колебаний пружинного маятника зависит:    1) от массы тела. Период колебаний пружинного маятника пропорционален корню квадратному из массы тела .    2) от жесткости пружины. Период колебаний пружинного маятника обратнопропорционален корню квадратному из жесткости пружины.    В работе мы исследуем колебания математического маятника. Из формулы  следует, что период колебаний изменится вдвое при изменении длины подвеса в четыре раза.    Это следствие и проверяют в работе. Поочередно испытывают два маятника, длины подвесов которых отличаются в четыре раза. Каждый из маятников приводят в движение и измеряют время, за которое он совершит определённое количество колебаний. Чтобы уменьшить влияние побочных факторов, опыт с каждым маятником проводят несколько раз и находят среднее значение времени, затраченное маятником на совершение заданного числа колебаний. Затем вычисляют периоды маятников и находят их отношение. Выполнение работы.    1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений: l, м № опыта N t, с tср, с Т, с ν, Гц l1 = 1 30 2 30 3 30 4 30 l2 = 1 30 2 30 3 30 4 30    2. Закрепите перекладину в муфте у верхнего края стержня штатива. Штатив разместите на столе так, чтобы конец перекладины выступал за край поверхности стола. Подвесьте к перекладине с помощью нити один груз из набора. Расстояние от точки повеса до центра груза должно быть 25-30 см.    3. Подготовьте электронный секундомер к работе в ручном режиме.    4. Отклоните груз на 5-6 см от положения равновесия и замерьте время, за которое груз совершит 30 полных колебаний (при отклонении груза следите, чтобы угол отклонения не был велик).    5. Повторите измерение 3-4 раза и определите среднее время tср1=(t1+t2+t3+t4)/4    6. Вычислите период колебания груза с длиной подвеса 25-30 см по формуле .    7. Увеличьте длину подвеса в четыре раза.    8. Повторите серию опытов с маятником новой длины и вычислите его период колебаний по формуле .     9. Вычислите частоты колебаний для обеих маятников по формулам  и .    10. Сравните периоды колебаний двух маятников, длины которых отличались в четыре раза, и сделайте вывод относительно справедливости формулы (1). Укажите возможные причины расхождения результатов.    11. Ответьте на контрольные вопросы. Контрольные вопросы    1. Что называют периодом колебаний маятника?    2. Что называют частотой колебаний маятника? Какова единица частоты колебаний?    3. От каких величин и как зависит период колебаний математического маятника?    4. От каких величин и как зависит период колебаний пружинного маятника?    5. Какие колебания называют собственными?

Лабораторная работа № 20

Тема:  ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СИЛЫ ТОКА ОТ ЭЛЕКТРОЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Закон Ома для цепи переменного тока. Мощность.

соотношения, связывающие амплитуды переменных токов и напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности:

(*)

Эти соотношения во виду напоминают закон Ома для участка цепи постоянного тока, но только теперь в них входят не значения постоянных токов и напряжений на участке цепи, а амплитудные значения переменных токов и напряжений.

Соотношения (*) выражают закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего один из элементов R, L и C. Физические величины R, и ωL называются активным сопротивлением резистора, емкостным сопротивлением конденсатора и индуктивным сопротивлением катушки.

При протекании переменного тока по участку цепи электромагнитное поле совершает работу, и в цепи выделяется джоулево тепло. Мгновенная мощность в цепи переменного тока равна произведению мгновенных значений тока и напряжения: p = J · u. Практический интерес представляет среднее за период переменного тока значение мощности

Здесь I₀ и U₀ – амплитудные значения тока и напряжения на данном участке цепи, φ – фазовый сдвиг между током и напряжением. Черта означает знак усреднения. Если участок цепи содержит только резистор с сопротивлением R, то фазовый сдвиг φ = 0:

Для того, чтобы это выражение по виду совпадало с формулой для мощности постоянного тока, вводятся понятия действующих или эффективных значений силы тока и напряжения:

Средняя мощность переменного тока на участке цепи, содержащем резистор, равна

Если участок цепи содержит только конденсатор емкости C, то фазовый сдвиг между током и напряжениемПоэтому

Аналогично можно показать, что P_L = 0.

