Методические рекомендации по проведению лабораторных работ по физике

Задонск, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка

Правила выполнения лабораторных работ

Проведение опыта и измерений

Критерии оценки результатов выполнения практической работы

Оценка выполнения практической работы

Заключение

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов

Список использованных источников

Выберите документ из архива для просмотра:

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Инфоурок › Физика ›Другие методич. материалы›Методические рекомендации по проведению лабораторных работ по физике

Выбранный для просмотра документ метод указания к лаб работам.pdf

Государственное образовательное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Задонский политехнический техникум»

Утверждено на заседании ЦМК общеобразовательных, общих гуманитарных и социальных дисциплин

Г(О)Б ПОУ «Задонский политехнический техникум» Протокол №___ от _____2016г.

Председатель ЦМК __________ Т.Н. Аксёнова

Акатова Г.С.

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по физике - 54с.

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по физике направлены на формирование у студентов обобщенного понимания изучаемых явлений, развитие экспериментальных и исследовательских умений. Данные учебнометодические материалы содержат четкую последовательность действий обучающегося по выполнению лабораторных работ. В рекомендациях обозначены цели, правила проведения работ, их описания с указанием критериев выполнения работ.

Методические рекомендации адресованы преподавателям физики и студентам профессиональных образовательных организаций по программам подготовки квалифицированных специалистов по специальностям технического профиля.

Акатова Г.С.,2016

Г(О)Б ПОУ «Задонский политехнический техникум», 2016

Пояснительная записка 4

Правила выполнения лабораторных работ 5

Критерии оценки результатов выполнения лабораторных работ 6

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов 7

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ 7

Обработка результатов измерений при проведении лабораторных работ 7

Перечень лабораторных работ:

Лабораторная работа № 1 Исследование движения тела под действием постоянной силы 10

Лабораторная работа № 2 Изучение особенностей силы трения (скольжения). 11

Лабораторная работа №3. Изучение закона сохранения импульса. 13

Лабораторная работа №4. Сравнение работы силы с изменением кинетической энергии 15

тела.

Лабораторная работа № 5 Сохранение механической энергии при движении тела под 18

действием сил тяжести и упругости.

Лабораторная работа №6 Изучение законов сохранения на примере удара шаров и 19

баллистического маятника.

Лабораторная работа №7 Измерение влажности воздуха. 22

Лабораторная работа № 8 Измерение поверхностного натяжения жидкости 24

Лабораторная работа № 9 Наблюдение процесса кристаллизации. 26

Лабораторная работа № 10 Изучение деформации растяжения, теплового расширения 29

воды и твердых тел.

Лабораторная работа № 11 Изучение закона Ома для участка цепи, последовательного и 32

параллельного соединения проводников.

Лабораторная работа № 12 Изучение закона Ома для полной цепи. 34

Лабораторная работа № 13 Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника 35

напряжения.

Лабораторная работа № 14 Определение температуры нити лампы накаливания. 37

Лабораторная работа № 15 Определение коэффициента полезного действия 38

электрического чайника

Лабораторная работа № 16 Изучение явления электромагнитной индукции. 39

Лабораторная работа № 17 Изучение зависимости периода колебаний нитяного (или 42

пружинного) маятника от длины нити (или массы груза).

Лабораторная работа № 18 Индуктивное и емкостное сопротивления в цепи переменного 43

тока.

Лабораторная работа № 19 Изучение изображения предметов в тонкой линзе. 45

Лабораторная работа № 20 Изучение интерференции и дифракции света. 46

Лабораторная работа № 21 Градуировка спектроскопа и определение длины волны 48

спектральных линий

Заключение 53

Список литературы 54

Разработка «Методические рекомендации к лабораторным работам по физике» предназначена для качественного проведения тематических лабораторных работ. Её основной частью являются инструкции и отчёты по лабораторным работам.

Инструкции содержат тему работы, перечень необходимого оборудования, в них сформулированы цели предстоящей работы, дана краткая теоретическая справка по изученному материалу и методика выполнения.

В отчётах обучающиеся отражают выполнение поставленных целей, демонстрируют навыки работы с приборами, умения использовать полученные результаты измерений для вычислений искомых величин с использованием физических формул, способность анализировать результаты и делать выводы по проделанной работе.

Физика относится к профильным учебным дисциплинам, поэтому содержание учебного материала направлено на профессию обучающихся. С этой целью в каждой лабораторной работе определены конкретные вопросы, позволяющие связать учебный материал науки физики и междисциплинарных курсов, реализующих учебный материал видов профессиональной деятельности.

Каждая учебная дисциплина способна внести вклад в повышение качества подготовки будущих специалистов. Очень важная роль в этом принадлежит физике как универсальному междисциплинарному языку при освоении специальностей технического профиля. По этой причине «Физика» является профильной учебной дисциплиной для данной категории студентов. Одной из целей, на достижение которых ориентирована программа дисциплины является: овладение умениями проводить наблюдения, планировать и выполнять эксперименты, выдвигать гипотезы и строить модели, применять полученные знания по физике для объяснения разнообразных физических явлений и свойств веществ; практически использовать физические знания; оценивать достоверность естественнонаучной информации. В формировании данных умений лабораторные работы занимают особое место, так как только самостоятельная работа студентов с приборами и оборудованием позволяет добиться полного понимания наблюдаемых явлений.

Цель методических указаний – помочь обучающимся выполнить лабораторные работы, предусмотренные программой по физике, научить правильно, определять погрешности и производить необходимую числовую обработку результатов лабораторного эксперимента.

В методических указаниях приведены инструкции по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине «Физика», изучаемой в рамках реализации федерального государственного образовательного стандарта среднего общего образования в пределах программ подготовки квалифицированных специалистов.

Перечень лабораторных работ по физике для студентов соответствует следующим разделам рабочей программы учебной дисциплины «Физика»: «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электродинамика», «Колебания и волны», «Оптика», «Элементы квантовой физики».

Содержание лабораторных работ определены с учетом:

-воспитательно-образовательных задач обучения физике в учреждениях среднего профессионального образования, реализующих образовательную программу среднего общего образования при подготовке квалифицированных специалистов;

- требований к результатам обучения, предъявляемых примерной программой и школьным компонентом, предназначенных для изучения физики в учреждениях среднего профессионального образования;

-времени, отводимом на изучении курса общеобразовательной дисциплины «Физика» для специальностей технического профиля (169 ч);

-возрастных особенностей студентов;

-технических возможностей выполнения работ при помощи оборудования лаборатории кабинета.

Качественное выполнение студентами лабораторных работ при изучении учебной дисциплины «Физика» позволяет:

-познакомить студентов с экспериментальными методами познания в физике, с ролью эксперимента в физических исследованиях формирование научного мировоззрения;

-сформировать экспериментальные и исследовательские умения - наблюдение явлений, выдвижение гипотезы, планирование эксперимента, анализ результатов, способность устанавливать зависимости между величинами, делать выводы и т.п.

Систематическое выполнение студентами экспериментальных лабораторных работ способствует более осознанному и конкретному восприятию изучаемого на уроке материала, повышает интерес к физике, формирует общие компетенции будущего рабочего, прививает ценные лабораторные умения и навыки.

Весь процесс выполнения лабораторных работ включает в себя теоретическую подготовку, ознакомление с приборами и сборку схем, проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и сдачу зачета по выполненной работе.

Лабораторные работы направлены на освоение следующих умений и знаний согласно ФГОС СПО.

уметь:

экспериментально находить коэффициент трения и скольжения, влажность воздуха, электрическое

сопротивление, ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока, оптическую силу линзы, длину световой волны;

формулировать понятия: механическое движение, скорость и ускорение, система отсчета; изображать графически различные виды механических движений;

различать понятия веса и силы тяжести; объяснять понятия невесомости; объяснять суть реактивного движения и различия в видах механической энергии; формулировать понятия колебательного движения и его видов; понятие волны; представлять результаты измерений с учетом их погрешностей

знать/понимать: понятия: сила трения скольжения, коэффициент трения скольжения и его зависимость от

различных факторов.

основные единицы СИ

виды механического движения в зависимости от формы траектории и скорости перемещения тела понятие траектории, пути, перемещения;

различие классического и релятивистского законов сложения скоростей; относительность понятий

длины и промежутков времени. основную задачу динамики; понятие массы, силы, законы Ньютона; основной закон динамики материальной точки; закон всемирного тяготения;

понятие импульса тела, работы, мощности, механической энергии и ее видов; закон сохранения импульса; закон сохранения механической энергии; превращение энергии при колебательном движении; суть механического резонанса;

процесс распространения колебаний в упругой среде;

смысл физических величин: перемещение, скорость, ускорение, масса, сила, давление, импульс, работа, мощность, механическая энергия, период, частота, амплитуда колебаний, длина волны, внутренняя энергия, энергия электрического поля, сила электрического тока, электрическое напряжение, электрическое сопротивление, электродвижущая сила, показатель преломления, оптическая сила линзы

Теоретическая подготовка

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

При выполнении каждой практической работы необходимо придерживаться следующих правил:

1. Внимательно прочитайте инструкцию по выполнению практической работы, которая содержит:

- наименование работы;

- ключевые слова (термины, которые необходимо знать до выполнения практической работы); -цель работы;

- оборудование;

-теоретические сведения (краткое изложение основных теоретических положений, на которых базируется данная работа);

-структурно-логическая схема;

-указания к работе (описание порядка выполнения работы);

- контрольные вопросы (позволяют определить уровень освоения теоретической и практической частей работы).

Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание физической сущности процесса. Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы. Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей(см п.3)

2. Пользуясь указаниями к работе, выполните предложенные задания.

Ознакомление с приборами, сборка схем Приступая к лабораторным работам, необходимо:

получить у лаборанта приборы, требуемые для выполнения работы;

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

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

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

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

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

3. Оформите письменный отчет по выполненной практической работе.

Требования к содержанию и оформлению отчета по практической работе: -название и цель работы; -оборудование;

-ход работы (краткое описание порядка выполнения работы, результаты эксперимента, расчета, наблюдения оформляются в виде таблицы. В таблицу заносятся все экспериментальные данные и результаты расчетов. Все расчеты производятся ниже таблицы. К отчету прилагаются графики в случае необходимости графической интерпретации полученных результатов или другие материалы);

-вывод по работе, соответствующий полученным результатам (Например, можно начать следующим образом: «На основе полученных данных можно сделать следующие выводы: (и перечисляем к каким выводам в результате проделанной работе вы пришли). Оформление отчёта о проделанной работе.

1. Лабораторная работа №… 2. Тема лабораторной работы.

3. Цель работы.

4. Чертёж (рисунок).

5. Формулы искомых величин и их погрешностей.

6. Таблица с результатами измерений и вычислений.

7. График (если требуется).

8. Окончательный результат, вывод и пр. (согласно цели работы).

Критериями оценки результатов выполнения практической работы являются:

-степень реализации цели работы;

-качество оформления отчета;

-степень соответствия результатов работы заданным требованиям.

Отметка 5 – «отлично» выставляется, если студент имеет глубокие знания учебного материала по теме практической работы, показывает усвоение взаимосвязи основных понятий используемых в работе, самостоятельно выполнил все указания по выполнению практической работе, смог ответить на контрольные вопросы, даёт правильный алгоритм решения задачи.

Отметка 4 – «хорошо» выставляется, если студент показал знание учебного материала, допускает небольшие неточности при выполнении экспериментальных заданий и расчетов, смог ответить почти полно на все контрольные вопросы.

Отметка 3 – «удовлетворительно» выставляется, если студент в целом освоил материал практической работы, но затрудняется с выполнением всех заданий практической работы без помощи преподавателя, ответил не на все контрольные вопросы.

Отметка 2 – «неудовлетворительно» выставляется студенту, если он имеет существенные пробелы в знаниях основного учебного материала практической работы, не может самостоятельно выполнить задания практической работы, не раскрыл содержание контрольных вопросов.

1. К выполнению лабораторных работ необходимо приготовиться до начала занятия в лаборатории. Кроме описания работы в данном учебном пособии, используйте рекомендованную литературу и конспект лекций. К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты.

