Лабораторные работы по физике 1 курс СПО

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

 государственное бюджетное  образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«СЫЗРАНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

 

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Дисциплины:                     «Физика»  (на базе основного общего образования)

Для специальностей:

230105 «Программное обеспечение             вычислительной техники и автоматизированных систем» 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)» 151001 «Технология машиностроения» 150203 «Сварочное производство» 150104 «Литейное производство чёрных и цветных металлов» 080110 «Экономика и бухгалтерский  учёт (по отраслям)» 230113 «Компьютерные системы и комплексы» 230401 «Информационные системы (по отраслям)»

2013

По учебному плану – 30 часов (15 работ)

В наличии  методических указаний  к 15 лабораторным работам

Преподаватель _______________  ___________ Градалева Е.М..

                                           (подпись)                      (дата)

ПРОВЕРЕНО председателем цикловой комиссии математических и общих естественнонаучных дисциплин Председатель цикловой комиссии _______________Комиссарова Т.Л «___ »_____________2013 г.

Заместитель  директора по учебной работе ____________________Пидодня Т.Е. «_____» ____________ 2013 г.

 

 

 

 

                                                               СОДЕРЖАНИЕ

1	Введение………………………………………………………………
2	Лабораторная работа  № 1……………………………………………
3	Лабораторная работа  № 2 ……………………………………………
4	Лабораторная работа  № 3 ……………………………………………
5	Лабораторная работа  № 4 ……………………………………………
6	Лабораторная работа  № 5 ……………………………………………
7	Лабораторная работа  № 6 ……………………………………………
8	Лабораторная работа  № 7 ……………………………………………
9	Лабораторная работа  № 8 ……………………………………………
10	Лабораторная работа  № 9 ……………………………………………
11	Лабораторная работа  № 10 ……………………………………………
12	Лабораторная работа  № 11 ……………………………………………
13	Лабораторная работа  № 12 ……………………………………………
14	Лабораторная работа  № 13 ……………………………………………
15	Лабораторная работа  № 14 ……………………………………………
16	Лабораторная работа  № 15 ……………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

            В учебном плане специальностей предусмотрено 15 лабораторных работ:

1        Проверка закона Бойля-Мариотта

2        Определение относительной влажности воздуха с помощью гигрометра и психрометра

3        Определение коэффициента  линейного расширения твердого тела

4        Определение электрической ёмкости заряженного конденсатора

5        Определение удельного сопротивления проводника

6        Определение термического коэффициента сопротивления меди

7        Определение ЭДС и внутреннего сопротивления гальванического элемента

8        Изучение электрических свойств полупроводников

9        Изучение явления электромагнитной индукции

10    Изучение устройства и  работы  трансформатора

11    Определение показателя преломления стекла

12    Определение длины световой волны с помощью дифракционной   решетки

13    Наблюдение спектров испускания и поглощения.

14    Изучение   явления   фотоэффекта

15    Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

В ходе работы необходимо:

- строго соблюдать правила по технике безопасности;

- все измерения проводить с максимальной тщательностью;

- для вычислений использовать микрокалькулятор.

В  результате  выполнения  лабораторных   работ,  предусмотрено  программой  по  данным  специальностям,  студент  должен

уметь:

1        Читать, чертить и собирать простые электрические схемы

2        Самостоятельно собирать установки для выполнения наблюдений, измерений или опытов по их схемам или рисункам

3        Самостоятельно выполнять опыты, прямые и косвенные измерения по письменной инструкции

4        Пользоваться справочными таблицами физических величин.

5        вычислять абсолютную и относительную погрешности прямых и косвенных измерений

6        Самостоятельно анализировать полученные результаты и делать выводы

7        Составлять отчёт о работе (с таблицами, графиками, чертежами и рисунками)

 знать:

1        Цель, ход измерений и опытов

2        Название, назначение и правила обращения с приборами

3        Условные обозначения электрических приборов

4        Способы измерения данных физических величин

5        Правила техники безопасности

6        Способы вычислений абсолютной и относительной погрешностей: прямых и косвенных

Лабораторные   работы  рассчитаны  на  выполнение  в  течение  двух  учебных  часов

Правила  выполнения  лабораторных   работ

1  Студент  должен  прийти  на  лабораторное занятие   подготовленным  к  выполнению  работы. Студент,  не  подготовленный  к  работе,  не  может  быть  допущен  к  ее  выполнению

2  Каждый  студент  после  выполнения  работы  должен  представить  отчет  о  проделанной  работе   и  выводом  по  работе

3  Отчет  о  проделанной  работе  следует  делать  в  журнале  практических  работ  выполненном  на  листах  формата  А4  с  одной  стороны  листа. Содержание  отчета  указано  в  описание  лабораторной  работы

4  Таблицы  и  рисунки  следует  выполнять  с  помощью  чертежных  инструментов (линейки,  циркуля  и  т. д.)  карандашом  с  соблюдением  ЕСКД

5  Расчет  следует  проводить  с  точностью  до  двух  значащих  цифр

6  Исправления  выполняются  на  обратной  стороне  листа  отчета. При  мелких  исправлениях (слово, буква,  число  и  т. д.)  аккуратно  зачеркиваются  и  над  ним  пишутся  правильно (слово, букву,  число  и  т. п.)

7  Вспомогательные  расчеты  можно  выполнить  на  отдельных  листах,  а  при  необходимости  на  листах  отчета

8  Если  студент  не  выполнил  лабораторную   работу  или  работы,  то  он  может  выполнить  работу  или  оставшуюся  часть  во  внеурочное  время,  согласованное  с  преподавателем

9  В критерии оценивания лабораторной  работы входят:

- наличие анализа и выводов проделанной работы;

- наличие пояснений по окончании выполнения каждого этапа;

- соблюдение требований к оформлению работы

10    Положительная итоговая оценка по дисциплине выставляется при условии выполнения всех, предусмотренных программой лабораторных  работ, предоставления отчета, оформлению к соответствии с требованиями, предъявляемыми к оформлению текстовых документов

11    Зачет  по  лабораторным  работам  студент  получает  при  условии  выполнения  всех   предусмотренных  программой  работ,  после  сдачи  отчетов  по  работам  при  удовлетворительных  оценках  за  опросы  и  контрольные  вопросы  во  время  лабораторных  занятий

Правила техники безопасности при  выполнении лабораторной работы

1   Студенты, не ознакомленные с правилами по технике безопасности, к выполнению лабораторных работ не допускаются

2   При выполнении лабораторных работ необходимо быть внимательным и дисциплинированным, знать соответствующий учебный материал

3   Перед замыканием собранной цепи нужно пригласить преподавателя для проверки правильности её сборки

4   Не оставлять без внимания включённые в электрическую сеть приборы

5   Необходимо помнить, что касание проводов или деталей приборов, спиралей, находящихся под напряжением свыше 36 вольт, может быть опасным для жизни человека

6   В каждой электрической цепи должен быть ключ для замыкания цепи

7   Производите сборку электрических цепей, переключения в них только при отключенном источнике электропитания

8   Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов наконечники

9   По окончании работы или очередного замера отключите источник электропитания, после чего разберите цепь

10    Все провода после работы аккуратно смотайте в кольцо

11    Строго запрещается и производить переключения на пульте управления и включение электрических установок на столе преподавателя

12    Студенты нарушившие правила по технике безопасности, отстраняются от выполнения лабораторных работ

13    При нанесении материального ущерба со студента взыскивается стоимость повреждённых приборов, аппаратов, мебели

14    На своём рабочем месте каждый студент должен соблюдать чистоту и порядок, не допускается к работе с приборами в верхней одежде

После окончания работы каждый студент оформляет  отчёт по следующей схеме:

1        Дата, название  и номер работы

2        Цель работы

3        Перечень оборудования

4        Схема или зарисовка оборудования

5        Порядок выполнения работы

6        Запись цены деления шкалы измерительного прибора

7        Необходимые расчёты

8        Расчёт отклонений с записью в таблице

9        Вывод по расчётным данным

Все лабораторные работы должны быть выполнены в сроки, определённые календарным планом преподавателя. Студенты, не получившие зачёт за выполнение лабораторных работ, к экзамену не допускаются.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДА КОЛЕБАНИЙ НИТЯНОГО МАЯТНИКА ОТ ДЛИНЫ НИТИ

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

Оборудование: 1. Штатив с держателем 2. Шарик на нити 3. Измерительная лента или линейка 4. Секундомер.

Краткая теория Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити. Моделью может служить тяжёлый шарик, размеры которого весьма малы по сравнению с длинной нити, на которой он подвешен (не сравнимы с расстоянием от центра тяжести до точки подвеса). Учёные Галилей, Ньютон, Бессель и др. установили следующие законы колебания математического маятника: 1.Период колебания математического маятника не зависит от массы маятника и от амплитуды, если угол размаха не превышает 10. 2.Период колебания математического маятника прямо пропорционален квадратному корню из длины маятника  и обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения. На основании этих законов можно написать формулу для периода колебаний математического маятника:     Используя модель и законы колебаний математического маятника, можно пронаблюдать свободные колебания, а так же с их помощью определить ускорение свободного падения для своей местности и сравнить со справочным значением g .

  Ход работы

1.    Укрепить нить маятника в держателе штатива.  Измерить длину маятника (длина маятника считается от точки подвеса до центра тяжести шарика).

2.     Отклонить шарик на угол не более 10° и отпустить.  Определить время, за которое маятник совершил 20 колебаний.

3.     Вычислить период колебания маятника, используя формулу Т= t/N.  Повторить опыт еще три раза, уменьшая (или увеличивая) длину нити маятника.  Данные всех опытов и результаты расчетов внести в таблицу № 1.

4.    Проанализировать результаты опытов и сделать вывод о зависимости периода нитяного маятника от длины его нити.

5.    Построить график зависимости  Т=Т(l)

6.   Сделайте вывод по проделанной работе
Таблица №1

№ опыта	Длина нити l, м	Число полных колебаний, N	Время колебаний t, с	Период колебаний T, с
1	2
2	1,9
3	1,8
4	1,7
…	…
18	0,3
19	02,
20	0,1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ – МАРИОТТА

Цель работы: Экспериментальная проверка соотношения  . Научиться определять объем и давление газа  с помощью прибора для изучения газовых законов. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы

Оборудование: 1 Сильфон 2 Мановакуумметр 3 Резиновый шланг 4 Термометр

Краткая теория

     Состояние данной массы газа характеризуется тремя величинами (параметрами): объёмом V, давлением р и термодинамической температурой Т. В природе и технике, как правило, происходят изменения всех величин одновременно, но при этом соблюдается закономерность, выраженная уравнением - (1) состояния газа:

                                                                                              (1)

при m – const.

     Для данной массы газа произведение объёма на давление, делённое на термодинамическую температуру, есть величина постоянная. Проверить эту зависимость экспериментально можно, используя прибор для изучения газовых законов (рис.1). Прибор состоит из металлического гофрированного цилиндра переменного объёма (сильфона) 1, манометра 2 и резинового шланга 3. Прикреплённая к сильфону демонстрационная шкала 4 позволяет измерять объём цилиндра в условных единицах.

Рисунок 1 – Прибор для изучения газовых законов

      Закон Бойля – Мариотта для изотермического процесса, т.е. процесса, протекающего при постоянной температуре (Т₁ = Т₂), является частным случаем объединенного газового закона – (2):

                                             , или                                         (2)

      Можно сказать, что давление данной массы газа при постоянной температуре является обратно пропорционально его объёму. Как и другие физические законы, закон Бойля – Мариотта является приближённым. При давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными.