Таким образом, мощность в цепи переменного тока выделяется только на активном сопротивлении. Средняя мощность переменного тока на конденсаторе и катушке индуктивности равна нулю.

Рассмотрим теперь электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки. Цепь подключена к источнику переменного тока частоты ω. На всех последовательно соединенных участках цепи протекает один и тот же ток. Между напряжением внешнего источника e (t) и током J (t) возникает фазовый сдвиг на некоторый угол φ. Поэтому можно записать

J (t) = I0 cos ωt;   e (t) = 0 cos (ωt + φ).

Такая запись мгновенных значений тока и напряжения соответствует построениям на векторной диаграмме (рис. 2.3.2). Средняя мощность, развиваемая источником переменного тока, равна

Как видно из векторной диаграммы, U_R = ₀ · cos φ, поэтомуСледовательно, вся мощность, развиваемая источником, выделяется в виде джоулева тепла на резисторе, что подтверждает сделанный ранее вывод.

соотношение между амплитудами тока I₀ и напряжения ₀ для последовательной RLC-цепи:

Величину

называют полным сопротивлением цепи переменного тока. Формулу, выражающую связь между амплитудными значениями тока и напряжения в цепи, можно записать в виде

ZI0 = 0.

(**)

Это соотношение называют законом Ома для цепи переменного тока. Формулы (*), приведенные в начале этого параграфа, выражают частные случаи закона Ома (**).

Понятие полного сопротивления играет важную роль при расчетах цепей переменного тока. Для определения полного сопротивления цепи во многих случаях удобно использовать наглядный метод векторных диаграмм. Рассмотрим в качестве примера параллельный RLC-контур, подключенный к внешнему источнику переменного тока (рис. 2.4.1).

Описание лабораторной  работы  № 8

Цель работы:  изучить влияние электроёмкости на силу переменного тока. Оборудование: набор неполярных конденсаторов известной ёмкости, регулируемый источник переменного тока ЛАТР, миллиамперметр с пределом измерения до 100 мА переменного тока, вольтметр с пределом измерения до 75 В переменного напряжения, соединительные провода. Теория    Постоянный ток не проходит через конденсатор, так как между его обкладками находится диэлектрик. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то после зарядки конденсатора ток в цепи прекратится.    Если же включить конденсатор в цепь переменного тока, то заряд конденсатора (q=CU) вследствие изменения напряжения непрерывно изменяется, поэтому в цепи течёт переменный ток. Сила тока тем больше, чем больше ёмкость конденсатора и чем чаще происходит его перезарядка, т.е. чем больше частота переменного тока.    Сопротивление, обусловленное наличием электрической ёмкости в цепи переменного тока, называют ёмкостным сопротивлением XC. Оно обратно пропорционально ёмкости С и круговой частоте ω:     или, с учётом, что ω=2πν, где ν- частота переменного тока,   (1).                                                                                                                                                                                                        Из закона Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление, действующее значение тока в цепи равно:    (2).    Из формулы (2) следует, что в цепи с конденсатором переменный ток изменяется прямо пропорционально изменению ёмкости конденсатора при неизменной частоте тока.    Графически зависимость силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока изображается прямой линией (рис.1).      В этом и предстоит убедиться опытным путём в данной работе. Ход работы.    1. Собрать электрическую схему согласно рисунка 2 и перечертить её в тетрадь:    2. Подготовить таблицу для результатов измерений и вычислений:  Частота тока ν, Гц  Напряжение на конденсаторе U, В  Ёмкость конденсатора    С, мкФ  Ток в цепи I, мА Ёмкостное сопротивление , Ом измеренное вычисленное          50          50    3. Для каждого конденсатора из набора измерить силу тока при напряжении 50 В.            4. В каждом опыте рассчитать ёмкостное сопротивление по закону Ома для участка цепи переменного тока: , здесь I - действующее значение тока в мА, U=50 В - действующее значение напряжения.    5. В каждом опыте вычислите ёмкостное сопротивление по заданным значениям частоты переменного тока ν=50Гц и ёмкости конденсатораС: , здесь С - ёмкость в мкФ.                                                                                             6. Сравните результаты расчётов в п.4 и в п.5 и сделайте вывод о выполнимости закона Ома для участка цепи переменного тока содержащего электроёмкость с учётом погрешности измерений.            7. Постройте график зависимости силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока:    8. Запишите вывод по результатам опытов и ответьте на контрольные вопросы. Контрольные вопросы. 1. Почему постоянный ток не проходит через конденсатор? 2. Какое сопротивление называется ёмкостным? Почему оно является реактивным сопротивлением? 3. От чего и как зависит ёмкостное сопротивление? 4. Выполняется ли закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление? 5. Напряжение на конденсаторе изменяется по закону . Запишите уравнение переменного тока в цепи с конденсатором.