2. При проведении эксперимента результаты измерений и расчетов записывайте четко и кратко в заранее подготовленные таблицы. 3. При обработке результатов измерений:

А) помните, что точность расчетов не может превышать точности прямых измерений;

Б) результаты измерений лучше записывать в виде доверительного интервала.

4. Отчеты по лабораторным работам оформляются согласно требованиям ЕСКД и должны включать в себя следующие пункты: название лабораторной работы и ее цель; используемое оборудование;

порядок выполнения лабораторной работы;

далее пишется «Ход работы» и выполняются этапы лабораторной работы, согласно выше приведенному порядку записываются требуемые теоретические положения, результаты измерений, обработка результатов измерений, заполнение требуемых таблиц и графиков, по завершении работы делается вывод.

5. При подготовке к сдаче лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.

6. Если отчет по работе не сдан во время (до выполнения следующей работы) по неуважительной причине, оценка за лабораторную работу снижается.

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ Вход в лабораторию осуществляется только по разрешению преподавателя.

На первом занятии преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности и напоминает студентам о бережном отношении к лаборатории и о материальной ответственности каждого из них за сохранность оборудования и обстановки лаборатории.

При обнаружении повреждений оборудования персональную ответственность несут студенты, выполнявшие лабораторную работу на этом оборудовании. Виновники обязаны возместить материальный ущерб колледжу.

При ознакомлении с рабочим местом проверить наличие комплектности оборудования и соединительных проводов (в случае отсутствия, какого либо элемента, необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю).

Если во время проведения опыта замечены какие-либо неисправности оборудования, необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю.

После окончания лабораторной работы рабочее место привести в порядок.

Будьте внимательны, дисциплинированы, осторожны, точно выполняйте указания преподавателя.

Не оставляйте рабочего места без разрешения преподавателя.

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

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

Перед тем как приступать к работе, уясните ход ее выполнения.

Постоянно следите за исправностью всех креплений в приборах, предназначенных для вращения.

При выполнении опыта колебаний груза на стальном полотне или подвешенного на нити груза, следует надежно укрепить груз, чтобы он не сорвался.

Обработка результатов измерений при проведении лабораторных работ.

Памятка для студентов.

Как обрабатывать результаты измерений.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путём с помощью средств измерения.

Прямое измерение – определение значения физической величины непосредственно с помощью средств измерения.

Косвенное измерение – определение значения физической величины по формуле, связывающей её с другими физическими величинами, непосредственно измеряемыми.

Определение абсолютных и относительных погрешностей измерений физических величин.

А, В, С – физические величины.

А_пр – приближенное значение физической величины (значение, полученное путём прямых или

косвенных измерений – см. рис. 1)

Рис. 1.

ΔА – абсолютная погрешность измерения физической величины (выражается в тех же единицах, что и сама физическая величина).

Δ_иА – максимальная абсолютная инструментальная погрешность (погрешность средств

измерения – см. табл. I)

Δ0 А – абсолютная погрешность отсчёта (происходящая от недостаточно точного считывания показаний средств измерения), равная в большинстве случаев половине цены деления (при

измерении времени – цене деления часов, секундомера, метронома).

Абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютных погрешностей отсчёта и инструментальной (при отсутствии других погрешностей): ΔА= Δ0А + Δ_иА.

Абсолютная погрешность измерения обычно округляется до одной значащей цифры (ΔА= 0,17= 0,2); приближённое значение физической величины округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности (А_пр= 10,332= 10,3).

ε -относительная погрешность измерения физической величины, равная: ε =ΔА/А_пр*100%

Таблица I

Допустимые инструментальные погрешности средств измерения

№ п/п	Средство измерения	Предел измерения	Цена деления	Допустимая инструментальная погрешность
1	Линейка: ученическая
	Линейка: ученическая	до 50 см	1 мм	±1 мм
	чертёжная	до 50 см	1 мм	±0,2 мм
	инструментальная (стальная)	20 см	1 мм	±0,1 мм
	демонстрационная	100 см	1 см	±0,5 см
2	Лента измерительная	150 см	0,5 см	±0,5см
3	Мензурка	до 250 мл	2 мл	±1 мл
4	Гири 4-го класса	от 1 до 100 г		меньше 0,04 г
5	Штангенциркуль	150 мм	0,1 мм	±0,02 мм (в школе 0,05 мм)
6	Микрометр	25 мм	0,01 мм	±0,004 мм
7	Динамометр учебный	4 Н	0,1 Н	±0,05 Н
8	Весы учебные	200 г		±0,1 г
9	Секундомер	0 – 30 мин	0,2 с	±1 с за 30 мин
10	Барометр – анероид	720 – 780 мм рт. ст.	1 мм рт. ст.	± 3 мм рт. ст.
11	Термометр лабораторный	0-100 ⁰С	1⁰С	± 1⁰С
12	Амперметр школьный γ_пр=2,5	2 А	0,1 А	±0,05 А
13	Вольтметр школьный γ_пр=2,5	6 В	0,2 В	±0,15 В

Относительная погрешность косвенных измерений определяется так, как показано в таблице II.

Таблица II.

Формулы для нахождения относительной погрешности косвенных измерений

Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется по формуле: ΔА= А_пр*ε, (ε -выражается десятичной дробью).

Результат измерений записывается А= А_пр±ΔА, ε= …%

Сравнение результатов двух измерений одной и той же физической величины:

1. Записать результаты 1-го и 2-гоизмерений по форме: А1= А_{1 пр}±ΔА1, А2= А2 _пр±ΔА2.

2. Записать результаты измерений в виде двойных неравенств:

А1 пр -ΔА1<А1< А1 пр + ΔА1, А2 пр -ΔА2<А2< А2 пр +ΔА2.

3. Сравнить полученные интервалы значений:

? если интервалы не перекрываются – результаты не одинаковы, ? если перекрываются – результаты одинаковы (рис. 2).

При записи вывода об одинаковости результатов необходимо указать относительную погрешность измерений.

Для определения абсолютной инструментальной погрешности прибора надо знать его класс точности. Класс точности γ_пр измерительного прибора показывает, сколько процентов составляет абсолютная инструментальная погрешность Δ_иА от всей шкалы прибора (А_max): 100%.

Аmax Класс точности указывают на шкале прибора или в его паспорте (знак % при этом не пишется).

Существуют следующие классы точности электроизмерительных приборов: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Зная класс точности прибора γ_пр и всю его шкалу Аmax, определяют абсолютную погрешность Δ_иА

измерения физической величины А этим прибором А .

100

Лабораторная работа № 1. Исследование движения тела под действием постоянной силы.

Ключевые слова: ускорение движения, средняя скорость.

Цель работы:	определить ускорение движения шарика и его мгновенную скорость, экспериментально проверить зависимость ускорения от размеров и массы тела, угла наклона желоба.
Оборудование:	штатив с муфтой и зажимом, желоб лабораторный, секундомер, тележка, линейка с миллиметровыми делениям.
Краткие теоретические сведения:	Известно, что тележка скатывается по прямолинейному наклонному желобу равноускорено. При равномерном движении с начальной скоростью, равной нулю, пройденное расстояние определяют по формуле (1), откуда (2). Среднюю скорость можно вычислить по формуле (3). При измерении промежутка времени t от начала движения тележки (верхний стопор секундомера) до её остановки (при соприкосновении с нижним стопором с секундомера) и расстояния s, пройденного им за это время, вычисляют ускорение шарика a по формуле (2) и среднюю скорость v по формуле (3). Промежуток времени t измеряют с помощью секундомера с датчиками (стопорами), которые устанавливают на какое-то расстояние (проходимое тележкой). Начальное положение тележки будет верхнее положение датчика секундомера, конечное положение – нижний датчик секундомера.
Структурнологическая схема
Указания к работе: *Задание 1.* 1. Соберите установку по рисунку. 2. Закрепите желоб в штативе на высоте h=10 см 3. Измерьте время t, за которое тележка пройдет расстояние s =10 см. 4. Измерьте время 5 пробегов шарика, изменяя положение стопора, и найдите среднее значение времени t_ср. 5. Вычислите среднюю скорость шарика и его ускорение. Результаты занесите в таблицу:

№ Высота Перемещение, Время Среднее Средняя Ускорение, опыта желоба, s, м пробега, значение скорость, a, м/с²

h, м t, с времени, v, м/с

t_ср, с

Задание 2.

1. Закрепите желоб в штативе на высоте h=10см.

2. Установите стопор на расстоянии s=90 см. Запустите шарик и измерьте время его движения t.

3. Повторите опыты с другими шариками, не меняя наклона желоба и положения стопора.

4. Вычислить ускорение шарика по формуле равноускоренного движения.

5. Результаты занесите в таблицу.

№ Высота Перемещение Время пробега, t, с Ускорение, a, м/с² опыта желоба, h, м шарика, s, м

Задание 3.

Сравните полученные в ходе эксперимента значения ускорения и запишите вывод.

Задание 4. Проверь себя. Ответьте на вопросы:

1. Как связаны действующая на сила (если она единственная и других сил нет), масса тела и сообщаемое этой силой ускорение? Что означает, что величина, действующая не тело силы рана 1 Н?

2. Тело массой 1 кг начинает двигаться из состояния покоя под действием силы 5 Н. Каков характер движения этого тела? Напишите зависимость скорости тела от времени. Каково перемещение тела за 3 с после начала движения?

3. Тело массой 1 кг привязано к динамометру, коэффициент жёсткости пружины которого равен 2Н/м. При этом пружина растянута относительно первоначального положения (в котором она была деформирована) на 2 см. Каково ускорение тела, если трение о поверхность пренебрежимо мало?

4. Можно ли однозначно утверждать, какой будет траектория движения тела, если задана действующая на него сила? Какие ещё данные необходимо иметь, чтобы узнать траекторию его движения. Для примера вспомните, как движется тело под действием силы тяжести, если: а) его начальная скорость направлена вертикально; б) начальная скорость направлена под углом к силе тяжести (движение ела, брошенного под углом к горизонту); в) начальная скорость перпендикулярна силе тяжести (движение тела, брошенного горизонтально с некоторой высоты)

Лабораторная работа № 2. Изучение особенностей силы трения (скольжения).

Ключевые слова: сила, сила трения, сила трения покоя, сила трения скольжения. сила трения качения, сила нормального давления, сила реакции опоры, коэффициент трения.

Цель работы:	установить зависимость силы трения скольжения от величины силы нормального давления, измерить коэффициент трения скольжения дерева по дереву.
Оборудование:	динамометр лабораторный, набор грузов по механике, измерительная лента.

Краткие теоретические сведения:

Сила трения скольжения — сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении.

F = N, где N = P = mg. N- сила реакции опоры [Н]; P- вес тела [Н]

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

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

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

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

Сила нормального давления F в данном случае равна весу

бруска вместе с грузом и определяется взвешиванием(рис. 2). Тогда по результатам измерений Fтр и Fможно вычислить коэффициент трения скольжения:

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

Структурнологическая схема

Указания к работе:

1. Определите динамометром вес бруска.

2. Положите брусок широкой гранью на стол, нагрузите брусок сначала одним грузиком, добиваясь равномерного скольжения бруска по столу, затем двумя и тремя; каждый раз определяйте силу трения. Записывайте каждый раз в таблицу значения силы трения F_mр и силы нормального давления N = Р_бр + Р_гр.

3. Рассчитайте для каждого случая значение коэффициента трения (формулу для расчета получите самостоятельно). Полученные данные запишите в таблицу (оформление письменного отчета).

Номер опыта	Р, Н	F_тр, Н
1
2
3

4. По данным измерений постройте график зависимости силы трения от силы нормального давления (силы реакции опоры). Выберите удобный масштаб и нанесите полученные три экспериментальные точки.

5. Оцените (качественно), подтверждается ли на опыте, что сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления: находятся ли все экспериментальные точки вблизи одной прямой, проходящей через начало координат.

6. Запишите сделанный вами вывод.

Контрольные вопросы:

1. Как зависит сила трения от силы нормального давления?

2. Почему при определении трения скольжения необходимо, чтобы брусок двигался равномерно?