      Давление газа зависит от числа ударов молекул о стенку сосуда. Число ударов прямо пропорционально числу молекул в единице объёма (концентрации n). При уменьшении объёма газа концентрация увеличивается, так как  , где N –число молекул в сосуде. Давление пропорционально концентрации и, следовательно, обратно пропорционально объёму: . Так  и должно быть согласно закону Бойля – Мариотта.

Методические рекомендации

1.Цилиндр изготовлен из тонкой фольги, поэтому не следует допускать при работе резких движений сильфона, не следует слишком сжимать и растягивать его

2.По шкале манометра определяется разность давлений воздуха атмосферного и находящегося в сильфоне

3.Поскольку манометр измеряет давление газа в атмосферах (атм), а барометр – в мм.рт.ст., пересчитать давления в паскалях (Па), учитывая, что 1 мм.рт.ст. = 133 Па, 1 атм = 10⁵ Па

Ход работы

1        Соединить сильфон с мановакуумметром при помощи резинового шланга

2        Определить цену деления измерительных приборов

3        Открыть у мановакуумметра краны. Вращением винта сильфона установить верхнюю крышку цилиндра таким образом, чтобы давление было равным одной атмосфере. Затем перекрыть кран (доступа воздуха нет)

4        Уменьшить объем на 2-3 условные единицы объема

5        Замерить давление

6        Проделать опыт еще 2-3 раза

7        Уменьшить объем до 5 условных единиц, замерить давление (проделать опыт 2-3 раза)

8        Данные опытов записать в таблицу №1

9        Перевести значения V и p в системные единицы

10    Вычислить относительную погрешность по формуле

11    Сделайте вывод по проделанной работе.

Таблица №1

Температура     t,˚С		Термодинамическая темпера-тура Т,К	Объём V,усл.ед	Давление р,	Посто янная  C=pּV,	Объём V, м3	Давление р,Па	Постоян-ная  C=pּV, Паּм3	Среднее значение постоянной С ср, Паּм3	Отно сите льная погреш ность ε, %
1
..
10

Контрольные вопросы

1        Объяснить сущность закона Бойля – Мариотта, пользуясь молекулярно кинетической теорией

2        Для изотермического процесса построить график зависимости в системах координат pV, pT и VT

3        Производит ли газ давление в состоянии невесомости?

4        Определить массу 10 л воздуха, находящегося при температуре 293 К под давлением 20 атм.

5        Какие причины влияют на точность определения постоянной С?

6        Изменится ли найденное значение С, если опыт проводить с другой массой газа?

7        При каком условии справедлив закон Бойля – Мариотта?

8        Можно ли с помощью прибора для данной работы проверить зависимость между параметрами газа для изохорного и изобарного процессов? Как это осуществить?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ГИГРОМЕТРА И ПСИХРОМЕТРА

Цель работы: Научиться определять относительную влажность воздуха с  помощью гигрометра и психрометра. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы

Оборудование: 1 Гигрометр-особой конструкции, сосуд с зеркальной поверхностью, груша, термометр

      2  Психрометр

3 Гигрометр волосной

Краткая теория

     В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью.

Абсолютная влажность ρ_а определяется массой водяного пара, содержащегося в  1 м³ воздуха, т.е. плотностью водяного пара при данной температуре.

     Абсолютную влажность можно определить по температуре точки  росы – температуре при которой пар, находящийся в воздухе становится насыщенным. Температура точки росы определяется с помощью гигрометра, а затем по таблице «Давление насыщенных паров и их плотность при различных температурах» находят соответствующую температуре точке росы плотность. Найденная плотность и есть абсолютная влажность окружающего воздуха.

     Относительная влажность φ показывает, сколько процентов составляет абсолютная влажность от плотности ρ_н водяного пара, насыщающего воздух при данной температуре: .

Рисунок 2 - Психрометр	Психрометр состоит из двух термометров. Резервуар одного из них остаётся сухим, и темрмометр показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность воздуха, тем менее интенсивно идёт испарение и тем меньше разность показаний термометра, окружённого полоской влажной ткани, и сухого термометра. При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испарятся  и показания обоих термометров будут одинаковы. При разности температур термоментров с помощью специальных таблиц, называемых психрометрических, можно определить относительную влажность воздуха.          Психрометрами обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.
Рисунок 3-Гигрометр	Действие гигрометра другого типа – волосного – основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при увеличении относительной влажности. При помощи волосного гигрометра можно непосредственно измерять относительную влажность воздуха. Его устройство видно на рисунке 3. Между двумя металлическими стойками1 укреплён человеческий волос 2. Один конец волоса закреплён на верхнем штифте, которым можно с помощью гайки 3 регулировать натяжение волоса. Другой конец волоса нагружен небольшой гирькой и перекинут через блок 5, на котором укреплена стрелка 4 с противовесом. При изменении влажности воздуха длина волоса изменяется (увеличивается при увеличении влажности и уменьшается при её уменьшении), и стрелка по шкале указывает относительную влажность воздуха в процентах.           Волосной гигрометр применяют в тех случаях, когда в определении влажности воздуха не требуется большой точности.
Рисунок 4-Конденсационный гигрометр	Точку росы определяют с помощью прибора, называемого конденсационным гигрометром. Точку росы определяют с помощью прибора, называемого конденсационным гигрометром. Внешний вид этого прибора и его разрез  показан на рисунке 4. Гигрометр представляет собой металлическую коробку 1, передняя стенка 2 которой хорошо отполирована. Коробка окружена полированным кольцом 3, отделённым от неё теплоизолирующей прокладкой 4. Коробка соединена с резиновой грушей 5. Внутрь коробки наливают легко испаряющуюся жидкость – эфир и вставляют термометр. Продувая через коробку воздух с помощью груши, вызывают сильное испарение эфира и быстрое охлаждение коробки. По термометру замечают температуру, при которой появляются капельки росы на полированной поверхности стенки 2. Это и есть точка росы, так как появление росы указывает, что водяной пар стал насыщенным.            Определение точки росы – наиболее точный способ измерения относительной влажности.

Методические рекомендации

1        Для более тщательного определения момента появления росы перед работой тщательно протереть тканью полированное дно и кольцо гигрометра до полного блеска, а перед наблюдением установить прибор под углом 30 - 40º к лучу зрения.

2        Камеру наполнять эфиром с таким расчётом, чтобы шарик термометра был полностью погружён в эфир и в тоже время эфир не расплёскивался при продувании воздуха.

3        Сразу после  окончания работы  с гигрометром тщательно проветрить помещение.

4        В формуле вместо плотности можно взять давление насыщенных паров при комнатной температуре и температуре при точке росы.

Ход работы

1
Работа с гигрометром

1.        Измерить температуру окружающего воздуха.

2.       
Наполнить камеру гигрометра летучей жидкостью (диэтиловым эфиром 3-4 см).

3.    Установить термометр в камеру гигрометра.
4.    При помощи груши продувать воздух через эфир и внимательно следить за полированной
поверхностью стенки камеры, сравнивая с поверхностью кольца. Заметив появление росы
(начало запотевания), записать температуру.

5.    По таблице определить плотность пара соответственно при температуре точки росы и комнатной.

6.    Вычислить относительную влажность.
7.     Результаты измерений, вычислений и табличные данные записать в таблицу № 2

2
Работа с психрометром

1.  Проверить наличие воды в стаканчике психрометра и при необходимости долить её.

2.  Определить температуру сухого термометра.

3. 
Определить температуру смоченного термометра.

4.  Пользуясь психрометрической таблицей №4  определить относительную влажность.

5.  Результаты измерений записать в таблицу №3

3
Работа с волосным гигрометром

1.      Расположить гигрометр вертикально. Отвести стрелку, расположив её над шкалой.

2.      По шкале определить относительную влажность, выраженную в %.

3.      Результат записать в отчете.

4.      Отвести стрелку влево и заложить ей под шкалу.

5        По проделанной работе сделать вывод.

            Таблица№2                                                 Таблица №3

ГИГРОМЕТР						ПСИХРОМЕТР
Заданные условия		Точка росы				Показания термометров		Разность показа-ний термо-метров t с-tсм	Относительная  влажность воз-духа φ,%
Тем-пера-тура t,˚С	Плотность насыщающих паров ρн, 10-3кг/м3	Темпе-ратура t,˚С	Плотность насыщающих паров ρн, 10-3кг/м3	Относительная влажность воздуха φ,%		Сухой t,˚С	Смочен-ный t,˚С

Таблица №4 Давление насыщенных водяных паров и их плотность при различных температурах

t,˚С	pн ,кПа	ρ, 10-3 кг/м3	t,˚С	pн ,кПа	ρ, 10-3 кг/м3
-10	0.260	2,14	16	1,813	13,6
-5	0,401	3,24	17	1,933	14,5
-4	0,437	3,51	18	2,066	15,4
-3	0,476	3,81	19	2,199	16,3
-2	0,517	4,13	20	2,333	17,3
-1	0,563	4,47	21	2,493	18,3
0	0,613	4,80	22	2,639	19,4
1	0,653	5,20	23	2,813	20,6
2	0,706	5,60	24	2,986	21,8
3	0,760	6,00	25	3,173	23,0
4	0,813	6,40	26	3,359	24,4
5	0,880	6,80	27	3,559	25,8
6	0,933	7,30	28	3,786	27,2
7	1,000	7,80	29	3,999	28,7
8	1,066	8,30	30	4,239	30,3
9	1,146	8,80	40	7,371	51,2
10	1,226	9,40	50	12,33	83,0
11	1,306	10,0	60	19,92	130,0
12	1,399	10,7	80	47,33	293
13	1,492	11,4	100	101,3	598
14	1,599	12,1	120	198,5	1123
15	1,706	12,8	160	618,0	3259

Таблица №5 Психрометрическая таблица

Показания  сухого термометра		Разность показаний сухого и влажного термометров
К	˚С	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
273	0	100	82	63	45	28	11	-	-	-	-	-	-
274	1	100	83	65	48	32	16	-	-	-	-	-	-
275	2	100	84	68	51	35	20	-	-	-	-	-	-
276	3	100	84	69	54	39	24	10	-	-	-	-	-
277	4	100	85	70	56	42	28	14	-	-	-	-	-
278	5	100	86	72	58	45	32	19	6	-	-	-	-
279	6	100	86	73	60	47	35	23	10	-	-	-	-
280	7	100	87	74	61	49	37	26	14	-	-	-	-
281	8	100	87	75	63	51	40	28	18	7	-	-	-
282	9	100	88	76	64	53	42	31	21	11	-	-	-
283	10	100	88	76	65	54	44	34	24	14	4	-	-
284	11	100	88	77	66	56	46	36	26	17	8	-	-
285	12	100	89	78	68	57	48	38	29	20	11	-	-
286	13	100	89	79	69	59	49	40	31	23	14	6	-
287	14	100	90	79	70	60	51	42	33	25	17	9	-
288	15	100	90	80	71	61	52	44	36	27	20	12	5
289	16	100	90	81	71	62	54	45	37	30	22	15	8
290	17	100	90	81	72	64	55	47	39	32	24	17	10
291	18	100	91	82	73	64	56	48	41	34	26	20	13
292	19	100	91	82	74	65	58	50	43	35	29	22	15
293	20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24	18
294	21	100	91	83	75	67	60	52	46	39	32	26	20
295	22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28	22
296	23	100	92	84	76	69	61	55	48	42	36	30	24
297	24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31	26
298	25	100	92	84	77	70	63	57	50	44	38	33	27
299	26	100	92	85	78	71	64	58	51	45	40	34	29
300	27	100	92	85	78	71	65	59	52	47	41	36	30
301	28	100	93	85	78	72	65	59	53	48	42	37	32
302	29	100	93	86	79	72	66	60	54	49	43	38	33
303	30	100	93	86	79	73	67	61	55	50	44	39	34

Контрольные вопросы

1        Какую величину измеряют с помощью психрометра?