Лабораторная работа № 21

Тема:  «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА»

Цель работы: определить показатель преломления стекла с помощью плоскопараллельной пластинки.

Оборудование: плоскопараллельная пластинка, булавки, линейка, транспортир.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

После прохождения через стеклянную плоскопараллельную пластинку луч света смещается, однако его направление остается прежним. Анализируя ход луча света, можно с помощью геометрических построений определить показатель преломления стекла , где  и  - соответственно угол падения и угол преломления светового луча.

Ход работы:

1. Положите на стол лист картона, а на него – стеклянную пластинку.
2. Воткните в картон по одну сторону пластинки две булавки – 1 и 2 так, чтобы булавка 2 касалась грани пластинки. Они будут отмечать направление падающего луча.
3. Глядя сквозь пластинку, воткните третью булавку так, чтобы смотреть сквозь пластинку, она закрывала первые две. При этом третья булавка тоже должна касаться пластины.

4. Уберите булавки, обведите пластину карандашом и в местах проколов листа картона булавками поставьте точки.
5. Начертите падающий луч 1-2, преломленный луч 2-3, а также перпендикуляр к границе пластинки.
6. Отметьте на лучах точки А и В такие, что ОА=ОВ. Из точек А и В опустите перпендикуляры АС и ВD на перпендикуляр к границе пластинки.

7. Измерив АС и ВD, вычислите показатель преломления стекла, используя формулы:

; ; ;  

8. Повторите опыт и расчеты, изменив угол падения .
9. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

№ опыта	АС, мм	ВD, мм	n

10. Сделайте вывод.

Лабораторная работа № 22

Тема: ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ЛИНЗЫ

Цель работы

Научиться получать различные изображения при помощи собирающей линзы.

Приборы и материалы

Собирающая линза, экран, лампа с колпачком, в котором сделана прорезь, измерительная лента.

Указания к работе

1. При помощи линзы получите изображение окна на экране. Измерьте расстояние от линзы до изображения — это будет приблизительно фокусное расстояние линзы F. Оно будет измерено тем точнее, чем дальше находится экран от окна.

2. Последовательно располагайте лампу на различных расстояниях d от линзы: 1) d < F; 2) F < d < 2F; 3) d > 2F.

Каждый раз наблюдайте полученное на экране изображение прорези лампы.

3. Сравните каждое изображение с изображениями на рисунках 158, 159, 160.

4. Запишите в таблицу, каким будет изображение в каждом из указанных случаев.

5. Сформулируйте и запишите вывод о том, как меняется изображение прорези на колпачке лампы при удалении предмета (лампы) от линзы.

Дополнительное задание

Поместите лампу примерно на двойном фокусном расстоянии от линзы. Перемещая экран, получите на нём изображение, равное прорези лампы (оно будет действительным и перевёрнутым). Слегка передвигая лампу и экран, добейтесь наиболее чёткого изображения прорези. В этом случае и лампа, и экран будут находиться в двойном фокусе линзы. Вычислите фокусное расстояние и оптическую силу линзы. Собирающая линза даёт разнообразные изображения предмета. Приведите примеры использования разных видов изображений.

Лабораторная  работа № 23

Тема: ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ.

Цель работы:  определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Оборудование: дифракционная решетка с периодом 1/100 мм и 1/50 мм, измерительная установка (см. рисунок)

В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом мм или мм (период указан на решетке). Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана можно наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков.
Длина волны  определяется по формуле
 ,
где  - период решетки,  - порядок спектра,  - угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета. 
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5о, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка 8 видно, что
 .