3. От чего зависит величина коэффициента трения скольжения?

Лабораторная работа № 3. Изучение закона сохранения импульса. Ключевые слова: импульс, взаимодействие тел, суммарный импульс.

Цель работы:

определить импульс тела, проанализировать результат взаимодействия тел, сравнить

импульс системы из двух тел до столкновения тел с импульсом этой системы после столкновения тел.

Оборудование:

1) наклонная плоскость; 2) полоска бумаги; 3) линейка измерительная; 4) монеты номиналом 5 руб. и 2 руб.

Краткие теоретические сведения:

В специальных измерениях импульса тела нет необходимости, если известны его масса и скорость его движения. В этом случае импульс есть произведение массы на скорость. Однако в физике довольно часто встречаются случаи, когда прямые измерения массы и скорости тела оказываются затруднительными или невозможными, но сведения о них можно получить на основании измерений импульса тела. Такая ситуация характерна для многих экспериментов в области ядерной физики и физики элементарных частиц (например, когда обнаруживаются новые частицы с неизвестной массой). Измерив импульс и кинетическую энергию частицы, можно определить затем ее массу и скорость.

Измерение импульса тела с неизвестной массой, движущегося с неизвестной скоростью, возможно на основании закона сохранения импульса.

В данной работе исследуется суммарный импульс системы из двух монет до и после их соударения. При этом сравниваются векторы импульсов до и после удара. Для этой цели одна из монет, скатываясь с наклонной плоскости, сталкивается с неподвижной монетой. Так как массы монет известны, то для определения их импульсов нужно определить их скорости, которые вычисляются по длине тормозного пути и измеренному коэффициенту трения монеты о бумагу.

Предоставим монете возможность после соскальзывания с наклонной плоскости двигаться по бумаге на горизонтальной поверхности стола до остановки. Измерим тормозной путь, пройденный монетой по горизонтальной поверхности, от точки А — положения центра монеты в начале пути — до точки остановки В (рис. 1). Скорость монеты в точке А равна

Коэффициент трения можно найти, определив угол трения, т. е. минимальный угол, при котором монета скользит равномерно по наклонной плоскости (рис. 2):

На основании этих данных можно найти модуль импульса монеты р до столкновения.

Так как вторая монета до столкновения находится в покое, импульс первой монеты до столкновения равен импульсу системы из двух монет после столкновения:

Структурнологическая схема

Рис. 1 Рис.2

Рис.3

Указания к работе:

1. Положите на наклонную плоскость полосу бумаги таким образом, чтобы ее часть (длиной 25 — 30 см) находилась на горизонтальной поверхности стола.

Монета должна плавно соскальзывать с наклонной плоскости по бумаге и двигаться по горизонтальной поверхности до остановки. Подберите такие угол наклона плоскости и начальное положение запуска монеты, чтобы путь первой монеты на горизонтальной поверхности составлял 15 — 25 см.

2. Отметьте начальное положение монеты на наклонной плоскости и ее конечное положение на горизонтальной плоскости. Проведите на горизонтально расположенном участке бумажной полосы прямую линию, по которой двигался центр диска монеты. Отметьте положение центра монеты в начале горизонтального участка пути (точка А) и в конце (точка В). Измерьте тормозной путь s = АВ (отрезок АВ) (рис. 3).

3. Поставьте на пути движения первой монеты номиналом 5 руб. вторую монету номиналом 2 руб. таким образом, чтобы столкновение произошло в тот момент, когда центр первой монеты проходит через точку А. Удар должен быть нецентральным, т.е. центр второй монеты должен быть расположен на некотором расстоянии от прямой АВ, по которой движется центр первой монеты. Отметьте начальное положение

центра диска второй монеты (точка С на рис. 3). Запустите первую монету с того же места на наклонной плоскости, как и в первом опыте. Отметьте конечное положение центров первой (точка Е) и второй (точка D) монет (см. рис. 3). Соедините точки А и Е отрезком АЕ, точки С и D отрезком CD. Измерьте расстояния s₁ и s₂.

4. Положите монету на наклонную плоскость с бумажной полосой и постепенно увеличивайте угол наклона до тех пор, пока монета не начнет скользить по бумаге. Измерьте длины катетов h и l, вычислите тангенс угла предельного наклона (), равный коэффициенту трения:

5. Вычислите скорости монет v, v₁ и v₂ и модули р, р₁ и р₂ их импульсов по известным значениям масс т₁ = 6,41 г и т₂ = = 5,08 г монет, тормозных путей s, s_1; s₂ и коэффициента трения μ.

6. Отложите на прямых, проходящих через точки А и Б, А и Е, С и D, отрезки, пропорциональные модулям

импульсов монет. Постройте векторы , (рис 4). Проверьте, выполняется ли условие

, перенеся начало вектора в точку А. Найдите разность векторов

. Измерьте длину вектора и по известному масштабу построения векторов импульса

определите значение модуля вектора (индекс «э» - значение, полученное экспериментально)

8. Определите границу погрешностей импульсов системы из двух монет до и после столкновения. Проверьте, лежит ли обнаруженное различие импульсов в пределах границ погрешностей измерений. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу. (Δр_т — теоретическое значение).

Таблица. Результаты измерений и вычислений

s, м

s₁.

s₂,

см

p, кг *м/с

p₁ кг • м/с

p₂, кг • м/с

p^’,

кг * м/с

Δpэ, кг *м/с

Δp_т кг • м/с

Указание. При оценке границ погрешностей измерений в данном эксперименте необходимо обратить внимание на тот факт, что при повторном запуске монеты из одного и того же места на наклонной плоскости пройденный путь по горизонтальной поверхности может заметно отличаться от первого результата. Различие результатов повторных опытов свидетельствует о существенном влиянии случайных факторов на результаты эксперимента (например, действие пальцев экспериментатора при запуске монеты, неровность поверхности бумаги и др.). Граница абсолютной систематической погрешности измерений пройденного пути имеет в данном эксперименте значение около 1 мм. Это значительно меньше наблюдаемых случайных отклонений, поэтому систематическими погрешностями измерений в данном случае можно пренебречь.

Для оценки границ случайных погрешностей следует выполнить серию из 10 измерений тормозного пути при одинаковых условиях запуска монеты, найти среднее арифметическое значение тормозного пути s_cp и среднюю квадратическую погрешность.

Границы абсолютных погрешностей измерений пути s₁ и s₂ можно считать приблизительно равными границе абсолютной погрешности измерений первого тормозного пути: Δs_x = Δs₂ = Δs.

Считая, что погрешности измерения массы и коэффициента трения пренебрежимо малы по сравнению со случайными погрешностями измерений пройденного пути, определите границу относительной погрешности измерения импульса. Контрольные вопросы:

Дайте определение импульса тела. В каких единицах он измеряется?

1. Приведите формулировку второго закона Ньютона с использованием понятия «импульс». Что можно сказать об импульсе материальной точки, если векторная сумма действующих на нее сил равна нулю?

2. Что такое импульс системы тел? Система состоит из двух шаров, движущихся навстречу друг другу со скоростями 1 и 2 м/с. Массы шаров равны 2 и 1 кг соответственно. Чему равен импульс такой системы?

3. Что можно сказать об импульсе системы, обсуждавшийся в предыдущем вопросе, если векторная сумма внешних сил, действующих на систему, равна нулю? Как называют такие системы?

Лабораторная работа №4. Сравнение работы силы с изменением кинетической энергии тела.

Ключевые слова: механическая работа, энергия, кинетическая энергия

Цель работы:

сравнить значение работы равнодействующей всех сил, действующих на тело, с изменением его кинетической энергии

Оборудование:

Из набора «Механика»: рейка, каретка, секундомер с датчиками, динамометр

Краткие теоретические сведения:

Теорема о кинетической энергии утверждает, что работа силы, приложенной к телу, равна изменению кинетической энергии тела: (1).

Для экспериментальной проверки этого утверждения можно воспользоваться установкой, изображенной на рисунке 1. Объектом наблюдения в работе является каретка, которая скользит на наклонной рейке.

Значение работы равнодействующей силы определяется следующим образом . На каретку действуют три силы: сила тяжести , сила трения и сила реакции опоры

. Если силы спроецировать на ось Х (рис 3)

Направленную вдоль поверхности наклонённой рейки, то проекция силы тяжести будет равна , проекция силы трения - , проекция силы реакциии опоры на эту ось равна нулю. Следовательно, каретка скользит по поверхности рейки под действием двух сил: составляющей силы тяжести и силы трения

.Равнодествующая этих сил равна . Работа

равнодействующей силы определяется произведением

(2), где s – перемещение, совершённое кареткой вдоль рейки. Каретка по действием постоянной силы движется равноускоренно: скорость всё время увеличивается, а следовательно, увеличивается и кинетическая энергия. Изменение кинетической энергии каретки .

Если каретка в начальный момент покоилась, то , и, следовательно, (3).

Таким образом, чтобы определить изменение кинетической энергии каретки, достаточно знать её массу и скорость в конце пути. При равноускоренном движении скорость меняется по закону . При движении из состояния покоя (4). Перемещение тела при равноускоренном движении из состояния покоя зависит от времени по закону (5).Если из равентства (5) выразить ускорение и подставить в (4) получим после сокращения .

Изменение кинеттической энергии каретки можно вычислить по формуле

(6)

В соответствии с теоремой об изменении кинетической энергии должно выполняться равенство (1) или с учётом (2) и (6): (7). Равенство можно упростить, сократив его левую и правую части на m и s:

(8).

Чтобы не прибегать к вычислению тригонометрических функций, удоьно использовать их связь с геиметрическими размерами установки

, где L –дллтна каретки, H- высота верхнего края рейки над столом,

l – длиннна проекции рейуи на поверхности стола. Тогда (9)

Справеливость полученного равенства прверяется экперименально

Структурнологическая схема

Рис 3

Указания к работе:

1. Измерьте динамометром силу тяжести, действующую на каретку. Полученный результат запишите в тетрадь.

2. На конец горизонтально расположенной рейки положите каретку и прицепите у ней динамометр,как показано на рис 2. Потяните за динамометр так, чтобы каретка чтобы стала равномерно скользить по рейке, измерьте силу тренира.

таблицу:

μ	l, мм	L, мм	H, мм	S, мм	t, с	, м/с²	, м/с²

4. Закрепите с помощью штатива рейку в наклонном положении (рис 1). . Высота верхнего конца рейки над столом должна быть в пределах 20-25 см.

5. Измерьте линейкой длину рейки L, высоту её вехнего конца H и длину l проекции рейки на поверхность стола.

6. Поместите на верхнем конце рейки каретку и, удерхивая её неподвижно, прикрептье к рейук датчик секундомера. Скорректируйте положение датчика так, чтобы он запускал секундомер, как только каретка сдвинется с места. Прикрепите вблизи нижнего конца рейки второй датчик секундомера. Измерьте по шеале рейки растояние между датчиками s.

7. Проведите 5 раз пуск каретки от верхнего конца рейуи, регистрируя каждый раз время её движения

между датчиками. Результаты занесите в таблицу:

№ измерения
Время, с

8. Вычислите среднее время каретки и запишите в тетрадь

9. Вычислите левую часть равенства (9). Запишите полученный результат в тетрадь.

10. Вычислите абсолютную погрешность этого выражения . Полученный результат запишите в тетрадь.

11. Вычислите правую часть равенства (9), используя среднее аремя движения каретки. Запишите полученный результат в тетрадь.

12. Вычислите абсолютную погрешность этого выражения . Полученный результат запишите в тетрадь.

13. Сравните значения лево и правой частей равенства (9) и сделайте вывод. Контрольные вопросы:

1. Как зивисит точность полученных результатов о угла наклона рейки?

2. Какие величины, входящие в равенство (9), изменятся при увеличеснии массы каретки?

3. Зависит ли точность результатов о массы каретки, и если да, то как?

Лабораторная работа № 5. Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости.

Ключевые слова: сила, сила тяжести, сила упругости, механическая энергия.