2        Как изменится разность показаний сухого и влажного термометров психрометра с увеличением относительной влажности?

3        В герметически закрытом сосуде находятся вода и водяной пар. Как изменится концентрация молекул водяного пара при нагревании сосуда?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

 2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

 3  Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБОТА   № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

 ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЁРДОГО ТЕЛА

Цель работы: Научиться определять коэффициент линейного расширения. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы

Оборудование: 

1  Прибор для определения коэффициента линейного расширения

2  Термометр

3  Линейка

4  Стержни (алюминиевый, стальной, стеклянный)

Краткая теория

      С изменением температуры тела его  размеры изменяются. Тепловое расширение твёрдых тел, у которых имеется преимущество в одном направлении, характеризуется линейным расширением ∆l: , где α – коэффициент линейного расширения, зависящий от материала и температуры. Однако если рассматривать небольшие интервалы температур, то можно считать коэффициент линейного расширения для данного материала величиной постоянной. Для большинства веществ этот коэффициент мал, его значения составляют 10^-5 – 10^-6 К^-1.

     Особенно мал коэффициент линейного расширения в диапазоне температур от -30 до 100ºС  у инвара (сплав железа и никеля). Поэтому инвар применяют для изготовления точных инструментов, используемых для определения размеров тел. Линейные размеры самого инструмента из инвара мало зависят от колебаний температуры.

      Коэффициент линейного расширения показывает, на какую долю своей первоначальной длины  при 0ºС изменяется длина тела при нагревании на 1 К или 1 ºС:

,   или    ,

 где ∆l – приращение длины.

Опыт показывает, что при небольших изменениях температуры изменение линейных размеров твердого тела прямо пропорционально изменению температуры (рис. 5).

Рисунок 5

Так как удлинение при нагревании (или укорочение при охлаждении) зависит также от первоначальной длины, удобнее рассматривать не само удлинение тела, а относительное удлинение: отношение увеличения длины ∆l = l – l0 к первоначальной длине l0. Относительное удлинение  пропорционально изменению температуры  ∆t = t – t0: .

     Во всех этих формулах обычно начальное значение температуры полагают равным нулю (t₀ = 0 ºC) и соответственно l₀ считают длиной тела при его температуре. На практике же начальная температура тела далеко не всегда бывает равна   0 ºС. Тогда расчёт длины тела при любой температуре моно выполнить так. Пусть при температуре t₁ длина тела равна l₁, а при температуре t₂ она равна l₂. Тогда считая начальную температуру t₀ = 0 ºC, имеем:

,

.

Отсюда   и . Однако, учитывая, что значение α очень мало, формулу можно упростить. Умножив числитель и знаменатель на 1 – αt₁, получим:

.

    Виду малости коэффициента α члены содержащие α² малы по сравнению с членом, в который входит α в первой степени (точнее, αt >> α² t²). Поэтому их можно отбросить. В результате формула для вычисления длины l₂ оказывается более простой и достаточно точной для инженерной практики:      , или .

Решая задачи с учётом теплового линейного расширения тел, необходимо иметь в виду, что при изменении темпера­туры меняется не только длина, но и все другие линейные размеры тела. Так, у круглого стержня при нагревании уве­личивается диаметр, и притом во столько раз, во сколько увеличивается длина стержня. У пластинки в одно и то же число раз увеличиваются длина, ширина и толщина. Если начертить на пластинке какую-нибудь линию, то длина этой линии при нагревании увеличится в такое же число раз. У окружности увеличатся ее длина и диаметр.

При нагревании пластинки, имеющей круглое отверстие, диаметр отверстия тоже увеличится. Дело в том, что при  равномерном нагревании в теле не возникают силы упругости. Поэтому расширение происходит так, как если бы пластинка была сплошной. Точно так же увеличивается при нагревании диаметр гайки, размеры раковины в толще металлической отливки и т.д.

В справедливости сказанного можно убедиться на опыте с металлическим шаром. Шар застревает в кольце, если его нагреть, и проходит с большим зазором, если нагреть кольцо. Наоборот, при охлаждении кольца шар застревает, а охлаждение шара увеличивает зазор между ним и кольцом.

Ход работы

1        Измерить комнатную температуру

2        Измерить длину стержня l₁  при комнатной температуре

3        Вставить стержень в пробирку с водой при комнатной  температуре

4        Привести  прибор в рабочее состояние

5        Стрелку индикатора поставить на 0

6        Нагреть стержень до 100⁰С  и записать показания индикатора ∆l.

7        По формуле: =вычислить коэффициент линейного расширения, при вычислении выделить множитель 10^-6.                                                                                                                                                                                

8        Сравнить полученный результат с табличным значением (см. таблицу №7) и вычислить относительную погрешность по формуле:                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

9        Результат записать в таблицу № 6

 

Таблица №6

№ о п ы т а	Материал cтержня	Начальная длина стержня	Температура стержня		Разность темпера- тур	Удлине-ние стержня	Коэффи- циент линейного расшире- ния	Табличное значение коэффи-циента	Относительная погрешность
			началь- ная	конеч- ная
		l1,мм	t1,0С	t2,0С	∆t,0С	∆ l, мм	α, 10 –6 º С-1	αm, 10 -6 0С-1	ε,%
1	Алюми-ний
2	Сталь
3	Стекло

10 По проделанной работе  сформулировать вывод.

Таблица № 7 Температурный коэффициент линейного расширения металлов и сплавов

Металл, сплав	α, 10-6 0С-1	Металл, сплав	α, 10-6 0С-1
Алюминий Бронза Вольфрам Дуралюмин Золото Железо Инвар* Иридий Константан Латунь Манганин Медь Нейзильбер Никель	24 13-21 4,5 23 14 12 1,5 6,5 12-15 17-19 18 17 18 14	Нихром Олово Платина Платинит** Платина-иридий*** Свинец Серебро Сталь углеродистая Цинк Чугун Цемент Стекло Кварц (плавленый)	14 26 9,1 8-10 8,8 29 20 10-17 32 9-11 14 9 0,04

*     этот сплав используется для изготовления деталей точных измерительных приборов;

**   проводниковый материал, α которого такой же, как и у стекла; применяется  для   

       изготовления электрических ламп;

*** из этого сплава изготовлены прототипы килограмма и метра.

Контрольные вопросы

1               Объясните причину теплового расширения  твёрдых тел с точки зрения молекулярно-кинетической теории

2          Каков физический смысл коэффициента линейного расширения?

3          Приведите 3 – 4 примера учёта теплового расширения тел в технике

4          Почему рулетки изготавливают из особого сплава «инвар»?

5          При строительстве в бетонных покрытиях делают искусственные разрывы, а на стенах больших кирпичных домов – швы. Объясните назначение этих разрывов и швов

6          Какими особенностями теплового расширения обладает вода?

7          Почему при нагревании жидкости в сосуде (например, ртути в термометре) её уровень повышается (ведь одновременно увеличивается и внутренний объём сосуда)?

8          Как будет изменяться площадь круглого отверстия в листе железа при нагревании?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА №4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЁМКОСТИ

ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

Цель работы:  Изучить устройство плоского конденсатора и рассчитать его электроёмкость. Научиться определять электрическую ёмкость конденсатора баллистическим методом. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы

Оборудование: 1 Источник электрической энергии  6 В

                           2 Микроамперметр

                           3 Конденсаторы (3-4 шт) известной ёмкостью (0,25-4 мкФ)

                           4 Конденсаторы известной емкости

                           5 Двухполюсной переключатель

                           6 Соединительные провода

Краткая теория

Рисунок 6

Слово «конденсатор» происходит от латинского слова condensare, что означает «сгущение». В учении об электрических явлениях этим словом обозначают устройства, позволяющие «сгущать» электрические заряды и связан­ное с этими зарядами электрическое поле. Простейший конденсатор состоит из двух проводни­ков, разделенных диэлектриком. Свойство конденсатора «сгущать» электрические за­ряды и связанное с ними электрическое поле можно наблюдать на следующем опыте. Две металлические пластины А и В, укрепленные на изолирующих подстав­ках, располагают параллельно друг другу и присоеди­няют к электрометру. Одну из пластин соединяют с землей (рис. ). Прикоснувшись наэлектризованным шаром к внешней стороне пластины В, сообщают этой пластине положительный заряд q. пластина А при этом получит через влияние отрицательный заряд — q. Оба заряда вследствие взаимного притяжения расположатся на внутренних поверхностях пластин. Электрометр покажет разность потенциалов между пластинами.

       Важной характеристикой любого конденсатора является его электрическая ёмкость С – физическая величина, равная отношению заряда q конденсатора к разности потенциалов U  между его обкладкам: .  За единицу электрической ёмкости в Международной системе единиц принимается электрическая ёмкость конденсатора, напряжение между обкладками которого равна 1 В, когда на его обкладках имеются разноименные заряды по 1 Кл. Эта единица названа фарад (1 Ф).

     Кроме того электрическая ёмкость конденсатора зависит от рода диэлектрика, находящегося между пластинами. Выведем формулу для расчёта электрической ёмкости плоского конденсатора. По определению  . Учитывая, что ,а , получаем  или .

Содержание и метод выполнения работы

      При прохождении постоянного тока через рамку прибора магнитоэлектрической системы момент сил Ампера, действующих на рамку, пропорционален силе тока. Повороту рамки противодействует силы упругости спиральных пружин, возрастающие пропорционально углу поворота стрелки прибора. В результате угол отклонения стрелки оказывается пропорциональным силе тока в рамке прибора.

       Иной результат получается при кратковременном прохождении электрического тока через рамку прибора магнитоэлектрической системы. Если время ∆t протекания электрического тока через рамку прибора  значительно меньше периода свободных колебаний его подвижной системы, то такое кратковременное прохождение тока действует как короткий толчок, вызывающий свободные колебания подвижной системы прибора. Амплитуда А этих колебаний, с одной стороны, пропорциональна силе Ампера F, возникающей при прохождении электрического тока в рамке, с другой стороны – времени ∆t действия этой силы:

A ~F∆t.

     Сила Ампера пропорциональна силе тока в рамке прибора, поэтому амплитуда колебаний стрелки пропорциональна силе тока и времени протекания этого тока, т.е. электрическому заряду, прошедшему через рамку:

А ~ ∆q.

     Метод измерения электрического заряда по отбросу стрелки прибора магнитоэлектрической системы называется баллистическим методом.

     Для измерения заряда баллистическим методом нужно отградуировать гальванометр. Для этого можно зарядить конденсатор известной ёмкости до некоторого напряжения, затем отключить конденсатор от источника тока и подключить его выводы к гальванометру. Заметив число делений шкалы n, на которое произошёл отброс стрелки, и вычислив заряд по формуле ∆q = СU, можно найти коэффициент пропорциональности между числом делений шкалы гальванометра и электрическим зарядом, прошедшим через рамку прибора:

kn =  ∆q,

Методические рекомендации

Для того чтобы результаты оказались более точными необходимо каждый отброс стрелки измерить 3 – 4 раза.

Ход работы

1        Собрать электрическую цепь по схеме расположенной на рисунке 7 (в цепи установить один из конденсаторов известной ёмкости):

Рисунок 7

2        Конденсатор зарядить; для этого соединить его (переключателем) на короткое время с источником электрической энергии.