Расстояние  отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние  - по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра. 
Окончательная формула для определения длины волны имеет вид:
 .
В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра данного света.

Ход  работы 
1.  Собрать измерительную установку, установить экран на расстоянии 50 см от решетки.
2.  Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установить ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.
Проведение эксперимента, обработка результатов измерений

1. Вычислить длину волны красного света в спектре 1-го  2го порядка , определить среднее значение результатов измерения для каждой решетки
2. Определить по таблице спектра длину волны красного цвета соответствующей середине  красного спектра.

2.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

№	d, мм	k	b, м	а, м	, м	,м
1	1/300	1
2	1/300	2
3	1/75	1
4	1/75	2

Вывод : Сравнить полученные результаты каждой решетки с длинами волн красного цвета с табличными данными.
 
Контрольные вопросы

1. Чем отличаются дифракционные решетки  используемые в работе и их спектры

Пример:   Решетка с периодом 1/75

.

Решетка с периодом 1/300

2. Какие длины волн излучения отклоняются дифракционной решеткой на большие углы.

 

3. Чем отличаются спектры , даваемые дисперсионной призмой, от дифракционных спектров

 4. Какую величину называют разрешающей способностью дифракционной решетки? Что она характеризует и от каких параметров решетки она завесит.

5. Как изменяется расстояние между максимумами дифракционной картины при удалении экрана от решетки

 6.Сколько порядков спектра можно получить от дифракционных  решеток используемых в работе?

Лабораторная работа № 24

Тема: ИЗУЧЕНИЕ ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО ФОТОГРАФИЯМ.

Цель работы: объяснить характер движения заряженных частиц.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Излучение электромагнитных волн в диапазоне радиоволн происходит при ускоренном движении электронов, например при колебаниях электронов в антенне радиопередатчика. Можно предположить, что излучение видимого света нагретыми телами также обусловлено колебательными движениями электронов, только с частотами гораздо более высокими, чем в антенне радиопередатчика.

Проверка правильности такого предположения могла быть выполнена путем сравнения теоретически предсказываемого электромагнитной теорией закона распределения энергии в сплошном спектре излучения нагретого тела с наблюдаемым экспериментально.

Пример экспериментально полученной кривой распределения энергии в спектре излучения нагретого тела представлен на рисунке 296,а. По оси абсцисс отложены длины волн, по оси ординат - мощность излучения единицы поверхности светящегося тела в единичном интервале длин волн.

Попытка теоретического вывода закона распределения энергии в сплошном спектре была сделана английским физиком Д. Рэлеем. Рэлей рассматривал излучение в замкнутом объеме как систему стоячих монохроматических волн.

Полученный из таких предположений закон распределения энергии в сплошном спектре излучения представлен на рисунке 296,б.

По этому закону мощность излучения должна непрерывно возрастать с уменьшением длины волны излучения. Это значит, что в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на самом деле не наблюдается. Если бы этот закон выполнялся во всем диапазоне частот, то полная энергия излучения светящегося тела была бы бесконечно большой.

Гипотеза Планка. Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения нагретого твердого тела, немецкий физик Макс Планк в 1900 г. высказал гипотезу, которая положила начало подлинной революции в теоретической физике. Смысл этой гипотезы заключается в том, что запас энергии колебательной системы, находящейся в равновесии с электромагнитным излучением, не может принимать любые значения. Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, обязательно должна быть равна целому кратному некоторого определенного количества энергии.

Минимальное количество энергии, которое система может поглотить или излучить, называется квантом энергии. Энергия кванта должна быть пропорциональна частоте колебаний :

.

Коэффициент пропорциональности в этом выражении носит название постоянной Планка. Постоянная Планка равна 6,626·10^-34Дж·с.

Исходя из этой новой идеи, Планк получил закон распределения энергии в спектре, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Хорошее согласие теоретически предсказанного закона с экспериментом было основательным подтверждением квантовой гипотезы Планка.

Открытие фотоэффекта. Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887 г. немецким физиком Генрихом Герцем.

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины . При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение . Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны.

Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

Законы фотоэффекта. Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839-1896) в 1888-1889 гг. Используя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами , он исследовал зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами и условий освещения электрода.

Атомное ядро. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи и прочность ядер.

Атом – это ядро из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются электроны. Размеры атомов составляют тысячные доли микрона. Но существуют и сверхгигантские«атомы» диаметром около 10 километров. Впервые подобный «атом» был открыт в 1967 году, а сейчас их известно более тысячи. Это нейтронные звезды – остатки сверхновых, которые являются фактически огромными атомными ядрами, состоящими на 90% из нейтронов и на 10% из протонов, и окружены «атмосферой» из электронов.

В 1932г. после открытия  протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.



Согласно этой модели:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов
- заряд ядра обусловлен только протонами
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента
- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z)

Условное обозначение ядра атома химического элемента:

X – символ химического элемента

А – массовое число, которое показывает :
-  массу ядра в целых атомных единицах массы  (а.е.м.)
(1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода)
-  число нуклонов в ядре
- (A = N + Z)  , где N – число нейтронов в ядре атома

Z – зарядовое число, которое показывает:
- заряд ядра в элементарных электрических зарядах (э.э.з.)
( 1э.э.з. = заряду электрона = 1,6 х 10 -19 Кл)
- число протонов
- число электронов в атоме
- порядковый номер в таблице Менделеева

Масса ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных протонов и нейтронов, его составляющих.
Это объясняется тем, что протоны и нейтроны в ядре очень сильно притягиваются друг к другу. Чтобы разъединить их требуется затратить большую работу. Поэтому полная энергия покоя ядра не равна энергии покоя составляющих его частиц. Она меньше на величину работы по преодолению ядерных сил притяжения.
Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс.

Оборудование:

• фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.

Пояснения

При выполнении данной лабораторной работы следует помнить, что:

1. длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);
2. толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость;
3. при движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряди модуль индукции магнитного поля:
4. частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшм радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).

Указания к работе

Задание 1. На двух из трех представленных вам фотографий (рис. 1, 2 и 3) изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.

Задание 2. Рассмотрите фотографию треков α-частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 1), и ответьте на данные ниже вопросы:

1. В каком направлении двигались α-частицы?
2. Длина треков α-частиц примерно одинакова. О чем это говорит?
3. Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Задание 3. На рисунке 2 дана фотография треков α-частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:

1. Почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц?
2. В какую сторону двигались частицы?

Задание 4. На рисунке 190 дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:

1. Почему трек имеет форму спирали?
2. В каком направлении двигался электрон?
3. Что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 3 гораздо длиннее треков α-частиц на рисунке 2

Литература:

1.    Дмитриева В.Ф. Физика: учебник. – М., 2010.

2.    Мякишев Г. Я. Физика 10, 11 класс: учебник – М.: Просвещение, 2010.

3.      Громов С.В. Шаронова Н.В. Физика, 10—11: Книга для учителя. – М., 2004. 

4.    Кабардин О.Φ., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9—11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. – М., 2001.

5.    Касьянов В.А. Методические рекомендации по использованию учебников В.А.Касьянова «Физика. 10 кл.», «Физика. 11 кл.» при изучении физики на базовом и профильном уровне. – М., 2006.

6.    Касьянов В.А. Физика. 10, 11 кл. Тематическое и поурочное планирование. – М., 2002.

7.    Лабковский В.Б. 220 задач по физике с решениями: книга для учащихся 10—11 кл. общеобразовательных учреждений. – М., 2006.

8.    Федеральный компонент государственного стандарта общего образования / Министерство образования РФ. – М., 2004.

9.    Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2005.

10.                            Генденштейн Л.Э. Дик Ю.И. Физика. Учебник для 11 кл. – М., 2005.

11.                            Самойленко П.И., Сергеев А.В. Сборник задач и вопросы по физике: учеб.пособие. – М., 2003.

12.    Самойленко П.И., Сергеев А.В. Физика (для нетехнических специальностей): учебник. – М., 2003.

 

Интернет-ресурсы:

            1.http://www.consultant.ru

            2.http://www.garant.ru

            3. http://www.akdi.ru

            4. http://ru.wikipedia.org