Цель работы:	исследовать явление превращения потенциальной энергии упругой деформации пружины в кинетическую энергию поступательного движения тела. Измерить максимальную скорость тела, колеблющегося на пружине
Оборудование:	штатив, динамометр, два груза массой по 100 г, измерительная линейка, кусочек мягкой ткани (войлок)
Краткие теоретические сведения:	Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1. В лапку штатива через кусочек мягкой ткани закрепляют вертикально динамометр. При подвешивании к динамометру груза растяжение пружины динамометра определяется положением указателя. При этом максимальное удлинение (статическое смещение) пружины x₀ возникает, когда сила упругости пружины жесткостью k уравновешивает силу тяжести груза массой m: (1), где g=9,81 м/с² – ускорение свободного падения. Следовательно, По закону сохранения и превращения механической энергии при любых взаимодействиях тел силами всемирного тяготения и упругости механическая энергия системы тел не изменяется. Поэтому если скорость некоторого тела изменяется под действием пружины, то изменение кинетической энергии тела ∆Е_kдолжно быть равно изменению потенциальной энергии пружины с противоположным знаком: ∆Е_k = - ∆Е_р , ∆Е_k + ∆Е_р =0 Если пружина жесткостью k имеет амплитуду А, то ее потенциальная энергия упругой деформации равна: Е_р = . Если потенциальная энергия полностью расходуется при взаимодействии пружины жесткостью k и тела массой m , то это тело из состояния покоя должно приобрести такую максимальную скорость _max, при которой выполняется равенство . Тогда модуль максимальной скорости грузов . Жесткость пружины можно найти, измерив, статическое смещение x₀. Как следует из формулы (1), . Следовательно, (2).
Структурнологическая схема	Рис. 1
*Указания к работе: 1. Соберите экспериментальную установку (рис 1) 2. Измерьте линейкой миллиметровыми делениями статическое смещение пружины (новое положение равновесия нижнего конца пружины динамометра) при подвешивании груза x₀. 3. Примите абсолютную погрешность Δx₀ измерения статического смещения груза (правило нахождения см на стр.7-9) равной цене деления линейки (в см) 4. Оттяните груз на расстояние А (5-7 см) от нового положения равновесия и отпустите его. Измерьте амплитуду А колебаний. 5. Примите абсолютную погрешность ΔА измерения амплитуды колебаний груза равной цене деления шкалы линейки (в см) 6. Рассчитайте модуль максимальной скорости колеблющегося груза по формуле (2) 7. Вычислите относительную погрешность измерения максимальной скорости груза: . 8. Рассчитайте абсолютную погрешность измерений максимальной скорости груза 9. Запишите окончательный результат измерения максимальной скорости груза в виде . 10. Укажите, какие превращения энергии происходили при движении груза вниз Контрольные вопросы:* 1. Каким выражением определяется потенциальная энергия деформированной пружины? 2. Каким выражением определяется кинетическая энергия тела? 3. При каких условиях выполняется закон сохранения механической энергии?

Лабораторная работа № 6. Изучение законов сохранения на примере удара шаров и баллистического маятника.

Ключевые слова: механическая работа, энергия, кинетическая энергия

Цель работы:

проверить, как выполняются законы сохранения импульса и энергии в процессе упругого и неупругого удара шаров.

Оборудование:

1) два шара, подвешенные на нитях; 2) пластилин; 3) линейка для измерения длины нити и транспортир для измерения угла ее отклонения от вертикали.

Краткие теоретические сведения:

В механике под ударом следует понимать кратковременное воздействие двух или более тел, возникающее в результате их соприкосновения (например, столкновение шаров, удар молота о наковальню, попадание пули в мишень и т.д.). Если в результате удара механическая энергия не переходит в другие формы энергии, то удар называют абсолютно упругим. При ударе в течение кратковременного соприкосновения двух шаров происходит их деформация. Кинетическая энергия ударяющегося тела переходит в энергию упругой деформации. При этом возникают упругие силы, возрастающие с увеличением деформации. В момент наибольшего сжатия шаров упругие силы максимальны. Потенциальная энергия деформации переходит в кинетическую энергию движения, пока шары не разойдутся. Абсолютно упругому удару соответствует полное восстановление формы соударяющихся тел.

Идеально упругих ударов в природе не существует, так как всегда часть энергии затрачивается на необратимую деформацию тел и увеличение их внутренней энергии. Однако для некоторых тел, например стальных шаров, потерями механической энергии

можно пренебречь.

Рассмотрим систему, состоящую из двух шаров, подвешенных на практически нерастяжимых нитях (рис.1). Массы шаров одинаковы (т₁ = т₂). Отведем шар 2 на угол а от положения равновесия и отпустим его. Возвращаясь в положение равновесия и обладая в момент, предшествующий удару, скоростью v₂, он передает импульс шару 1. Согласно закону сохранения импульса имеем

(1), где v'₂ и v'₁- скорости шаров после удара.

Используя закон сохранения энергии, получим

(2)

Но так как т₂ = т₁ уравнения (1) и (21) перепишутся в виде

, (3)

откуда очевидно, что

Поскольку под действием удара шар 1 начал двигаться, то ; тогда v'₂=0, т.е. при равенстве масс двух соударяющихся шаров, один из которых неподвижен, движущийся шар полностью передает импульс неподвижному и останавливается. Из уравнения (3) следует, что . Это значит, что шары обмениваются скоростями.

Часть I. Абсолютно упругий удар

Шар, отведенный от положения равновесия на угол α (см. рис.1), обладает запасом потенциальной энергии Е_п = m₂gh. Эта энергия в момент соприкосновения полностью переходит в кинетическую. mgh = (4), откуда

Из рис 2 следует АВ² = АС ∙АD, ; h . Тогда скорости шаров:

; ; v

Часть II. Неупругий удар. Баллистический маятник

Баллистический маятник представляет собой массивный цилиндр массой М, подвешенный на практически нерастяжимой нити (рис. 2). На некотором расстоянии от цилиндра по оси укреплен пневматический пистолет. При выстреле скорость пули направлена по прямой, проходящей через центр тяжести маятника и перпендикулярно его оси вращения. Пуля массой т пробивает картонное основание цилиндра и застревает в слое пластилина, благодаря чему удар можно считать неупругим.

На основании закона сохранения импульса получим , где и - скорость системы после удара. При отклонении маятника на угол α его кинетическая энергия переходит в потенциальную. На основании закона сохранения энергии запишем

маятника. Тогда для скорости пули получим

Структурнологическая схема

Рис 1

Рис. 2

Указания к работе:

Часть I. Абсолютно упругий удар

1. Отклоните один из подвешенных грузов на 5-7см (s₀) в сторону и отпустите его, произведя прямой удар по другому грузу. Заметьте максимальные отклонения грузов после удара s₁ и s₂.

2. Определите скорости грузов до и после удара по формуле (6).

3. Высоту подъема груза определите по максимальному отклонению s от положения равновесия (см.

рис.2), формула(5)

4. Вычислите импульсы грузов до и после взаимодействия.

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

m₁, кг

m₂, кг

h, м

t, с

l, м

υ ₀₁, м/с

υ₁ , м/с

υ₂ , м/с

p₀₁, кг·м/с

p₁, кг·м/с

p₂, кг·м/с

6. Проверьте выполнения закона сохранения импульса при абсолютно упругом ударе Часть II. Изучение неупругого столкновения шаров.

1. Возьмите два одинаковых пластилиновых шарика. С помощью весов найдите их массы и запишите в тетрадь.

2. Поместите на подвесы пластилиновые шары (m₁=m₂)..

3. Отклоните первый шар (m₁) на угол α₁. Второй шар (m₂) находится в положении равновесия. Значение α₁. запишите в таблицу.

4. Определите скорость первого шара до удара по формуле (8). Результат запишите в тетрадь.

5. Отпустите шары. Определите значения угла после удара (за угол отклонения берется угол, на который отклоняется центр масс системы двух шаров).

6. Определите скорость шаров после удара по формуле (8). Результат запишите в тетрадь.

7. Проверьте выполнение закона сохранения импульса при неупругом ударе .

8. По полученному сравнению сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение абсолютно упругого и абсолютно неупругого удара. Приведите реальные примеры двух видов ударов из окружающей жизни.

2. Шар массой 1 кг движется по гладкому горизонтальному столу со скоростью 2 м/с и налетает на покоящийся шар такой же массы. Удар абсолютно упругий и центральный. Каковы будут скорости шаров после удара? Используйте для ответа закон сохранения импульса системы и закон сохранения полной механической энергии.

3. Снежки массами 50 г каждый сталкиваются в воздухе абсолютно неупругого. Какой будет скорость образовавшегося большого снежка, если до соударения снежки имели одинаковые скорости - 5 м/с? Какое количество теплоты выделится при таком ударе?

4. Как найти количество теплоты, выделившееся при неупругом ударе пластилинового шара, попадающего в маятник, рассмотренной в части II лабораторной работы?

Лабораторная работа № 7. Измерение влажности воздуха.

Ключевые слова: относительная влажность, парциальное давление, температура, гигрометр Ламберта, психрометр.

Цель работы:

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

Оборудование:

термометр лабораторный; стакан химический; сосуд с водой комнатной температуры; сосуд с кусочками льда; кусочек ткани; нить; резервуар с обезжиривающей жидкостью

Краткие теоретические сведения:

Чтобы определить относительную влажность воздуха г, необходимо измерить при одной и той же температуре парциальное давление водяного пара р и давление насыщенного пара р_н: (1)

Давление насыщенного водяного пара при различных температурах известно. Эти данные получены в результате специально проведенных экспериментов и сведены в табл. 1.

Для измерения парциального давления воздуха его приводят в контакт с поверхностью тела, температуру которого можно понижать. Слой водяного пара, находящийся вблизи поверхности тела, благодаря теплообмену, также станет охлаждаться, но его давление при этом будет оставаться равным парциальному давлению всего пара. Зная температуру предмета в момент начала конденсации охлаждаемого слоя пара и считая, что температуры тела и слоя пара, прилегающего к его поверхности, одинаковы, по табл. 1 находят давление насыщенного пара при температуре конденсации, а значит, и парциальное давление всего пара.

Таблица 1. Давление (р_н) насыщенного водяного пара и его плотность (ρ_н) при различных температурах

t, ⁰С	р_н. кПа	ρ_н г/м³
-5	0,40	3,2
0	0,61	4,8
1	0,65	5,2
2	0,71	5,6
3	0,76	6,0
4	0,81	6,4
5	0,88	6,8
6	0,93	7,3
7	1,00	7,8
8	1,06	8,3
9	1,14	8,8
10	1,23	9,4
11	1,33	10,0
12	1,40	10,7
13	1,49	11,4
14	1,60	12,1
15	1,71	12,8
16	1,81	13,6
17	1,93	14,5
18	2,07	15,4
19	2,20	16,3
20	2,33	17,3
25	3,17	23,0
50	12,3	83,0

Одним из приборов, с помощью которого определяют относительную влажность описанным выше способом, является гигрометр Ламберта.

Процесс определения относительной влажности с помощью гигрометра Ламберта состоит из трех этапов: 1) измеряют температуру воздуха в помещении и по табл. 1

находят давление насыщенного пара р_н; 2) приводят в действие гигрометр, определяют точку росы и вновь по табл. 1 находят давление насыщенного пара р_н.т._р, соответствующее этой температуре, равное парциальному давлению пара: р = р_н.т._р; 3) по формуле (1) вычисляют относительную влажность воздуха r.

Относительную влажность воздуха определяют с помощью экспериментальных моделей гигрометра Ламберта и психрометра.

Модель гигрометра Ламберта состоит из химического стакана с чистой внешней стенкой, наполовину заполненного водой комнатной температуры, сосуда с кусочками льда и термометра. Стакан размещают перед собой так, чтобы на его стенке был виден блик от источника света (окна или лампы освещения). Термометр погружают в воду, а затем в нее добавляют кусочки льда и наблюдают за бликом на стенке стакана и показаниями термометра. Из-за теплообмена со льдом вода в стакане охлаждается, и, как только ее температура достигнет точки росы, на внешней стенке образуется конденсат пара, при появлении которого блик на стенке стакана потускнеет. В момент начала конденсации снимают показание термометра. При проведении опыта в помещении не должно быть сквозняков. Кроме того, не следует дышать в ту сторону, где находится стакан (Почему?). Кусочки льда заготавливают заблаговременно (например, в домашнем холодильнике) и на занятие приносят в термосе.