3        Сосредоточив внимание на миллиамперметре, быстро замкнуть конденсатор на

измерительный прибор и определить число делений, соответствующее максимальному отклонению стрелки.

4        Опыт повторить для более точного определения числа делений  n и найти отношение найденного количества делений к ёмкости взятого конденсатора С:

                                              n/С = k

5        Опыт повторить 2-3 раза с другими конденсаторами известной ёмкости.

6        Результаты измерений и вычислений записать в таблицу № 8

7        Опыт (n. 1-4) повторить с конденсатором известной ёмкости  Сx.

Определить в этом случае  число делений  nx  и найти  ёмкость из отношения:

                                                Сx = nx / k

8        Узнать у преподавателя  ёмкость исследуемого конденсатора и, приняв её за  табличное  значение, определить относительную погрешность ε, % по формуле:

9. Включить в собранную схему (рисунок 8) два параллельно соединенных  конденсатора  известной ёмкости:

Рисунок 8

10. Проверить соотношение    и сделать вывод.

11. Включить в собранную схему (рисунок 9)два последовательно соединенных конденсатора известной  ёмкости:

Рисунок 9

12. Проверить соотношение    и сделать вывод.

13. По проделанной работе сделайте вывод.

Таблица № 8

Номер опыта	Емкость конденсатора С, мкФ	Число делений по шкале микро-амперметра n	Отношение числа делений к ёмкости к	Найденная ёмкость конденсатора Сx, мкФ	Относительная погреш-ность ε, %
1
…
12

Контрольные вопросы

1  Конденсатор в переводе – сгуститель. По какой причине прибору дано такое странное название?

2  В чём сущность указанного метода определения ёмкости конденсатора?

3  Почему ёмкость конденсатора постоянна?

4 От чего и как  зависит ёмкость простейшего конденсатора? Запишите формулу этой ёмкости.

5  Определить заряд батареи конденсаторов, соединённых так, как показано на рисунке10. Емкость каждого конденсатора (в мкФ) указана на рисунке.

Рисунок 10

6 Изменится ли разность потенциалов между пластинами конденсатора, если одну из пластин заземлить?

7 Что называется электроёмкостью проводника?

8 От каких величин зависит электроёмкость плоского конденсатора?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА

Цель работы: Научиться определять удельное сопротивление материала. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование: 1. Амперметр          6. Константановая,медная,алюминиевая проколка

                           2. Вольтметр            7. Источник тока

                           3. Реостат                 8. Соединительные провода

                           4. Ключ                    9. Масштабная линейка

                           5. Микрометр

Краткая теория  

     Одной из важных характеристик проводника является удельное сопротивление ρ – физическая величина, равная отношению произведения сопротивления проводника на его площадь поперечного сечения к длине проводника.

      Для однородного цилиндрического проводника с сопротивлением R, длиною l, площадью поперечного сечения S:   в СИ выражается в Ом∙м.

      Удельное сопротивление зависит от концентрации в проводнике свободных электронов и от расстояния между ионами кристаллической решётки, иначе говоря, от материала проводника.

Содержание и метод выполнения работы

      Электрическим сопротивлением R участка электрической цепи называется производная  физическая  величина, равная отношению напряжения U на участке цепи к силе тока I в цепи: . Электрическое сопротивление участка цепи можно определить измерив силу тока I в цепи и напряжения U на участке цепи.

     Электрическое сопротивление часто измеряют специальным измерительным прибором – омметром.

     Диаметр сечения проволоки из которой изготовлен исследуемый объект можно с помощью микрометра. А затем по формуле   определить  площадь сечения.

Методические рекомендации

2.      Использовать необходимо проволоку длиной 0,6 – 1 м из материала с большим удельным сопротивлением.

3.      Если нет штангенциркулей и микрометров, работу можно провести с масштабной линейкой.

                                                       ХОД  РАБОТЫ:

1.                  Собираем электрическую цепь по схеме (рисунок 11)

                                        Рисунок 11

2.                  Замкнув ключ  К, с помощью реостата добиваемся, чтобы напряжение на 

         участке ВС было 1 вольт, записываем показания амперметра.

3.                  По формуле закона Ома R = для участка цепи, находим  сопротивление 

         этого участка.

4.                  Измеряем длину участка в метрах по шкале реохорда.

5.                  Измеряем  диаметр проволоки с помощью микрометра и вычисляем площадь

         поперечного сечения в м²:

6.      Вычисляем удельное сопротивление  по формуле:

7.     Вычисляем относительную погрешность по формуле: ,              где табличное значение удельное сопротивления берём из таблицы №10

8.             Результаты записать в таблицу № 9

9.По результатам работы сформулировать вывод.

      Таблица № 9

	Напря- жение U, В	Сила тока I, А	Сопро-тивление R,Ом	Диаметр прово-локи d, м	Пло-щадь сечения S, м2	Длина прово-локи l , м	Удельное сопротивление ρ, Ом ·м	Таблич-ное значе-ние ρm, Ом· м	Отно-сительная погрешность ε,%
1
..
10

Таблица № 10 “Удельное сопротивление ρ (при 20⁰С)”

Вещество	ρ, ·10-8Ом · м или · 10-2Ом мм2 /м	Вещество	ρ, ·10-8Ом · м или ·10-2Ом мм2 /м
Алюминий Вольфрам Латунь Л-61 Медь Никелин Железо Свинец Лантан	2,69 5,5 7,1 1,7 42 9,71 20,6 56.8	Нихром Фехраль Серебро Константан Сталь IX18Н9Т Бронза Ртуть Никель	110 110-130 1,468 45-50 12 3,52 95,8 6,844

Контрольные вопросы

4.      Почему удельное сопротивление проводника зависит от рода материала его?

5.      Зависит ли удельное сопротивление от температуры?

6.      Назвать известные вам методы определения сопротивления резистора?

7.      Как измениться напряжение на участке электрической цепи, если медную проволоку на этом участке заменить никелиновой.

8.      В какой зависимости находятся силы токов в резисторах, соединённых параллельно, от их сопротивлений? Написать формулу.

9.      Каково падение напряжения на участках цепи, имеющих равные сопротивления?

10.  Какое соединение проводников называется последовательным? Начертите его схему?

11.  Какое соединение проводников называется параллельным? Начертите его схему?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕДИ

Цель работы: Научиться определять термический коэффициент сопротивления материала. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы

Приборы: 1Источник тока                                         6 Соединительные провода

                   2Гальванометр                                          7 Два ключа

                   3Магазин сопротивлений                        8 Термометр

                   4Реохорд                                                    9 Прибор для нагрева катушки

                   5 Катушка из медной проволоки

Краткая теория

      Электрическое сопротивление материалов зависит от температуры. Объясняется это тем, что упорядоченному движению свободных электронов (электрическому току) оказывают противодействие (сопротивление) атомы кристаллической решётки, интенсивность теплового движения которых изменяется с изменением температуры.

      У химически чистых металлов с повышением температуры на 1 ºС сопротивление возрастает примерно на 0,004 (1/273) сопротивления при 0 ºС и выражается линейной зависимостью , где R₀ – сопротивление металла при 0ºС , ∆t –разность температур (конечной и начальной);  α – температурный коэффициент сопротивления, показывающий, на какую часть начального сопротивления проводника при 0 ºС (273 К) изменяется сопротивление при нагревании на 1 ºС или 1 К:

, или , где

Содержание и метод выполнения работы

При отсутствии в лаборатории омметра в работе можно использовать реохорд (или мост любого типа) В этом случае составляется цепь по схеме, изображенной на рисунке 12, где Rм – сопротивление медной проволоки (катушка); R – сопротивление магазина

Рисунок 12

Методические рекомендации

1        При R = 60 ÷ 80 Ом замыкают цепь и устанавливают движок в положение, при котором на участке АВ тока не будет; измеряют l₁ и l₂ . Из соотношения  определяют R_м и принимают его за R₀ –  сопротивление катушки при 0 ºС.

2   Опыт повторяют, опустив катушку в кипящую воду и из соотношения  определяют сопротивление R_Т медной проволоки при температуре кипящей воды. Затем вычисляют α:

Ход работы

1.Собираем электрическую цепь по схеме, где R - эталонное сопротивление 8 Ом,

R₁- сопротивление исследуемой катушки, АС- реохорд, К₁, К₂ – ключи

2. Замкнув ключи  К₁ и  К₂  перемещаем ползунок реохорда до тех пор пока стрелка гальванометра встанет на 0. Измерив длины плеч реохорда l₁ и l₂ , вычисляем сопротивление катушки при комнатной температуре по  формуле:

3. Нагрев катушку до температуры Т₂, аналогично определяем сопротивление катушки в нагретом состоянии по формуле:

4. Затем найти термический коэффициент сопротивления меди по формуле:

5. Сравнив полученный результат с табличным значением, смотри таблицу № 12, вычислить относительную погрешность по формуле:

∙ 100%

6. Результат измерений записать в таблицу №. 11

7. Записать вывод.

Таблица № 11

Измерения при начальной температуре				Измерения при конечной температуре
мага-зин сопро-тивле-ний   Rа,Ом	начальная темпе-ратура  Т1, К	отно-шение плеч моста  L1/L2	сопро-тивление меди при начальной температуре R1,Ом	магазин сопротивлений  Rа,Ом	конеч-ная температура  Т2, К	отношение плеч моста L11/L21	сопротивление меди при конеч-ной температуре R2,Ом	термический коэффициент сопротивления    α,  К-1	относительная погрешность ε,%

Таблица № 12 «Температурные коэффициенты сопротивления»

Вещество	α,  К-1	Вещество	α,  К-1
Вольфрам	0,0050	Нихром	0,0002
Константан	0,000005	Реотан	0,0004
Манганин	0.000008	Фехраль	0,0002
Никелин	0,0001	Медь	0,0043
Цинк	0,0042	Олово	0,0044
Алюминий	0,0042	Серебро	0,0040

Контрольные вопросы

1  Какова физическая сущность электрического сопротивления?

2  Как объяснить увеличение сопротивления металлов при нагревании?

3  Указать практическое применение зависимости сопротивления проводника от температуры.

4   Объяснить формулу, по которой определяется температурный коэффициент сопротивления.

6        Каково сопротивление 0,5 кг медной проволоки диаметром 0,3 мм?

7        Почему температурный коэффициент сопротивления для электролитов отрицательный?

8         Сопротивление медного провода при температуре 10ºС равна 60 Ом. Определите его сопротивление при температуре – 40 ºС.

9         Вольфрамовая нить электрической лампы накаливания имеет сопротивление    484 Ом при температуре 2100 ºС . Определить сопротивление нити при температуре  20 ºС.

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ  ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

Цель работы: Научиться определять ЭДС и внутреннее сопротивление элемента. Научиться работать с авометром. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Приборы: 1. Источник тока (гальванические элементы)    5. Реостат на 10-12 Ом

                   2. Вольтметр постоянного тока                            6. Два ключа

                   3. Амперметр постоянного тока                           7. Соединительные провода

                   4. Авометр

Краткая теория

     Схема электрической цепи, которую используют в этой лабора­торной работе, показана на рисунке. В качестве источника тока в схеме используется аккумулятор или батарейка от карманного фо­наря.

При разомкнутом ключе ЭДС источника тока равна напряжению на внешней цепи. В эксперименте источник тока замкнут на вольт­метр, сопротивление которого должно быть много больше внутрен­него сопротивления источника тока r. Обычно сопротивление ис­точника тока 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 со­противление источника обычно мало, то действительно R_B>>r. При этом отличие ε от U не превышает десятых долей процента, поэтому погрешность измерения ЭДС равна погрешности измерения напря­жения.

Внутреннее сопротивление источника тока можно измерить кос­венно, сняв показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе. Действительно, из закона Ома для замкнутой цепи  по­лучаем ε = U+Ir, где U=IR — напряжение на внешней цепи. Поэтому . 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: , .

Содержание и метод выполнения работы

          Согласно закону Ома для полной цепи ЭДС источника, его внутреннее сопротивление, сила тока в цепи и сопротивление внешней цепи связаны соотношением:

      Если к исследуемому источнику тока подключать поочерёдно два резистора с разными сопротивлениями, то, измеряя при этом силу тока в обоих случаях, можно записать два уравнения, из которых легко вычислить ЭДС и внутреннее сопротивление источника:

 и   .

      Решая совместно эти уравнения, получим:

; ;, или  .

Методические рекомендации

1.      При работе с аккумуляторами необходимо учитывать, что их внутреннее сопротивление очень мало. Поэтому лучше брать батарею таких источников тока.

2.      Работу удобно выполнять, используя в качестве источника тока батарейку карманного фонарика.

Ход работы

1.                  Соберите цепь по схеме расположенной на рисунке 13

Рисунок 13

2. Замкнув ключ вольтметра, определить по прибору величину ЭДС батареи
3. Взяв какое-либо сопротивление на реостате, замкнуть оба ключа и определить напряжение  и силу тока на внешнем участке цепи
4. Определить внутреннее сопротивление элемента по формуле закона Ома:

                                  

5. Повторить опыт несколько раз при различных сопротивлениях внешней цепи
6. Данные записать в таблицу
7. По проделанной работе сделать вывод

Таблица №13

№ о п ы т а	ЭДС источника тока ε, В	Напряжение U, В	Сила тока I, А	Внутреннее сопротивление r, Ом	Табличное значение внутреннего сопротив-ления rт, Ом	Относительная погреш-ность ε,%
1
…
10

Дополнительное задание:

1.       Решите задачу:  один и тот же источник тока сначала подключают к одному резистору, а затем к другому; в первом случае напряжение на полюсах источника оказывается равным U₁, а сила тока в цепи – I₁; во втором случае соответственно  U₂  и I₂. Чему равны  ЭДС и внутреннее сопротивление источника?

2.       Соберите электрическую цепь, изображённую выше, и при разных положениях ползунка реостата измерьте значения величин, необходимых для определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника. Результаты запишите в таблицу.

I1	U1	I2	U2

3.       Воспользовавшись формулами, полученными в начале данной работы, вычислите ЭДС и внутреннее сопротивление источника.

4.       Отключите цепь от источника и с помощью вольтметра измерьте его ЭДС.

Контрольные вопросы

1. Как повысить точность измерения ЭДС источника тока?

2. Можете ли вы предложить другие способы измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока?

3. Определить КПД источника тока имеющего внешнее  сопротивление  R и внутреннее сопротивление  r.

4. От чего зависит напряжение на зажимах источника тока?

5. Каков физический смысл ЭДС? Дать определение вольту.

6. Какова физическая суть электрического сопротивления?

7. Какова роль источника тока в электрической цепи?

8. Почему показания вольтметра при разомкнутом и замкнутом ключе различны?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Цель работы: Познакомиться с односторонней проводимостью диода и научиться определять коэффициент усиления по току транзистора включённого с общим эмиттером. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование: 1. Источник постоянного тока                5. Транзистор

                            2. Микроамперметр                                  6. Фотоэлементы

                            3. Миллиамперметр                                  7. Реостат

                            4. Диод Д7Ж, Д226Б                                 8. Ключ, провода

Краткая теория       

     Полупроводники характеризуются отличной от проводников проводимостью: собственной, дырочной (р- типа) и электронной (n – типа).

     Если два проводника с проводимостью разного типа привести в контакт, то на месте контакта образуется запирающий слой, который хорошо проводит ток в одном направлении и практически не проводит ток в другом. Это свойство используется в полупроводниковой технике.

Методические рекомендации

1.      При  выполнении  работы:  а)   вывод базы   присоединяйте   всегда  пер­вым; б) на транзистор не подавайте напряжение,  превышающее номинальное (номинальное напряжение для данного типа транзистора определяется     по     справочнику);  в)  не размыкайте цепь базы при наличии напряжения на коллекто­ре и эмиттере.

2.      При выполнении работы удобнее пользоваться  кнопочными выключателями.

Ход работы

1. Проверка односторонней проводимости диода

1.      Составить цепь по схеме (рисунок 14) Диод включить в прямом (пропускном) направлении. Отметка «+» должна быть обращена к плюсу и источника ЭДС. Замкнуть цепь и отметить показания миллиамперметра. Цепь разомкнуть Диод включить в обратном направлении (запорном) направлении. Цепь замкнуть, и убедится в отсутствии тока в цепи. Цепь разомкнуть  По результатам наблюдений сделать соответствующее заключение

Рисунок 14

2. Снятие вольтамперной характеристики диода.

1. Подобрать положение  движка потенциометра так, чтобы вольтметр показал самое малое напряжение. Снять показания приборов.
2. Перемещать постепенно движок потенциометра и снять не менее семи значений напряжения и силы тока. Цепь разомкнуть.
3. Результаты измерений записать в таблицу №14
4. По результатам измерений построить график зависимости силы тока от напряжения, откладывая по оси ординат силу тока в миллиамперах, а по оси   абсцисс - напряжение в вольтах.

Таблица №14 «Вольтамперная характеристика диода»

Номер опыта	Марка диода	Ток, проходящий через диод, I, А	Напряжение, поданное на диод, U, В	Марка диода	Ток, проходящий через диод, I, А	Напряжение, поданное на диод, U, В
1 … 7	Д226Б			Д 7 Ж

3. Проверка односторонней проводимости транзистора.

1. Собрать цепь по схеме (рисунок 15). Выход от  базы должен  быть обращён к минусу источника тока.

Рисунок 15

2. Ключ соединить с эмиттером Э и на короткое время замкнуть цепь, отметить показание миллиамперметра.
3. Клемму ключа соединить с коллектором  К  и на короткое время замкнуть цепь,  отметить показание миллиамперметра.
4. Проверить работу транзистора в обратном направлении (вторая схема).
5. По результатам наблюдений сделать соответствующий вывод.

4. Определение коэффициента усиления транзистора по току - схема с общим  эмиттером

Составить цепь по схеме (рисунок 16) Замкнуть цепь. Снять показания миллиамперметра (Iк – ток коллектора) и микроамперметра (Iб – ток базы). Вычислить ток  эмиттера Iэ = Iб - Iк, затем коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером  β: 4. Результаты измерений записать в таблицу № 17

Рисунок 16

Таблица № 15 «Коэффициент усиления по току»

Сила тока в цепи базы, Iб, мА	Сила тока в цепи коллектора, Iк, мА	Сила тока в цепи эмиттера, I э, мА	Коэффициент усиления по току, β, %

Контрольные вопросы

1. В чём различие проводимости проводников и полупроводников?
2. Как объяснить уменьшение удельного сопротивления полупроводника при уменьшении температуры?
3. Что является в схеме триода входной цепью и что – выходной?
4. Как следует включить в цепь транзистор, чтобы он действовал и как диод в прямом направлении?
5. Как определить на опыте, какой проводимостью обладает триод?
6. Что показывает вольтамперная характеристика диода?
7. Как устроен диод и почему он может работать выпрямителем переменного тока?
8. Какими преимуществами обладают полупроводниковые диоды и триоды по сравнению с ламповыми?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы: Научится получать индукционный ток, проводя эксперименты, установить условия возникновения и существования индукционного тока. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование: 1. Катушки.                                           6. Источник постоянного тока.

                            2. Гальванометр.                                   7. Реостат.

                            3. Магниты.                                           8. Рамка с лампочкой.

                            4. Источник переменного тока.           9. Ключ.

                            5. Соединительные провода.

Краткая теория

     Между движущимися электрическими зарядами действуют магнитные силы. Магнитные взаимодействия описываются на основе представления о магнитном поле, существующем вокруг движущихся электрических зарядов. Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическим зарядами. Можно предположить, что между ними есть связь.

В 1831 г. М. Фарадей подтвердил это экспериментально. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Ход работы

1.        Возьмём соленоид, соединённый с гальванометром (рисунок 17) и будем вдвигать в него постоянный магнит, одновременно наблюдая за стрелкой гальванометра. Прекратим движение магнита и пронаблюдаем за стрелкой гальванометра. Вынимаем магнит из соленоида, одновременно наблюдая за стрелкой гальванометра. То же самое  проделаем при внесении магнита другим полюсом. На основании опыта сделать вывод.

Рисунок 17

2.        Будем опускать в соленоид В катушку с током А, представляющую собой электромагнит (рисунок 18). Наблюдаем за стрелкой гальванометра. Сделать вывод.

Рисунок 18

3.        Вставим катушку А в соленоид В и закрепим их неподвижно (рисунок 19), но в цепь катушки А введём реостат R и ключ К. При размыкании и замыкании цепи катушки А ключом  К следим за стрелкой гальванометра. Будем изменять сопротивление реостата R, т. е. усиливаем или ослабляем ток в катушке А. Следим за показаниями гальванометра. На основании проделанного опыта сделать вывод.

Рисунок 19

4.        Включим катушку А в цепь переменного тока, а катушку В соединим с лампой накаливания (рисунок 20). Наблюдаем за лампой накаливания. Сделать вывод.

Рисунок 20

5.        По проделанной работе сформулируйте вывод.

Дополнительное задание

Оборудование: миллиамперметр, источник питания, катушки с сердечниками, дугообразный магнит, выключатель кнопочный, соединительные провода, магнитная стрелка (компас), реостат.

Ход работы

1.             Вставьте в одну из катушек железный сердечник, закрепив его гайкой. Подключите эту катушку через миллиамперметр, реостат и ключ к источнику питания. Замкните ключ и с помощью магнитной стрелки (компаса) определите расположение магнитных полюсов катушки с током. Зафиксируйте, в какую сторону отклоняется при этом стрелка миллиамперметра. В дальнейшем при выполнении работы можно будет судить о расположении магнитных полюсов катушки с током по направлению отклонения стрелки миллиамперметра..

2.      Отключите от цепи реостат и ключ, замкните миллиамперметр на катушку, сохранив порядок соединения их клемм.

3.      Приставьте сердечник к одному из полюсов дугообразного магнита и вдвиньте внутрь катушки, наблюдая одновременно за стрелкой миллиамперметра.

4.              Повторите наблюдение, выдвигая сердечник из катушки, а также меняя полюса магнита.

5.      Зарисуйте схему опыта и проверьте выполнение правила Ленца в
каждом случае.

6.      Расположите вторую катушку рядом с первой так, чтобы их
оси совпадали.

7.       Вставьте в обе катушки железные сердечники и присоедините вторую катушку через выключатель к источнику питания.

8.      Замыкая и размыкая ключ, наблюдайте отклонение стрелки миллиамперметра.

9.      Зарисуйте схему опыта и проверьте выполнение правила Ленца..