Экспериментальную модель психрометра собирают из термометра, кусочка тонкой ткани, нитки и стакана с водой комнатной температуры. Вначале термометром измеряют температуру воздуха в помещении. Затем резервуар со спиртом термометра оборачивают в два-три слоя тканью, которую закрепляют ниткой, после чего ткань смачивают водой и наблюдают за изменениями показаний термометра. В момент, когда столбик спирта перестанет опускаться, записывают показание термометра. По результатам двух измерений температуры, используя психрометрическую таблицу (табл. 2), определяют относительную влажность воздуха.

Рассмотрите табл. 1 и отметьте, с каким интервалом приведены значения температуры пара, в каких единицах указаны значения давления насыщенного пара. Рассмотрите табл. 2 и определите, с какими интервалами приведены в ней возможные значения температуры воздуха и значения разности температур сухого и влажного термометров, каково предельное значение этой разности и каковы значения максимальной и минимальной относительной влажности воздуха, которые можно определить с помощью модели психрометра.

Таблица 2. Психрометрическая таблица

t – t₁ (разность показаний сухого и влажного

t (показания термометров)

сухого 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 термометра), С r, %

Относительная влажность

0 100 81 63 45 28 11

1 100 83 65 48 32 16

2 100 84 68 51 35 20

3 100 84 69 54 39 24 10

4 100 85 70 56 42 28 14 5 100 86 72 58 45 32 19 6

6 100 86 73 60 47 35 23 10

7 100 87 74 61 49 37 26 14 8 100 87 75 63 51 40 29 18 7

9 100 88 76 64 53 42 31 21 11

10 100 88 76 65 54 44 34 24 14 5

11 100 88 77 66 56 46 36 26 17 8

12 100 89 78 68 57 48 38 29 20 11

13 100 89 79 69 59 49 40 31 23 14 6

14 100 89 79 70 60 51 42 34 25 17 9

15 100 90 80 71 61 52 44 36 27 20 12 5

16 100 90 81 71 62 54 46 37 30 22 15 8

17 100 90 81 72 64 55 47 39 32 24 17 10

Структурнологическая схема

Рис. 1

Указания к работе:

Задание 1. Измерьте относительную влажность воздуха с помощью гигрометра Ламберта.

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте табл. 3 для записи результатов измерений и вычислений.

2. Измерьте температуру воздуха t в помещении.

3. Определите по табл. 1 давление насыщенного пара р_н, соответствующее этой температуре.

4. Поставьте перед собой стакан, наполовину заполненный водой комнатной температуры, так, чтобы на его стенке был хорошо заметен блик света. Поместите в стакан термометр и несколько кусочков льда.

5. Наблюдайте за бликом на поверхности стакана и отметьте момент появления конденсата. Измерьте в этот момент температуру воды t_т.р в стакане.

Таблица 3. Результаты измерений и вычислений

№ п/п	t, ⁰С	Р_н, кПа	t т.р0 С	р, кПа	r, %	r_ср, %

6. Определите по табл. 1 давление насыщенного пара, которое соответствует этой температуре, p_{н
т.р} 7. Учитывая, что давление паров воды р в воздухе в момент проведения опыта равно давлению насыщенного пара при его конденсации на стенке стакана p_{н
т.р}, занесите в таблицу это значение.

8. Вычислите относительную влажность r воздуха.

9. Повторите опыт три-четыре раза и определите среднее значение относительной влажности воздуха r_ср. Задание 2. Измерьте относительную влажность воздуха с помощью модели психрометра. Порядок выполнения работы

1. Подготовьте табл. 4 для записи результатов измерений и вычислений.

Таблица 4. Результаты измерений и вычислений

2. Измерьте температуру воздуха

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

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

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

6. Занесите в табл. 4 значения температуры, которые показывал термометр до и после того, как его резервуар увлажнили. Вычислите их разность Δt и с помощью психрометрической табл. 2 определите относительную влажность r воздуха в помещении.

7. Повторите опыт три-четыре раза и определите среднее значение искомой величины r_ср.

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

Контрольные вопросы

1. Почему, испаряясь, жидкость понижает свою температуру?

2. Почему у термометра, у которого шарик обёрнут мокрой марлей, температура понижается до определённого значения?

3. Могут ли в ходе опытов температуры сухого и влажного термометров оказаться одинаковыми?

4. Может ли температура влажного термометра оказаться выше температуры сухого?

5. Каким может быть предельное значение относительной влажности воздуха?

Лабораторная работа № 8. Измерение поверхностного натяжения жидкости. Ключевые слова: смачивающая жидкость, капилляр, поверхностное натяжение.

Цель работы:

пронаблюдать подъем уровня воды в капилляре и по высоте подъема вычислить коэффициент поверхностного натяжения воды.

капиллярная трубка; штангенциркуль; стальная или пластмассовая линейка с миллиметровыми делениями; прозрачный стакан с дистиллированной водой.

Оборудование:

Краткие теоретические сведения

На молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости действуют силы натяжения других молекул, направленные внутрь жидкости. Для выхода молекулы из внутренних слоёв в поверхностный слой необходимо совершение работы против действия молекулярных сил натяжения. В результате молекулы в поверхностном слое жидкости обладают избытком энергии. Эта энергия называется свободной поверхностной энергией жидкости.

Свободная поверхностная энергия в состоянии равновесия жидкости стремится к минимуму, жидкость как бы стягивается упругой поверхностной плёнкой, стремясь к уменьшению своей площади. Если силы притяжения жидкостей между собой меньше сил притяжения молекул жидкости к поверхности твёрдого тела, то жидкость смачивает поверхность твёрдого тела. Если же силы взаимодействия молекул жидкости и молекул твёрдого тела меньше сил взаимодействия между молекулами жидкости, то жидкость не смачивает поверхность твёрдого тела.

Особенности взаимодействия жидкостей со смачиваемыми и несмачиваемыми поверхностями твёрдых тел являются причиной капиллярных явлений.

Капилляр – трубка с малым внутренним диаметром.

Высота подъема h смачивающей жидкости в капилляре определяется поверхностным натяжением σ, плотностью жидкости ρ и радиусом капилляра r: (1), где g — ускорение свободного падения; d — диаметр капилляра.

Из этого выражения следует, что для определения поверхностного натяжения смачивающей жидкости необходимо измерить высоту подъема жидкости известной плотности в капилляре известного радиуса.

Для измерения диаметра капилляра можно воспользоваться металлической иглой. Вдвинув иглу 1 в капилляр 2 до упора, можно пометить краской границу соприкосновения иглы с капилляром (рис.1). Диаметр иглы на уровне этой границы принимают за диаметр капилляра и измеряют его штангенциркулем (микрометром).

Подъем дистиллированной воды в капилляре можно пронаблюдать, опустив капилляр в воду (рис. 2). Капиллярная трубка должна быть предварительно обезжирена и промыта дистиллированной водой.

Структурнологическая схема

Рис. 1. Измерение внутреннего Рис. 2. Демонстрация явления диаметра капилляра

капиллярного подъема

Указания к работе:

1. Измерьте радиус капилляра с помощью иглы и штангенциркуля (или микрометра).

2. Опустите конец капиллярной трубки в воду и измерьте высоту подъема воды.

3. Вычислите поверхностное натяжение воды. Результаты измерений и вычислений занесите в табл.

Таблица1. Результаты измерений и вычислений (в СГС)

h, см	ρ, г/см³	D, см	σ, дин/см	ε0	Δσ, дин/см

4. Оцените границу погрешностей измерений, приняв Δh = = 0,5 мм и Δr = 0,1 мм.

Контрольные вопросы

1. Как записывается условие равновесия, которое позволяет найти высоту капиллярного подъема жидкости? Какие два давления оказываются при этом равными друг другу?

2. Во сколько раз будут отличаться друг от друга высоты капиллярного подъема жидкостей в трубках одинакового радиуса, плотности которых различаются в 1,5 раза?

3. Во сколько раз будут отличаться высоты капиллярного подъема двух одинаковых жидкостей в капиллярных трубках, радиусы которых различаются в два раза?

Лабораторная работа № 9. Наблюдение процесса кристаллизации.

Ключевые слова: кристаллы, кристаллическая решётка, растворимость вещества.

Цель работы:	научиться выращивать кристаллы соли и других веществ в домашних условиях .
	вода, кастрюли, карандаш, нить, сахар (соль), стакан.
Оборудование:	вода, кастрюли, карандаш, нить, сахар (соль), стакан.
Краткие теоретические сведения	*Кристаллы* (от греч. krystallos, первонач. - лед), твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Кристаллические тела - разновидность минералов, их семейства, группы, строение. Происхождение минералов в природе в процессе образования земной коры. Природные и искусственные драгоценные камни. Способы выращивания кристаллов из пересыщенного раствора. Кристаллы - очень красивое, завораживающее явление природы - я думаю, многие с этим согласятся. В природе встречаются прекрасные самоцветы или же недрагоценные камни, обладающие правильной формой. Люди научились выращивать искусственные самоцветы. Для этого требуется мощное оборудование. Но некоторые кристаллы можно вырастить прямо дома, без всякого оборудования. Это будут, конечно, не искусственные алмазы и рубины, но кристаллы соли или медного купороса тоже весьма прекрасны. Образование кристалла. Растворимость вещества. Образование кристалла - это постепенное "налипание" молекул вещества на мелкий кристалл или на что-то другое - затравку. Так во время такого налипания кристалл растёт. Как известно, в воде растворяется определённое количество вещества. Если, скажем, в воде растворять соль - то, добавляя постепенно всё больше и больше соли, вы увидите, что она больше ни в какую не растворяется. Такой раствор (в котором вещества растворено до предела) называется концентрированным. Чтобы вырастить кристалл, нужен концентрированный раствор, а затем нужно постепенно убирать максимум вещества, который может быть растворен в воде. Тогда лишнему веществу будет некуда деваться, и оно будет оседать на затравку. Для того чтобы это сделать используется два способа. Первый - убрать воду, но не само вещество - то есть испарение. Вода испаряется, а вещество остаётся. Таким образом, воды меньше, а вещества столько же. А так как раствор концентрированный - то его количество начинает превышать максимум, что может вместить в себя вода и часть вещества оседает. Второй способ - просто уменьшить растворимость вещества (то есть количество вещества, что может быть растворено в объёме воды). Растворимость вещества - не константа, она зависит от температуры воды. Чем горячее вода, тем больше растворимость твёрдого вещества. Следовательно, сделав концентрированный раствор в горячей воде, а затем, остудив воду - вы получите тот же эффект - значимая часть вещества перестанет "влезать" в воду и осядет. Теперь становится ясно, как выращивать кристаллы - достаточно взять концентрированный раствор вещества,

налить в банку, положить туда затравку и либо остудить воду, либо выпаривать (можно и то и другое).

Скорость образования кристаллов - если выпаривать воду слишком быстро, то кристалл не будет успевать вырасти, и у вас появится множество мелких кристаллов или же вообще кристаллический "мох". Веществу нужно время, чтобы "размеситься" в виде кристалла.

И второе - затравка. Вообще, веществу свойственно оседать и выкристаллизовываться на каких-то неровностях или же на подобном веществе. Если взять гладкую банку и поставить расти без затравки, то вырастет множество мелких кристаллов. Но если вы хотите вырастить цельный кристалл, следует позаботиться о том, чтобы в банке было поменьше предметов. Например, если вы выращиваете его на нити, то лучше использовать гладкую нить или проволоку, а не пушистую нить, так как иначе она, скорее всего, обрастёт множеством кристаллов. Хотя для выращивания кристаллического "ожерелья" хорошо использовать пушистую нить. Так же одно из интересных свойств кристалла - его форма. Существует несколько основных форм кристалла. Так, например, из поваренной соли всегда будут вырастать кубические кристаллы. Конечно, это не значит, что из неё вырастет идеальный куб. Обычно, всё же, кристаллы получаются идеальными. Но в основе его форм будет куб. То есть - неровности и "лишние" кристаллы будут кубическими. Вещество, из которого выращивается кристалл - должно быть однородным и кристаллическим. То есть, из соли можно вырастить кристалл, а морская соль не пойдёт для этого (поскольку неоднородна), так же, как и многие органические растворимые вещества.