Контрольные вопросы

1. Южный полюс магнита удаляют с некоторой скоростью от металлического кольца. Определите направление индукционных токов в кольце.
2. Какой полюс появится на шляпке гвоздя, если к его заострённому концу приблизить северный полюс стального магнита?
3. В сочинение французского физика Араго «Гром и молния» приводится много случаев перемагничивания компасной стрелки, намагничивания стальных предметов под действием молнии. Как можно объяснить эти явления?
4. Как можно быстро разделить смешавшиеся на полу мастерской железные и цинковые опилки?
5. Предохранители у радиоприёмников и телевизоров плавятся в основном не во время работы, а в начале или в конце её. Почему?
6. На расстоянии 2 см от оси длинного прямого провода с током магнитного поля     80 А/а. Определите напряжённость поля на расстоянии 3 см от провода и силу тока в нём.
7. В каком направлении отклонится пучок электронов, если электронно-лучевую трубку поместить в межполюсное пространство подковообразного магнита?
8. Почему полярные сияния наблюдаются в основном в полярных районах земного шара?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы: Практически познакомится с устройством трансформатора, научиться                     определять коэффициент трансформации и числа витков в обмотках. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование: 1. Трансформаторы на вертикальной панели(2 шт.)

                            2. Источник электрической энергии на 4 В (выпрямительВ-24М, ВС-24)

                            3. Вольтметры переменного тока до 4 В (2 шт.) и 120 В.

                            4. Авометр АВО-63.

                            5. Реостат, ключ, соединительные провода.

                            6. Лампочка в патроне  на 3,5 В.

Краткая теория

В радиотехнике, электротехнике, электронике широко используют трансформатор. Внешний вид и схема одного из них (простейшего) показаны на рисунке 21 Основные элементы любого трансформатора:  Сердечник (магнитопровод); набирается из отдельных тонких изолированных друг от друга листов магнитомягкой  стали.

Рисунок 21

Две обмотки с разным числом витков: с небольшим количеством витков  толстой прово­локи и с большим количеством витков п₂ тонкой проволоки.

Переменный ток обмотки, соединенной с источником электриче­ской энергии (первичная обмотка), создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток, который в каждом витке об­моток возбуждает ЭДС индукции ε. Поэтому ЭДС индукции в пер­вичной обмотке , во вторичной , а . Если цепь вторичной обмотки разомкнута, в первичной обмотке течет слабый ток I₀ — ток холостого хода, не превышающий 5% номинального. Падение напряжения ∆U=I₀R в первичной обмотке с сопротивлением R очень мало и приложенное к этой обмотке на­пряжение U₁  лишь немного большее ε_1: U₁ ≈ ε₁. Напряжение на кон­цах вторичной обмотки U₂: U₂ = ε₂. Следовательно, для холостого хода трансформатора  .

Отношение — коэффициент трансформации. При k >>1 трансформатор повышает напряжение; при k < l — понижает напряжение.

При замыкании цепи вторичной обмотки переменный ток этой обмотки I₂, согласно закону Ленца, создает в сердечнике магнитный поток противоположного магнитному потоку первичной обмотки направления. Магнитный поток в сердечнике ослабляется. Это при­водит к ослаблению ε₁ в первичной обмотке и возрастанию тока в ней до I₁. Ток возрастает, пока магнитный поток в сердечнике транс­форматора не станет прежним.

Обмотки пронизываются с почти одинаковым магнитным потоком Ф (), поэтому , а .

Содержание и метод выполнения работы

      Для определения числа витков в обмотке трансформатора с неизвестными параметрами можно воспользоваться  свойством трансформатора, что в режиме холостого хода отношение напряжений на первичной   U₁ и вторичной обмотке U₂  его обмотках равно отношению числа витков N₁ в первичной обмотке к числу витков N₂ во вторичной обмотке:

      Намотав на сердечник трансформатора вторичную обмотку с известным числом витков N₂ и измерив напряжение U₂ на концах этой обмотке в режиме холостого хода при подаче переменного напряжения U₁ на первичную обмотку, можно определить число витков N₁ в первичной обмотке:

Ход работы

1. Трансформация тока. Повышение напряжения.

1. Составить электрическую цепь по схеме (рисунок 22)

Рисунок 22

2. Снять показания измерительных приборов и занести результаты в таблицу №16.
3. Определить коэффициент трансформации и сделать вывод.

Таблица №16

Номер	Напряжение на концах обмоток		Коэффициент трансформации
опыта	первичной, U1, В	вторичной, U2, В
1
2

2. Передача электрической энергии на расстояние.

1. Составить электрическую цепь по схеме.
2. Замкнуть ключ и изменяя положение движка реостата, получить минимальный накал лампы.
3. Составить электрическую цепь по схеме, установив в этой цепи реостат с прежним сопротивлением (положение скользящего его контакта не менять).
4. Замкнуть ключ, пронаблюдав работу установки. Сравнить накал лампы с накалом лампы предыдущей схемы и сделать вывод.

Рисунок 23

3. Определение число витков в обмотке трансформатора.

1. Намотайте вторичную обмотку из 20 - 40 витков на сердечник трансформатора.
2. Подключите выводы первичной обмотки трансформатора к источнику переменного напряжения U₁ =1 2В и измерьте напряжение U₂ на вторичной обмотке. По измеренным значениям напряжения U₁  и  U₂  и известному числу витков N₂ во вторичной обмотке определите число витков N₁ в первичной обмотке.

3. По проделанной работе сформулируйте вывод.

Контрольные вопросы

1. Рассказать о назначении, устройстве, принципе действия трансформатора.
2. С какой целью магнитопровод набирается из тонких изолированных пластин электротехнической стали? Каков КПД современных трансформаторов?
3. С какой целью для передачи электрической энергии используется трансформатор?
4. Каково напряжение в ЛЭП России?
5. Первичная катушка трансформатора присоединена к генератору переменной ЭДС, вторичная катушка разомкнута. Потребляет ли трансформатор электроэнергию?
6. Обмотки трансформатора не соединены между собой. Как осуществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную?
7. Каковы основные преимущества перевода линий передачи электрической энергии на большие расстояния на постоянный ток?
8. Допустимо ли в цепь, переменного тока с напряжением 220 В включать конденсатор, пробивное напряжение которого 250 В?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА

Цель работы: Научиться определять коэффициент преломления стекла. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование: 1. Стеклянная прямоугольная пластина.               2. Линейка.

                            3. Лист бумаги.                                                         4. 3 иглы.

                            5. Дощечка.

Краткая теория

   Свет при переходе из одной среды в другую меняет свое направление, т. е. преломляется. Преломление объясняется изме­нением скорости распространения света при переходе из одной сре­ды в другую и подчиняется следующим законам:

1. Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным через точку падения луча к грани­це раздела двух сред.

2.        Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ — величина постоянная для данных двух сред и называется коэф­фициентом преломления п второй среды относительно первой: .

Содержание и метод работы

     В соответствии с законом преломления  , где α и γ – углы падения и преломления, а n – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

     В данной работе требуется определить показатель преломления стекла относительно воздуха, при этом n ≈ n_ст.

     С  помощью лабораторного комплекта по оптике падающий и преломлённый пучки можно сделать видимыми и проводить прямые измерения синусов углов падения и преломления.

Методические рекомендации

    Чтобы определить показатель преломления стекла, достаточно измерить транспортиром углы α и γ и вычислить отношение их синусов.

Ход работы

1.       Стеклянную пластину положить на лист бумаги и обвести его контуры, как показано на чертеже (рисунок 24).

Рисунок 24

2.       В точке О и А поставить вертикально 2 иглы.

3.       Глядя через стекло, поставить иглу в такой точке М, чтобы все 3 иглы лежали в одной плоскости.

4.       Убрать пластинку и через точку О провести нормаль к границе двух сред, луч падающий и преломлённый.

5.       На падающем и преломлённом лучах отложить отрезки ОА и ОД (ОА =ОД).    Из точек А и Д опустить перпендикуляры на нормаль к границе двух сред        АВ и ДС.

Рисунок 25

6.       Измерить длины этих перпендикуляров и вычислить показатель преломления по формуле:    

7.       Проделать опыт три раза, взять среднее значение и вычислить погрешность

8.       Данные записать в таблицу №17.   

9.       По проделанной работе сформулируёте вывод.

Таблица №17                                 

№ опыта	АВ, мм	СД, мм	n	nср	nт	ε, %
1
2
3

Дополнительное задание

Оборудование:  плоскопараллельная стеклянная пластина, линейка, 4 булавки, транспортир, таблица Брадиса или микрокалькулятор, позволяющий находить значения тригонометрических функций.

Указание к выполнению работу

1. Положите на тетрадный лист плоскопараллельную пластину и обведите контуры карандашом.
2. Положив под тетрадный лист кусок картона и, расположив тетрадь с пластиной на уровне глаз, воткните в лист одну за другой четыре булавки так, чтобы все они находились на одном луче.
3. Убрав картон, пластинку и булавки, соедините точки 1,2,3 и 4 (места проколов на листе) ломаной линией. Обозначив углы падения и преломления света на границе раздела двух сред, измерьте эти углы транспортиром, после чего заполните таблицу №18:

Таблица №18

№	α	γ	sin α	sin γ	n	n т	ε,%
1
2
3

4. Вычислите показатель преломления стекла
5. Вычислите погрешность по результатам проделанной работы.
6. Сформулируйте вывод.

Контрольные вопросы

3.      В чём сущность явления преломления света и какова причина этого явления?

4.      В каких случаях свет на границе раздела двух прозрачных сред не преломляется?

5.      Что называется коэффициентом преломления и в чём различие абсолютного и относительного коэффициентов преломления?

6.      Почему находясь в лодке, трудно попасть копьём в рыбу?

7.      Почему изображение предмета в воде всегда менее яркое, чем сам предмет?

8.      Что происходит при переходе луча в оптически менее плотную среду с углом преломления?

9.      Как изменилось бы видимое расположение звёзд на небе, если бы исчезла атмосфера Земли?

10.  Свет падает на плоскую границу воздух – стекло. Показатель преломления стекла 1,5. Найдите угол падения луча, если угол между отражённым и преломлённым лучами прямой.

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКИ

Цель работы: Научиться определять длину световой волны с помощью дифракционной решетки. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование:  1.Прибор для определения длины световой волны.

                            2. Дифракционная решетка.

                            3. Лампа с прямой нитью  накала в патроне со

                           шнуром и вилкой (общая  для всех учащихся) 

                            4. Стойка для лампы.

Краткая теория

          Параллельный пучок света, проходя через дифракцион­ную решетку, вследствие дифракции за решеткой распространяется по всевозможным направлениям и интерферирует. На экране, установ­ленном на пути интерферирующего света, можно наблюдать интер­ференционную картину. Максимумы света наблюдаются в точках эк­рана, для которых выполняется условие

∆ = nλ,

где ∆ — разность хода волн; λ — длина световой волны; п — номер максимума.   Центральный  максимум   называют  нулевым;   для   него ∆ = 0. Слева и справа от него располагаются максимумы высших по­рядков.

Условие возникновения максимума  можно записать иначе:  (рис. ). Здесь d — период дифракционной решетки; φ — угол, под которым виден световой максимум (угол дифракции). Так как углы дифракции, как правило, малы, то для них можно принять

, а  (рис. ). Поэтому

В данной работе формулу    используют для вычисления длины световой волны.

Анализ формулы ∆ = nλ, показывает, что положение световых мак­симумов зависит от длины волны монохроматического света: чем больше длина волны, тем дальше максимум от нулевого.

Белый свет по составу — сложный. Нулевой максимум для не­го — белая полоса, а максимумы высших порядков представляют со­бой набор семи цветных полос, совокупность которых называют спект­ром соответственно I, II,... порядка (рисунок 26).