Первый кристалл.

Существуют поликристаллы и монокристаллы. Поликристаллы - это группа из множества мелких кристаллов. Так кристаллическое "ожерелье" - это поликристалл. Монокристалл - это один большой кристалл. Если рассматривать поваренную соль - то это, по сути, множество мелких монокристаллов. А если срастутся множество кристаллов, образуя этакий "ёжик" или нечто подобное - это будет поликристалл. Затравка.

Перед тем, как растить основной кристалл, вам понадобится затравка. В качестве неё возьмём небольшой кристалл. Конечно, можно взять мелкие кристаллы, но они слишком мелкие. Потому можете просто налить в небольшую чистую ёмкость, вроде блюдца или чего-то подобного тёплого концентрированного раствора поваренной соли. Около получаса спустя на дне появится множество мелких кристаллов. Выбирайте самый крупный и правильный. Для роста кристалла необходимо использовать маленькие ёмкости (самая маленькая банка, которая есть), а базовую температуру воды брать не слишком большую, чуть больше комнатной. Дело в том, что если вы сразу начнёте растить маленький кристалл в том же темпе, что большой, то там могут нарастать лишние кристаллы размера схожего или даже большего, чем сама затравка. Так что, пока кристалл не окрепнет, стоит проявлять чуть больше терпения. Хранение кристаллов.

Ну, что же, вот вы и вырастили ваш кристалл. Большой, правильный, красивый! Я думаю, вы будете не очень приятно удивлены, когда обнаружите, что он покрылся мохообразной коркой, спокойно лёжа на вашей полке. Причин тому множество - коррозия, влажность и так далее. Кристалл следует защитить. Используйте защитный лак, покройте его тщательно и весь. Так же, можете хранить его в закрытых, защищённых местах, хотя это не лучший выход, если вы хотите его иметь на полке. Помните, что кристаллы соли хрупкие. Не стоит их бить или давить, а то лишитесь своего чуда.

Структурнологическая схема

Рис. 1.

Рис. 2.

Указания к работе:

Задание 1.

Этап 1: .Налить воды (желательно из фильтра) в ёмкость (например стакан) и поставить его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50⁰С – 60⁰С). Насыпать пищевую соль в стакан и оставить на 5 минут, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Подогреть необходимо для того, чтобы соли растворилось немного больше, чем может раствориться при комнатной температуре. Добавить ещё соль и снова перемешать. Повторять этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться, и будет оседать на дно стакана. Получен насыщенный раствор соли.

Перелить полученный раствор.

Этап 2: Насыщенный раствор перелить в другую чистую ёмкость, избавившись при этом от излишков соли на дне, где можно производить выращивание кристаллов (с учётом того, что он будет увеличиваться).

Этап 3: Привязать на нитку кристаллик соли. Нитку можно привязать, например, к карандашу (можно к спичке, а также сделать перемычку из стержня шариковой ручки) и положить спичку на края стакана (ёмкости), где находится насыщенный раствор. Кристаллик опустить в насыщенный раствор.

Этап 4: Перенести ёмкость с насыщенным раствором и кристалликом в место, где нет сквозняков, вибрации и сильного света. Соблюдение этих условий при выращивании кристаллов является обязательным.

Этап 5: Накрыть сверху ёмкость с кристалликом (например, бумагой) от попадания пыли и мусора. Оставить раствор на несколько дней. Важно помнить:

1. Раствор должен быть насыщенным, то есть при приготовлении раствора на дне стакана всегда должна оставаться соль (на всякий случай). Для сведений: в 100 г воды при температуре 20⁰С может раствориться приблизительно 35 г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт.

2. Кристаллик нельзя при росте без особой причины вынимать из раствора.

3. Не допускать попадание мусора в насыщенный раствор.

4. Периодически (раз в неделю) менять или обновлять насыщенный раствор.

Задание 2.

По результатам опыта сделать вывод. Контрольные вопросы

1. При каких условиях можно вырастить кристалл?

2. Что оказывает влияние на форму кристалла?

3. Зачем необходимо в начале эксперимента нагревать воду?

Лабораторная работа № 10. Изучение деформации растяжения, теплового расширения воды и твердых тел.

Ключевые слова: механическое напряжение, упруго деформированное тело, линейное расширение, относительное удлинение, коэффициент линейного расширения, модуль Юнга.

Цель работы:

исследовать упругие свойства стали и меди, определить коэффициент линейного расширения твердого тела, определить коэффициент изменения объема воды при нагревании при разных интервалах температур, °С: 0 - 4; 4 - 10 и 10 - 20.

Оборудование:

железная и медная проволоки различного сечения длиной по 3 м, диаметром 0,2 - 0,5 мм; струбцина для захвата за край стола; струбцина с блоком; крючок для грузов; грузы; метровая линейка с миллиметровыми делениями; зеркальные масштабы на подставках - 3 шт.; микрометр; прибор для изучения линейного расширения твердых тел (рис. 2); нагреватель (электрическая плитка); колба вместимостью 250 см³ с резиновым или стеклянным паропроводом; кристаллизатор; миллиметровая линейка длиной 50 см; микрометр (или индикатор); тонкостенная стеклянная колба вместимостью 0,5 л; пробка с пропущенной через нее трубкой, внутренний диаметр которой 2,9 мм, а высота 400 мм; термометр с ценой деления 0,5 град, также пропущенный через пробку; сосуд вместимостью 2 - 3 л; мензурка.

Краткие теоретические сведения

Вначале с помощью зеркальных масштабов определяют модуль Юнга материала различных проволок. Использование зеркальных масштабов дает возможность измерять удлинение не всей проволоки, а лишь ее части (между зеркальными масштабами), поэтому исключается погрешность за счет разматывания проволоки в местах ее крепления, что неизбежно даже при тщательном креплении концов проволоки в установке.

Механическое напряжение по закону Гука, в упруго деформируемом теле пропорционально относительной деформации: , т.е. , где Е — модуль упругости. При деформации одностороннего растяжения или сжатия модуль упругости называют модулем Юнга. В этом случае величину - называют относительным удлинением. Тогда закон Гука можно записать так: (1), где S — поперечное сечение образца. В этой работе определяют предел прочности стальной и медной проволок – это механическое напряжение в момент их разрыва.

Тепловое расширение твердых тел характеризуют коэффициентом линейного расширения α, определяемым по формуле (2), где (t-t₀) - прирост температуры тела; Δl — абсолютное увеличение его длины; l₀ — длина тела при температуре t₀.

Для понимания свойств воды в жидком и кристаллическом состояниях необходимы знания о структуре молекул воды. Молекула воды, как все другие молекулы, состоит из атомов, расположение которых определяется характером распределения валентных электронов в них.

В кристалле льда между молекулами воды существует водородная связь, возникающая за счет ковалентной связи атома водорода одной молекулы с атомом кислорода другой молекулы.

Молекула воды имеет сложную геометрическую форму, что обусловливает решетчатое, ажурное строение кристалла. В нем много пустот, размеры которых незначительно больше диаметра молекул. Каждая молекула окружена шестью центрами пустот. Пустоты образуют каналы, которые окружены кольцами, содержащими по шесть молекул воды. Из-за такого строения кристалл льда имеет малую плотность. Вещества, между молекулами которых существуют водородные связи, в процессе плавления частично эти связи теряют. По данным рентгенографических снимков установлено, что в воде в основном сохраняется расположение молекул, свойственное структуре льда. Однако строгий порядок в расположении молекул при плавлении льда несколько нарушается, пустоты частично заполняются и плотность увеличивается. При нагревании воды от 0 до 4⁰С происходит процесс дальнейшего изменения пространственной структуры. Эффект уменьшения объема за счет более плотной упаковки молекул превышает результат теплового движения молекул. Поэтому в интервале температур от 0 до 4⁰С нагревание воды сопровождается уменьшением ее объема и увеличением плотности. При дальнейшем нагревании воды объем ее увеличивается. Следует отметить, что вода не единственное вещество, у которого наблюдается аномальное тепловое расширение. Так, алмаз начинает расширяться при охлаждении ниже 42⁰С, йодид серебра - при нагревании от -10 до +142⁰С.

Структурнологическая схема

Рис. 1. Экспериментальная установка для изучения деформации растяжения

Рис. 2. Прибор для изучения линейного теплового расширения твердых тел

Рис. 3. Измерение расстояний микрометром

Рис. 4. Измерение диаметра трубки

Указания к работе:

Часть I. Определение модуля Юнга

1. Соберите установку по схеме, показанной на рис. 1.

2. Возьмите ровную, без перегибов проволоку и один ее конец прочно закрепите к крючку струбцины А, а второй - перекиньте через блок В.

3. Подвесьте к свободному концу проволоки груз массой 0,5 кг для того, чтобы выправить проволоку.

4. На проволоку наденьте три нитяных или проволочных узелка и за ними поставьте три зеркальных масштаба 1 - 3, которые представляют собой плоские зеркала с нанесенными на них миллиметровыми делениями.

5. Измерьте микрометром диаметр проволоки в нескольких местах и вычислите среднее значение. Определите площадь поперечного сечения.

6. Измерьте длину проволоки между точками С и Е и точками С и D. Отметьте положение меток С, D, Е на зеркальных масштабах.

7. Увеличьте груз на 5 Н, что соответствует увеличению массы на 0, 5 кг. Осталась ли метка С на месте? На какое расстояние передвинулись метки D и Е?

8. Снимите груз. Вернулись ли метки D и Е в прежние положения?

9. Увеличьте нагрузку на 10 Н, на 15 Н и каждый раз отмечайте удлинение всей проволоки, половины или трети ее.

10. Повторите опыт с проволокой, изготовленной из того же материала, но другого сечения, а также с проволокой из другого материала.

11. Найдите модуль Юнга по формуле (1).

12. Заполните табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений

Материал	Диаметр проволоки (d), мм	Площадь поперечного сечения проволоки (S), мм	Первичная длина проволоки Go), мм	Нагрузка (F), Н	Абсолютное удлинение проволоки (А/), мм	Модуль упругости (Е), Н/м²
Медь
Медь
Железо

13. Вычислите погрешность в определении модуля упругости.

Часть II. Определение предела прочности

1. Возьмите ровную, без изгибов, медную проволоку и закрепите ее в крючке струбцины А (см. рис. 1).

2. Измерьте диаметр проволоки микрометром и рассчитайте площадь поперечного сечения.

3. Свободный конец проволоки перекиньте через блок и начинайте постепенно нагружать.

4. Запишите результаты измерений удлинения после увеличения нагрузки в табл. 2. Таблица 2. Результаты измерений и вычислений

№

опыта

Диаметр проволоки (d), мм

Площадь поперечного

сечения проволоки (S),

Первичная длина про-

волоки (l₀), мм

Нагрузка (F), Н

Абсолютное удлинение проволоки (Δl), мм

мм

5. По полученным данным постройте график растяжения медной проволоки в зависимости от приложенного напряжения.

6. Выделите на графике участки, соответствующие зависимости, выражаемой законом Гука, пределу упругости, пределу прочности.

Часть III. Изучение теплового расширения твердых тел 1. Измерьте длину образца (стержня) с точностью до 1 мм.

2. Установите стержень 1 между стойками прибора, предварительно вставьте один конец стержня в отверстие неподвижного упора, а затем второй конец поместите на опорный кронштейн.

3. Подведите к стержню подвижный упор и измерьте микрометром расстояние между стойкой и подвижным упором (l_н) (рис. 2).

4. Заполненную на 2/3 своего объема водой колбу 3 соедините паропроводом 2 со стеклянной муфтой прибора и поместите на нагреватель 4.

5. Второй конец стеклянной муфты с помощью резинового шланга соедините с кристаллизатором 6, куда будет стекать конденсат.