Рисунок 26

Получить дифракционный спектр можно, используя прибор для определения длины световой волны (рисунок 27). Прибор состоит из брус­ка  со шкалой. Внизу бруска укреплен стержень. Его вставляют в отверстие подставки от подъемного столика. Брусок закрепляют под разными углами с помощью винта. Вдоль бруска в боковых па­зах его может перемещаться ползунок  с экраном. К концу бруска прикреплена рамка, в которую вставляют дифракционную решет­ку.

Содержание и метод выполнения работы

     Если лампу накаливания поставить за непрозрачным экраном таким образом, чтобы её нить накала была расположена против узкой щели на экране прибора для определения длины световой волны рис. 0, то при рассматривании щели через дифракционную решётку мы увидим симметрично расположенные по обе стороны от щели две сплошные разноцветные полосы – дифракционные спектры.

Возникновение этих спектров объясняется явлением дифракции света на системе прозрачных полос – щелей дифракционной решётки. При таком способе наблюдения

спектра роль лин­зы, собирающей в одну точку параллельный пучок световых лучей, идущих под углом φ от дифракционной решетки, выпол­няет оптическая система глаза человека, а роль экрана, на кото­ром получается спектр, сетчатка глаза (рисунок 28). Для определения границ спектральной чувствительности гла­за необходимо определить длину волны красного света на одном краю наблюдаемого спектра и длину волны фиолетового света на другом краю спектра. Положение дифракционного максимума первого порядка для дифракционной решетки с периодом d определяется условием: , где λ - длина световой волны, φ -  угол, под которым наблюдается положение максимума.

Рисунок 27

Рисунок 28

Методические рекомендации

1. Производя отсчёт расстояния l красного и фиолетового краев спектра от центра щели на экране определяйте расстояния справа и слева от щели и найдите их средние расстояния.

Ход работы

1.      Установить на демонстрационном столе лампу и включить её.

2.      Вставить дифракционную решетку в рамку на продольной линейке прибора.

3.      Экран со шкалой установить на конце продольной линейки.

4.      Проверить расположение частей установки.

5.      Смотря на лампу через дифракционную решетку, расположить прибор так, чтобы через прорезь экрана была видна нить лампы. Возможный перекос прибора устранить осторожным вращением прибора в шарнире.

6.      Перемещением экрана со шкалой по продольной линейке добиться наиболее четкого изображения на экране спектров      1-го порядка.

7.      Отсчитать по шкале смещение от щели до середины красной части

 спектра  l_кр.

8.      Отсчитать по шкале смещение от щели до середины фиолетовой части спектра l_Ф .

9.      Отсчитать по шкале смещение от щели до середины зеленой части

 спектра l _з.

10.  Измерить расстояние L от решетки до экрана.

          11. Из формулы кl=d sinφ (принимаем  tgφ »sinφ » ;  k=1)  

                получаются значения длин. волн: ; ; 

          12. Повторить наблюдения и измерения для других расстояний между        экраном и решёткой.

          13. Результаты всех измерений и вычислений занести в таблицу № 19

              14.Определить погрешность измерения:

          15. По проделанной работе сформулируйте вывод.

Таблица № 19

№ опы та

Пос тоян ная решет ки

Порядок спектра

Расстояние      от экрана до решет ки

Красная часть спектра

Зеленая часть спектра

Фиолетовая часть спектра

d,мм

к

L,мм

смеще ние lКР,мм

длина волны lКР,мкм

погреш ность ε,%

смеще ние lЗ,мм

длина волны lз,мкм

погрешность ε,%

смещение lФ,мм

длина волны lФ,мкм

погреш ность ε,%

1

2

3

Таблица № 20 «Длины волн и соответствующие им цвета видимого спектра»

Человеческий глаз наиболее чувствителен к средней, зеленой, части видимого спектра, соответствующей длине волны около 550 нм

Длина волны, нм	Цвет спектра	Длина волны, нм	Цвет спектра
760 – 620	Красный	500 – 480	Голубой
620 – 590	Оранжевый	480 – 450	Синий
590 – 560	Жёлтый	450 – 380	Фиолетовый
560 – 500	Зелёный

Дополнительное задание

Наблюдение интерференции и дифракции света.

Приборы и материалы: 1. Пластины стеклянные – 2 шт.,

                                            2. Лампа с прямой нитью накала (одна на всю группу).

                                            3. Штангенциркуль.

     Наблюдение интерференции

1. Стеклянные пластины тщательно протереть, сложив вместе и сжать пальцами.
2. Рассмотреть пластины в отражённом свете на тёмном фоне (располагать их надо так, чтобы на поверхности стекла образовывались слишком яркие блики от окон или от белых стен).
3. В отдельных местах соприкосновения пластин наблюдать яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы.
4. Заметить изменения формы и расположения полученных интерференционных полос с изменением нажима.
5. Попытаться увидеть интерференционную картину в проходящем свете.

Наблюдение дифракции

1. Установить между губками штангенциркуля щель шириной 0,5 мм.
2. Приставить щель вплотную к глазу, расположив её вертикально.
3. Смотря сквозь щель на вертикально расположенную светящую нить лампы, наблюдать по обе стороны нити радужные полосы (дифракционные спектры).
4. Изменяя ширину щели от 0,5 до 0,8 мм, заметить, как это влияет на дифракционные спектры.

Контрольные вопросы

1. Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света -  белая полоса, а максимумы высших порядков – набор цветных полос?
2. Почему максимумы и минимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?
3. В каких толчках экрана получаются 1,2 3 максимумы?
4. Какой вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?
5. В каких точках экрана получается световой минимум?
6. Какое значение имеет ширина и число щелей дифракционной решётки?
7. Чему равна разность хода зелёных лучей (λ = 490 нм) для максимума зелёных лучей в дифракционном спектре?
8. Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13

НАБЛЮДЕНИЕ СПЕКТРОВ ИСПУСКАНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ

Цель работы: Изучение с помощью спектроскопа спектров испускания и поглощения газов и паров некоторых веществ. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование: 1. Спектроскоп.                                      5. Раствор поваренной соли.

                            2. Спиртовка.                                          6. Пинцет.

                            3. Асбест.                                                7. Штатив.

                            4.Светофильтр.

Краткая теория

    Слово «спектр» в физику ввёл Ньютон, использовавший его в своих научных трудах. В переводе с латыни слово «спектр» означает «дух», «приведение», что довольно точно отражает суть явления – возникновение праздничной радуги при прохождении бесцветного солнечного света через прозрачную стеклянную призму.

    Совокупность частот (или длин волн), которые содержатся в излучении какого-либо вещества, называют спектром испускания. Они бывают трёх видов.

    Сплошной – это спектр, содержащий все длины волн определённого диапазона от красного и до фиолетового. Сплошной спектр излучают нагретые твёрдые и жидкие тела под большим давлением.

    Линейчатый – это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного или одного цвета, имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определённых частот. Поэтому химический элемент имеет свой спектр.

    Полосатый – это спектр, который испускается газом в молекулярном состоянии.

   Линейчаты и полосатые спектры можно получить путём нагревания вещества (что используется в данной лабораторной работе) или пропускании электрического тока.

Рисунок 29

Если излучение источника света направить на стеклян­ную призму, на пути прошедших через призму лучей поставить экран, то на экране можно наблюдать набор цветных полос — спектр.

Причина наблюдаемого явления состоит в том, что излучения различных частот имеют одинаковую скорость с в вакууме, а в дру­гой среде (например, в стекле) их скорость неодинакова и зависит от частоты колебаний. Так как коэффициент преломления п зависит от скорости распространения световых волн, то лу­чи разных частот преломляются по-разному.

Наблюдать спектр можно с помощью спектроскопа прямого зре­ния (рисунок 29, а). Прибор состоит из трубы 1 (рисунок 29,б), сложной призмы 2, собирающей линзы 3, закрепленной винтом 4, постоян­ной щели 5, окуляра 6,

Методические рекомендации

Данная работа имеет большое познавательное значение, поэто­му на занятиях полезно предложить учащим­ся работу с двухтрубным спектроскопом с целью: проградуировать спектроскоп и по градуировочной кривой определить длину, а за­тем и частоту световых волн спектральных линий какого-либо све­тящегося газа.

Ход работы

1. Наблюдение спектров испускания.

а) Сплошной спектр.

1. Зажечь спиртовку, поставить на подставку.

2. Расположить спиртовку так, чтобы её пламя находилось против щели   коллиматора.

3. Проверить, параллельна ли щель коллиматора преломляющему ребру призмы  спектроскопа.

4. Рассмотреть полученный спектр со спектром дневного света и с изображением сплошного спектра в таблице.

б) Линейчатый спектр.

1. Зажечь спиртовку, поставить на подставку.

2. Расположить спиртовку так, чтобы её пламя находилось против щели коллиматора.

3. Внести в пламя спиртовки на проволочке кусочек асбеста, смоченный раствором поваренной соли.

4. Проверить, параллельна ли щель коллиматора преломляющему ребру призмы, проверить точность установки зрительной и коллиматорной труб (спектральные линии должны быть чёткими).

5. Рассмотреть полученный  линейчатый спектр и обратить внимание на характерные для данного вещества спектральные линии.

6. Сравнить полученный линейчатый спектр с изображением в таблице. Зарисовать (схематически) спектр в тетради.

2. Наблюдение спектра поглощения.

1. Зажечь спиртовку, поставить на подставку.

2. Расположить спиртовку так, чтобы её пламя находилось против щели коллиматора.

3. Поместить между щелью и спиртовкой светофильтр.

4. Рассмотреть полученный спектр поглощения цветного стекла, обращая внимание на характерные линии и полосы.

5. По проделанной работе сформулируйте вывод.

Наблюдение сплошного и линейчатого спектров

Приборы и материалы: 1. Проекционный аппарат.

                                            2. Спектральные трубки с водородом, неоном или гелием.

                                            3. Высоковольтный индуктор.

                                            4. Батарея аккумуляторов.

                                            5. Стеклянная пластина (выдаётся каждому).

Проведение эксперимента

1. Расположить пластину горизонтально перед глазом. Сквозь грани, составляющие угол 45º, наблюдать светлую вертикальную полоску на    экране – изображение раздвижной щели проекционного аппарата.
2. Выделить основные цвета полученного сплошного спектра и записать их в наблюдаемой последовательности.
3. Повторить опыт, расположив полоску через грани, образующие угол 60º. Записать различия в виде спектров.
4. Наблюдать линейчатые спектры водорода, гелия или неона, рассматривая светящиеся спектральные трубки сквозь грани стеклянной пластины. Записать наиболее яркие линии спектров.

Контрольные вопросы

1. Какова причина разложения белого света призмой?

2.       Как объяснить происхождение линейчатых спектров?

3.       В чем различие дифракционного и дисперсионного спектров?

4.       Почему при уменьшении напряжения «световая отдача» ламп накаливания уменьшается и свечение приобретает красный отте­нок?

5.       Будут ли изменяться частота, длина волны, цвет при перехо­де зеленого света из воздуха в воду?

6.   Приведите примеры практического использования спектров.

7.      Почему атомы каждого химического элемента имеют строго определённый линейчатый спектр излучения и поглощения?

8.      Какой спектр даёт раскалённый добела металл? расплавленный металл?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: Определить задерживающее напряжение, максимальную              кинетическую энергию выбитых электронов и работу выхода. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы

Оборудование:      1    Вакуумный фотоэлемент на панели (типа СУВ-4)

                                 2   Потенциометр

3    Миллиамперметр

4    Вольтметр

5    Светофильтр с известной частотой пропускаемого света

                                 6     Источник электрической энергии

7 Электрическая лампочка в патроне и с вилкой для включения в осветительную цепь

Краткая теория

 Доказательством квантовой теории света является внешний фотоэлектрический эффект — явление выбивания электро­нов из металла световым излучением определенного интервала час­тот.

Сущность этого явления заключается в следующем. Свет — по­ток фотонов. Каждый фотон имеет энергию Е: E = hv_,,  где  h = 6,63 ∙10 ^-34 Дж·с — постоянная   Планка;   ν —частота   излучения.

При падении на вещество фотон поглощается одним из электро­нов. Часть поглощенной энергии расходуется на работу по вырыва­нию электрона из металла. Эта работа называется работой выхода электрона А_вых. Другая часть поглощенной энергии фотона превра­щается в кинетическую энергию вырванного из металла электро­на . Следовательно,

     Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фо­тоэффекта и которые преобразуют световую энергию в энергию электрическую, называются фотоэлементами.

Рисунок 30

Составные части фо­тоэлементов: а) стеклянный баллон; б) катод — тонкий слой металла, который покрывает часть внутренней поверхно­сти баллона; в) анод — небольшой диск или про­волочное кольцо, укрепленный в центре баллона. При освещении катода фотоэлемента свето­вым излучением от источника S в цепи (рисунке 30) появляется ток (фототок). Если между электро­дами   фотоэлемента     создать   задерживающее электрическое поле и увеличить напряжение,

Подаваемое на фотоэлемент, то фототок будет уменьшаться. При некотором задерживающем напряжении U₃ фототок будет   равен, нулю. В этот момент максимальная кинетическая   энергия   фото­электронов равна   работе   сил   задерживающего   электрического поля:  где е = 1,6 ∙ 10^-19 Кл — заряд электрона.

Цель данной работы — определить задерживающее напряжение, максимальную кинетическую энергию выбитых электронов и рабо­ту выхода.

Методические рекомендации

     Перед лабораторной работой необходимо:

1. Для фотоэлемента изготовить защитный светонепроницаемый экран с щелью, которую в ходе работы закрыть светофильтром.
2. Определить частоту пропускаемого света светофильтрами, используемыми в работе.

Ход работы

1.      Составить электрическую цепь по схеме, соединив катод фотоэлемента с зажимом  «+», анод с «-« источника электрической энергии.

Рисунок 31

    2.  Установить светофильтр С перед фотоэлементом и осветить его, включив электрическую лампочку S.

     3.   Замкнуть цепь. С помощью потенциометра получить в цепи наименьшее напряжение. Снять показания измерительных приборов.

     4.   Плавно изменяя положение скользящего контакта потенциометра, увеличивая напряжение, подаваемое на фотоэлемент снять 5-7 показаний измерительных приборов.         

     5.  Получить напряжение, при котором фототок равен нулю. Записать показание U_з вольтметра.

     6.  Вычислить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, используя соотношение     

     7.  Вычислить работу выхода электрона, используя соотношение

                         

8. Выразить работу в электрон-вольтах.
9. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу№21.

Таблица №21

	Частота излучения, ν, Гц	Сила фототока, IФ, А	Напряжение, подаваемое на фотоэлемент, U, В	Максимальная энергия фотоэлектронов, Ек, Дж	Работа выхода, Ав, Дж	Работа выхода, Ав, эВ
1
…
8

10.  По проделанной работе сформулируйте вывод.

Дополнительное задание

1. Изучение зависимости силы фототока от разности потенциалов между анодом и катодом.

          Для изучения этой зависимости собрать электрическую цепь, состоящую из источника тока, фотоэлемента, миллиамперметра и вольтметра. Катод осветить источником монохроматического излучения частотой 1,76 ∙ 10¹⁵ Гц. Изменяя разность потенциалов между анодом и катодом, измерить силу тока для каждого значения. Построить график зависимости силы тока от разности потенциалов между катодом и анодом.

          Объясните, почему наблюдается прохождение тока по цепи и почему происходит изменение наклона кривой на различных её участках

2. Определение постоянной Планка и работы выхода электрона.

         Катод фотоэлемента осветить источником излучения различных частот, при этом каждый раз измерить максимальную кинетическую энергию испускавшихся электронов

Таблица №22

ν, ∙ 1015 Гц
К max,  ∙ 10-19 Дж

Вывести зависимость между максимальной кинетической энергией испускаемых электронов и частотой излучения.

     Построить график зависимости кинетической энергии от частоты излучения. Определить из графика значение постоянной Планка.

     Используя последние значения рассчитать работу выхода электрона.

Контрольные вопросы

1. Рассказать об устройстве, принципе действия и назначении фотоэлементов.
2. Начертить вольтамперную характеристику фотоэлемента, объяснить ход графика.
3. Привести примеры практического использования фотоэлементов.
4. Сформулировать законы внешнего фотоэффекта.
5. Почему первые опыты по обнаружению фотоэффекта проводились на цинковой пластине?
6. Почему фоторезисторы обладают инертностью, несмотря на то что явление фотоэффекта безынерционное?
7. В чём различие между внешним и  внутренним фотоэффектами?
8. Найти энергию квантов излучения, длина волны которого в ацетоне равна 450 нм.

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №15

ИЗУЧЕНИЕ ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО ГОТОВЫМ ФОТОГРАФИЯМ

Цель работы: Научиться проводить идентификацию заряженной частицы по результатам сравнения её трека с треком протона в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. С этой целью изучите теорию рассматриваемого вопроса, соберите установку и экспериментально проверьте основные теоретические выводы.

Оборудование: 1 Копия фотографии треков              3 Прямоугольный треугольник

                            2 Лист прозрачной бумаги                 4 Карандаш

Краткая теория

     Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью со введённым курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой Кручок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, - выстрел.

  Регистрирующий прибор — это более или менее сложная макроско­пическая система, которая может находиться в неустойчивом состоя­нии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода систе­мы в новое, более устойчивое состоя­ние. Этот процесс и позволяет ре­гистрировать частицу. В настоящее время используется много различных методов регистрации частиц.

В зависимости от целей экспе­римента и условий, в которых он про­водится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отли­чающиеся друг от друга по основ­ным характеристикам.

Камера Вильсона Счётчики позволяют лишь зарегистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые её характеристики. В камере Вильсона сделанной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, ко­торый можно наблюдать непосред­ственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир, т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем. Действие камеры Вильсона осно­вано на конденсации перенасы­щенного пара на ионах с образо­ванием капелек воды. Эти ионы со­здает вдоль своей траектории дви­жущаяся заряженная частица. Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спир­та, близкими к насыщению (рис.32 ). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, пар в камере адиабатически расширяется.

Рисунок 32- Камера Вильсона

Вслед­ствие этого происходит охлаждение, и пар становится пересыщенным. Это неустойчивое состояние пара: пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, кото­рые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру непо­средственно перед расширением или сразу после него, то на ее пути возни­кают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы — трек (рис. ). Затем камера возвращается в исходное состояние и ионы удаляются электри­ческим полем. В зависимости от раз­меров камеры время восстановления рабочего режима колеблется от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно бо­гаче той, которую могут дать счет­чики. По длине трека можно опре­делить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оце­нивается ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше  ее  энергия.   А  чем   больше капелек воды образуется на едини­цу длины трека, тем меньше ее ско­рость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили по­мещать камеру Вильсона в однород­ное магнитное поле. Магнитное поле действует на движущуюся заряжен­ную частицу с определенной силой (силой Лоренца). Эта сила искрив­ляет траекторию частицы, не изме­няя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее мас­са. По кривизне трека можно опре­делить отношение заряда частицы к ее массе. Если известна одна из этих величин, то можно вычислить другую. Например, по заряду части­цы и кривизне ее трека можно опре­делить массу.

Содержание и метод проведения работы

     В работе требуется провести идентификацию заряженной частицы по результатам сравнения её трека с треком протона в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Под идентификацией частицы понимается установление её тождества с известной вам частицей. Работа проводится с готовой фотографией треков четырёх  заряжен­ных частиц (рис. ). Трек 1 при­надлежит протону,  следующие треки  — части­цам, которые надо идентифициро­вать. Линии индукции магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпен­дикулярны краю фотографии.

Идентификация неизвестной час­тицы осуществляется путем срав­нения ее удельного заряда — с удель­ным зарядом протона. Это можно сделать, измерив и сравнив радиусы треков частиц на начальных участ­ках треков. Действительно, для за­ряженной частицы, движущейся пер­пендикулярно вектору индукции маг­нитного поля, можно записать:

 или

Из этой формулы видно, что отношение удельных зарядов частиц равно обратному отношению радиу­сов их траекторий.

Ход работы

1. Перенести на лист отчёта треки частиц с фотографии рисунок 34

2. На фотографии представлены треки частиц в камере Вильсона, находящейся в магнитном поле (1- трек протона). Линии индукции магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии.

3. Измерить радиусы кривизны треков частиц на их начальных участках.

Идентификация неизвестной частицы осуществляется путём сравнения её удельного заряда q/m с удельным зарядом протона. Это можно сделать, измерив и сравнив радиусы треков частиц на начальных участках треков. Действительно, для заряженной частицы, движущейся перпендикулярно вектору индукции магнитного поля можно записать:

 или   .

Радиус кривизны трека частицы определяют следующим образом. Вычертить две хорды, восстановить к этим хордам серединные перпендикуляры. На пересечении перпендикуляров лежит центр окружности, её радиус определяют линейкой (см. рис.33 ) Сравнить удельные заряды неизвестной частицы и протона. Идентифицировать частицу по результатам измерений.

Рисунок 33

      ;                          ;                    .

6. По проделанной работе сделать вывод

Рисунок 34

Дополнительное задание

Оборудование: фотография треков, оставленных двумя заряженными частицами в камере Вильсона, линейка, калька.

Указание к выполнению работы

1. Решите задачу: в поперечное однородное магнитное поле с одной и той же скоростью в одном и том же направлении влетают две заряженные частицы; чему равно отношение удельных зарядов этих частиц, если радиусы кривизны их траекторий оказались равными R₁ и R₂?
2. Положите на фотографию лист прозрачной бумаги (кальку) и переведите на неё изображение треков.
3. Проведите на кальке хорды начальных участков треков. Измерьте высоту h и длину хорды l для каждого трека. Воспользовавшись формулой

Определите радиусы кривизны треков R₁ и R₂ на их начальных участках.

4. Воспользовавшись формулой, полученной в начале данной работы, найдите отношение удельного заряда неизвестной частицы (оставившей трек 2) к удельному заряду протону (оставившего трек 1).
5. Сравните полученный результат с данными, приведёнными в таблице, определите, какой именно частице принадлежит трек 2.

	Позитрон	Тритий	Альфа-частица	Пи-мезон
	1836	0,33	0,5	9

Контрольные вопросы

1. Назовите формулу кинетической энергии частиц; сформулируйте закон сохранения энергии.
2. Что вам известно о протоне, α – частице?
3. Дайте определение атомной единице масс. Укажите её соотношение с килограммом.
4. как узнать, ядро какого атома приобретает большую кинетическую энергию после столкновения?
5. Найдите дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра , если  М =15,0001091 а.е.м.
6. Написать недостающее обозначение в следующих ядерных реакциях:

7. Сколько α и β- распадов испытывает уран  в процессе последовательного превращения в свинец ?
8. Записать реакцию непосредственного превращения актиния 227 во франций 223. Какой распад здесь имеет место?

Литература

1 Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика. Учебник для средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа,1990.

2 Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений./ Под ред. Р.А. Гладковой. – М.: Наука, 1996.

3 Дондукова Р.А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике. – М.: Высшая школа,1993.