6. Включите нагреватель, нагрейте воду в парообразователе (колбе) до кипения и через несколько минут с момента начала кипения воды произведите вторичное измерение микрометром 5 расстояния между стойкой и подвижным упором (t_К).

7. Вычислите удлинение стержня: Δl = l_к- l_н.

8. Данные измерений внесите в табл. 3.

9. Вычислите коэффициент линейного расширения по формуле (2).

10. Вычислите максимальную относительную погрешность по формуле (t_к = 100 С): Таблица 3. Результаты измерений и вычислений

Материал	l₀, мм	l_н, мм	l_к, мм	Δl, мм	t_н: t_к	t_н-t_к град	α, град¹
Алюминий
Сталь
Латунь

При вычислении погрешностей нужно иметь в виду, что микрометром можно производить измерения с точностью до 0,01 мм, масштабной линейкой - до 1 мм и термометром - до 0,5.

Из расчета видно, что погрешность главным образом получается за счет измерения приращений длины стержня микрометром.

Часть IV. Изучение особенностей теплового расширения воды

1. Большой сосуд заполните холодной водой и, бросая туда кусочки льда, доведите ее температуру до 0°С.

2. Тщательно измерьте объем колбы V₀. Измерьте диаметр трубки d. Для этого изготовьте бумажный треугольник с высотой АВ = 1 см и основанием СВ = 10 см (рис. 3.8). В отверстие сухой трубки введите треугольник острым углом так, чтобы края трубки коснулись сторон С А и СВ треугольника АСВ. Допустим, края трубки остановились на делении 4. Это означает, что диаметр трубки равен 4 мм.

3. Тонкостенную колбу заполните водой при О С и закройте пробкой, в которую пропущены трубка и термометр. (Колбу заполните так, чтобы уровень воды в трубке установился примерно на 5 см выше края пробки. После этого воздуха в колбе не должно быть и герметичность закрытой колбы будет надежной.) 4. Поместите колбу в большой сосуд с водой.

5. Нагрейте воду до 20 С, подливая в большой сосуд горячую воду.

6. Наблюдайте понижение уровня воды в трубке при нагревании воды от 0 до 4 С.

7. Пронаблюдайте повышение уровня воды в трубке при нагревании воды от 4 до 20 °С.

8. Запишите изменения положения уровня воды в трубке и соответствующие показания термометра.

9. Сделайте вывод из наблюдений.

10. Составьте табл. 4 для двух интервалов температур: 1) 4-10⁰С и 2) 10 – 20⁰С.

11. Проведите расчет коэффициентов объемного расширения воды с учетом расширения стекла.

12. Сделайте вывод об измерении коэффициента объемного расширения воды β_с.

Таблица 4. Результаты измерений и вычислений

№

п/п

V₀, дм³

мм

S, см²

мм

β_ст,

град¹

ΔV_в, мм³

ΔV_ст, мм³

Δt_в, ⁰Сг

β_в, град ^-¹

Контрольные вопросы

1. Чем объясняется аномальное поведение воды при нагревании от 0 до 4 ⁰С?

2. Все ли вещества обладают таким свойством аномального теплового расширения, как вода?

Почему при нагревании тела расширяются? Приведите формулу, описывающую линейное расширение, и объясните смысл всех величин, в нее входящих.

Можно ли пользоваться формулой (2) для монокристаллов?

Выразите коэффициент объемного расширения через коэффициент линейного расширения.

6. Перечислите механические свойства твердого тела.

7. Трос постоянного сечения перегнули пополам и к середине (точке перегиба) подвесили груз. По измерениям относительного удлинения находят модуль упругости. Изменится ли он по сравнению с модулем упругости стержня, который не подвергался перегибу? Если изменится, то, как и во сколько раз?

8. Какая зависимость наблюдается между нагрузкой и абсолютным удлинением проволоки? Что такое модуль Юнга? В каких единицах он измеряется?

9. Как изменяется относительное удлинение проволоки при увеличении ее первоначальной длины, если абсолютное удлинение сохраняется неизменным?

10. Зависит ли относительное удлинение проволоки при неизменных начальной длине и нагрузке от материала проволоки?

11. Зависит ли модуль упругости от первоначальных размеров образца, взятого для испытания?

Лабораторная работа № 11. Изучение закона Ома для участка цепи, последовательного и параллельного соединения проводников

Ключевые слова: сила тока, напряжение, сопротивление проводника, последовательное и параллельное соединения проводников, закон Ома для участка цепи, законы последовательного и параллельного соединений.

Цель работы:

определить сопротивление проводника на основе закона Ома, выяснить законы последовательного и параллельного соединения проводников.

Оборудование:

батарея из трех элементов (или аккумуляторов); исследуемый проводник (небольшая никелиновая спираль); амперметр; вольтметр; реостат; ключ; соединительные провода; два никелиновых проводника (две спирали из набора сопротивлений).

Краткие теоретические сведения

Силой тока I называется скалярная физическая величина заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени: _I1А .

Разностью потенциалов или напряжением U между двумя точками называется работа, которая совершается полем при перемещении единичного электрического заряда между этими точками: _U^A. U 1В. q Электрическое сопротивление R - физическая величина, характеризующая способность проводника противодействовать прохождению электрического тока. Сопротивление однородного проводника цилиндрической формы определяется по формуле: R 1Ом .

Реостат - прибор, рабочее сопротивление которого можно изменять за счёт длины включаемого в цепь проводника. Величина сопротивления реостата регулируется поворотом ручки или протяжкой движка.

Закон Ома для однородного участка цепи: сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна

U его сопротивлению: I. Отсюда (1) R

Закономерности последовательного соединения: I ... , U U₁U₂... ,

R R₁R₂...

Закономерности параллельного соединения: I ... U

R R1 R2 (2)

...

Структурнологическая схема

Рис. 1. Электрическая цепь для изучения закона Ома: а — общий вид; б — электрическая схема

Рис. 2. Электрическая цепь для изучения

закономерностей последовательного соединения проводников

Рис. 3. Электрическая цепь для изучения

закономерностей параллельного соединения проводников

Указания к работе:

Задание 1. Определите сопротивление проводника с помощью амперметра и вольтметра

1. Соберите цепь, соединив последовательно батарею элементов, амперметр, исследуемый проводник

(реостат), ключ (рис. 1, а).

2. Измерьте силу тока в цепи.

3. Присоедините вольтметр к концам исследуемого проводника и измерьте напряжение на проводнике (рис.

1, б).

4. Измените с помощью реостата сопротивление цепи и снова измерьте силу тока и напряжение.

5. Результаты измерений занесите в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений

№ опыта

Проводник

I, А

U, В

R, Ом

6. Вычислите, используя закон Ома, сопротивление проводника по данным каждого отдельного измерения по формуле (1). Найдите среднее значение сопротивления проводника.

Задание 2. Изучите последовательное соединение проводников.

1. Соберите цепь, состоящую из источника тока, реостата, двух проводников, амперметра, ключа, соединив все последовательно (рис. 2).

2. Измерьте с помощью вольтметра напряжение U на всем участке цепи, состоящем из двух проводников, на отдельных проводниках U₁, U₂ и силу тока в цепи I.

3. Вычислите по результатам измерений сопротивление всего участка по формуле (1) и отдельных проводников.

4. Запишите результаты измерений т вычислений в табл. 2.

Таблица 2. Результаты измерений и вычислений

U, в	I, А	R, Ом	U₁ В	R₁, Ом	U₂, В	R₂, Ом

5. Сравните сопротивление всего участка цепи R с суммой сопротивлений двух проводников R₁ + R₂.

Сделайте вывод.

6. Сравните напряжение на участке двух проводников U с суммой напряжений U₁ + U₂ на концах отдельных проводников. Сделайте вывод.

7. Измените с помощью реостата сопротивление цепи (см. рис. 2) и повторите измерения, описанные в пп. 2-

Задание 3. Изучите параллельное соединение проводников.

1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис. 4.3

2. Измерьте напряжение U на концах проводников, соединенных параллельно.

3. Измерьте, включая амперметр поочередно в основную цепь и в ветви, силу тока в основной цепи I и в ветвях I₁, I₂. Результаты измерений запишите в табл. 3.

Таблица 3. Результаты измерений и вычислений

U, В	I, А	I₁, А	I₂, А	R, Ом	R₁, Ом	R₂, Ом

4. С помощью полученных данных вычислите сопротивление всего участка и отдельных ветвей по формуле (1)

5. Сравните сумму сил токов I₁+I₂ в отдельных проводниках с силой тока I в основной цепи. Сделайте вывод.

6. Проверьте, подтверждается ли опытным путем формула (2). Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. К источнику напряжения подключены последовательно два резистора сопротивлениями 4 и 6 Ом соответственно. Чему будет равно общее сопротивление участка цепи? Во сколько раз будут различаться сила тока и напряжение на каждом из резисторов?

2. К источнику напряжения подключены параллельно два резистора сопротивлениями 2 и 3 Ом соответственно. Во сколько раз будут отличаться сила тока и напряжение на каждом из резисторов? Чему будет равно общее сопротивление участка цепи?

3. Резистор сопротивлением 10 Ом подключен к источнику напряжения. Во сколько раз изменится общее сопротивление, если параллельно подключить еще четыре резистора сопротивлением 10 Ом каждый?

Лабораторная работа № 12. Изучение закона Ома для полной цепи

Ключевые слова: электродвижущая сила источника тока, КПД электрической цепи.

Цель работы:	установление зависимости силы тока от внешнего сопротивления, определить КПД электрической цепи.
Оборудование:	источник питания, проволочный резистор, амперметр, ключ, вольтметр, соединительные провода.
Краткие теоретические сведения	Закон Ома для полной цепи - сила тока прямо пропорциональна ЭДС цепи, и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и цепи, где ξ – ЭДС, R- сопротивление цепи, r – внутреннее сопротивление источника. (1) Откуда (2) Формулу закона Ома для полной цепи можно представить в другом виде. А именно: ЭДС источника цепи равна сумме падений напряжения на источнике и на внешней цепи. . Электродвижущей силой (ЭДС) источника тока называют работу, которая требуется для перемещения единичного заряда между его полюсами. . КПД электрической цепи - это отношение полезного тепла к полному: η = (3)
Структурнологическая схема	Рис. 1. Электрическая цепь для изучения закона Ома для полной цепи
Указания к работе: 1. Соберите электрическую цепь согласно рисунку 1. Проверьте надежность электрических контактов, правильность подключения амперметра и вольтметра. 2. Проверьте работу цепи при разомкнутом и замкнутом ключе. 3. Измерьте и запишите при разомкнутой цепи показания вольтметра, подключенного к полюсам источника. Он показывает значение ЭДС источника ξ, запишите в тетрадь показания. 4. Замкните ключ и снимите показания амперметра и вольтметра, запишите в тетрадь показания. 5. Вычислите сопротивление цепи: R= 6. Используя закон Ома для полной цепи (1), определите внутреннее сопротивление источника тока по формуле (2) 7. Вычислите КПД электрической цепи по формуле (3) 8. Сделайте вывод по полученным измерениям и вычислениям. Контрольные вопросы Решите тест: I. При напряжении на концах проводника 2 В сила тока 0,8 А. Какое напряжение на этом проводнике при силе тока 0,2 А? 1. 1,6 В; 2. 1,2 В; 3. 0,6 В; 4. 0,5 В. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения. II. При каком напряжении на проводнике сила тока равна 2 А? 1. 2 В; 2. 1,6 В; 3. 1,2 В; 4. 0,8 В; 5. 0,4 В. III. Какова сила тока в проводнике при напряжении на нем 1,2 В? 1. 10 А; 2. 8 А; 3. 6 А; 4. 4 А; 5. 2 А. IV. Напряжение на электрической лампе 220 В, а сила тока в ней 0,5 А. Определите сопротивление лампы. I. 110 Ом; 2. 220 Ом; 3. 0,002 Ом; 4. 440 Ом. V. Выразите 2500 Ом в килоомах. I. 0,0025 Ом; 2. 2,5Ом; 3. 250Ом; 4. 2500 Ом. VI. Сила тока в нагревательном элементе чайника 2,5 А, а сопротивление 48 Ом. Вычислите напряжение на нагревательном элементе чайника . 1.120 В; 2.19,2 В; 3.0,05 В; 4.220 В; 5. 127 В

Лабораторная работа № 13. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника напряжения.

Ключевые слова: электродвижущая сила источника тока, внешнее и внутреннее сопротивления, закон Ома для полной цепи.

Цель работы:	измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование:	источник питания; проволочный резистор сопротивлением 2 Ом; амперметр; ключ; вольтметр; соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Для получения электрического тока в проводнике необходимо создать и поддерживать на его концах разность потенциалов (напряжение). Для этого используют источник тока. Разность потенциалов на его полюсах образуется вследствие разделения зарядов. Работу по разделению зарядов выполняют сторонние (не электрического происхождения) силы. В качестве источника тока в эксперименте используется аккумулятор или батарейка от карманного фонаря. Схема электрической цепи, которую используют в этой работе, показана на рис. 1

При разомкнутой цепи энергия, затраченная в процессе работы сторонних сил, превращается в энергию источника тока. При замыкании электрической цепи запасенная в источнике тока энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней и внутренней частях цепи с сопротивлениями соответственно R и r.

Величина, численно равная работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного заряда внутри источника тока, называется электродвижущей силой источника тока ζ: I R I r (1) в СИ выражается в вольтах (В)

При разомкнутой цепи 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 0-6В и сопротивлением R_в = 900 Ом (см. надпись под шкалой прибора). Так как сопротивление источника обычно мало, то действительно R_в>r. При этом отличие ζ от U не превышает десятых долей процента Рис 6, 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 формулу (1) для вычисления ЭДС, где - напряжение на внешней

U цепи. Поэтому rпр_. (2). Для измерения силы тока в цепи можно использовать

Iпр

школьный амперметр со шкалой 0-2 А. Максимальные погрешности измерений внутреннего сопротивления источника тока определяются по формулам:

Структурнологическая схема

Рис. 1. Электрическая цепь для изучения закона Ома для полной цепи

Указания к работе:

1. Соберите электрическую цепь согласно рисунку 1. Проверьте надежность электрических контактов, правильность подключения амперметра и вольтметра.

2. Проверьте работу цепи при разомкнутом и замкнутом ключе.

3. Определите цену деления шкалы измерительных приборов.

4. Составьте электрическую цепь по схеме, изображённой на рис 1.

5. После проверки цепи преподавателем измерьте ЭДС источника тока при разомкнутом ключе.

6. Снимите показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе и вычислите r_пр. Вычислите абсолютную и относительную погрешности измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока, используя данные о классе точности приборов. 7. Запишите результаты измерений ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока:

....%, r r ....%.

8. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений

Измерено

Вычислено

U_пр, В

I_пр,

ξ_пр,

Δ_иU, В

Δ₀U, В

ΔU, В

r_пр,

Ом

Δ_иI,

Δ₀I,

ΔI,

ε_r,

Δr,

Ом

Измерение ЭДС, ξ

Измерение внутреннего

сопротивлени

я, r

Контрольные вопросы

1. К источнику ЭДС подключен резистор переменного сопротивления. Как изменится сила тока в цепи, если сопротивление будет плавно увеличиваться?

2. К источнику ЭДС 5 В и внутренним сопротивлением 0,1 Ом подключен резистор сопротивлением 2,4 Ом. Чему равна сила тока в цепи и напряжение на резисторе?

3. Как изменятся сила тока и напряжение на резисторе, обсуждаемом в задаче 2, если сопротивление резистора уменьшить?

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

5. Какие силы принято называть сторонними? Что называют электродвижущей силой?

6. От чего зависит знак ЭДС в законе Ома для замкнутой (полной) цепи?

7. Какова роль источника тока в электрической цепи? От чего зависит напряжение на зажимах источника тока?

Лабораторная работа № 14. Определение температуры нити лампы накаливания. Ключевые слова: температурный коэффициент, «холодное» сопротивление.

Цель работы: овладеть одним из косвенных методов определения температуры нити лампы накаливания.

Оборудование: источник постоянного напряжения; лампа накаливания; амперметр; вольтметр; реостат; соединительные провода.

Краткие Совершенно очевидно, что ни о каком непосредственном измерении температуры нити теоретические лампы накаливания термометром нечего и думать — это невозможно. Для решения сведения поставленной задачи используется зависимость сопротивления проводника R_t от его температуры t: (1) Откуда (2), где α — температурный коэффициент сопротивления материала проводников; R₀ — начальное («холодное») сопротивление лампы при t = 0⁰С.

Сопротивление нити лампы в рабочем состоянии определяется по закону Ома: . Напряжение U и сила тока I берутся по показаниям приборов при нормальном режиме работы лампы. Сопротивление нити лампы в рабочем состоянии (во время горения) можно найти также по формуле: (3) (здесь Р — мощность), подобрав режим, когда на зажимы лампы подается напряжение, написанное на цоколе (и мощность).

Для определения сопротивления нити лампы в холодном состоянии на ее зажимы подается, возможно, меньшее напряжение (порядка тысячных долей вольта).

Полагая, что нить лампы изготовлена из вольфрама, температурный коэффициент сопротивления α принимают равным 0,0042 град^-1.

Структурнологическая схема

Рис. 1. Рис. 2

Указания к работе:

1. Соберите электрическую цепь (рис. 1).

2. Найдите «холодное» сопротивление лампы R₀, подав на ее зажимы минимально возможное напряжение и поделив его на силу тока в цепи.

3. Найдите сопротивление лампы в режиме горения, подобрав такой режим, при котором на зажимы лампы подается напряжение, указанное на ее цоколе. Используя мощность, указанную на цоколе Р (рис.2), найдите сопротивление лампы в режиме горения по формуле (3).

4. Рассчитайте температуру нити накала по формуле (2).

5. Заполните табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений

Контрольные вопросы

1. Формула зависимости сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

, где R₀ — сопротивление проводника при t=0⁰С. Что позволяет использовать в работе в качестве R₀ сопротивление нити при комнатной температуре?

2. Какими двумя способами можно оценить сопротивление нити лампы в режиме горения?

3. От каких еще величин (кроме температуры) зависит сопротивление металлического проводника? Каков характер этой зависимости?

Лабораторная работа № 15. Определение коэффициента полезного действия электрического чайника. Ключевые слова: количество теплоты, необходимое для нагревания, полезная работа, полная работа, КПД электрического чайника.

Цель работы:

научиться находить коэффициент полезного действия электрического устройства по результатам эксперимента.

Оборудование:

электрический чайник; термометр; часы (секундомер); мензурка.

Краткие теоретические сведения

Коэффициент полезного действия есть отношение совершенной устройством или механизмом полезной работы к полной совершенной работе (или затраченной энергии). Если, например, наполнить чайник водой при некоторой температуре t₁ и нагреть до температуры t₂, то полезная работа будет равна требуемому для нагрева количеству теплоты (1) где с - удельная теплоемкость воды; т — масса воды. Затраченная энергия может быть оценена по формуле: (2), где N — указанная в паспорте (инструкции по использованию) мощность чайника; Δt — время нагрева.

В таком случае коэффициент полезного действия равен: (3).

Структурнологическая схема

Рис. 1

Указания к работе:

1. Налейте в чайник некоторый объем воды, например 0,5 л, воспользовавшись для этого мензуркой.

2. Измерьте термометром начальную температуру воды t₁.

3. Включите чайник и нагрейте в нем воду в течение некоторого времени Δt (около 2 - 3 мин). Измерьте конечную температуру воды t₂.

4. Повторите эту процедуру еще раз.

5. Заполните табл. 1 и найдите по формуле (3) коэффициент полезного действия .

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений

№

п/п

Объем воды в

чайнике, м³

Плотность воды р, кг/м³

Масса воды m, кг

Начальная температура воды t₁, ⁰С

Конечная температура воды

t₂, ⁰С

Время нагрева Δt, °С

КПД

Контрольные вопросы

Как вы думаете, увеличится или уменьшится КПД, определённый описанным способом для электрической плиты, на которой нагревается стакан с водой? Что еще необходимо учесть для данного опыта в формуле для нахождения КПД, аналогичной (3)?

Как изменится КПД, определенный описанным в работе методом, если увеличить мощность нагревательного прибора?

Изменится ли КПД, определенный указанным в работе методом, если увеличить массу нагреваемой воды?

Лабораторная работа № 16. Изучение явления электромагнитной индукции.

Ключевые слова: электромагнитная индукция, индукционный ток, ЭДС индукции, магнитный поток, правило Ленца.

Цель работы:	доказать экспериментально правило Ленца, определяющее направление индукционного тока, исследовать возникновение индукционного тока в замкнутом контуре при относительном движении катушки и постоянного магнита.
Оборудование:	подковообразный постоянный магнит; миллиамперметр; катушка на подставке; соединительные провода, катушка (моток); полосовой магнит.

Краткие теоретические сведения

Согласно закону электромагнитной индукции (или закону Фарадея – Максвелла), ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность, ограниченную этим контуром: (1). Для определения знака ЭДС индукции (и соответственно направления индукционного тока) в контуре направление сравнивается с выбранным направлением обхода контура.

Направление индукционного тока (так же как и величина ЭДС индукции) считается положительным, если оно совпадает с выбранным направлением обхода контура, и отрицательным — если противоположно выбранному направлению обхода контура. Воспользуемся законом Фарадея – Максвелла для определения направления индукционного тока в круговом проволочном витке площадью S₀. Предположим, что в начальный момент времени t₁ = 0 индукция магнитного поля в области витка равна нулю (рис. 1, а). В следующий момент времени t₂ = τ виток перемещается в область магнитного поля, индукция которого В₂ направлена перпендикулярно плоскости витка к наблюдателю (рис.

1, б).

За направление обхода контура выберем направление по часовой стрелке. По правилу буравчика вектор нормали к площади контура будет направлен от наблюдателя перпендикулярно площади контура.

Магнитный поток Ф₁, пронизывающий контур:

1) в начальном положении витка (В₁ = 0) равен нулю ;

2) в конечном положении витка: (3).

Изменение магнитного потока в единицу времени: <0.

Значит, ЭДС индукции, согласно формуле (1), будет положительной: .

Это означает, что индукционный ток в контуре будет направлен по часовой стрелке. Соответственно, согласно правилу буравчика для контурных токов, собственная индукция В, на оси такого витка будет направлена против индукции внешнего магнитного поля (см. рис. 1, б).

Согласно правилу Ленца, индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Индукционный ток наблюдается и при усилении внешнего магнитного поля в плоскости витка без его перемещения. Например, при вдвигании полосового магнита в виток возрастают внешнее магнитное поле В и магнитный поток, его пронизывающий (рис. 2).

Это приведет к возникновению индукционного тока I, такого направления, что (см. рис. 2). Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3. Дугообразный магнит 1 вдвигают северным полюсом N в катушку 2, присоединенную к миллиамперметру 3. Направление и значение индукционного тока в катушке определяют по знаку и отклонению стрелки миллиамперметра (направление считается положительным при отклонении стрелки вправо).

Результаты эксперимента фиксируют в табл. 1 в соответствии с рис. 3 (I_А — показания миллиамперметра).

Индукционный ток возникает в случаях вдвигания магнита в катушку, а также при движении катушки при неподвижном магните, т.е. в тех случаях, когда наблюдается относительное движение катушки и магнита. При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий замкнутый контур, в проводнике возникает индукционный ток, существующий в течение всего времени изменения магнитного потока. Выполнение этого опыта позволяет определить и направление индукционного тока.

Структурнологическая схема

Рис. 1 К иллюстрации закона Фарадея а) t = 0; б) t = τ Рис. 2. Иллюстрация правила Ленца

Рис. 3. Экспериментальная установка для изучения правила Ленца

Указания к работе:

Задание 1. Доказать экспериментально правило Ленца.

Таблица 1. Результаты измерений

Направление обхода контура

S₀

В₁

В₂ (В₂ > В₁)

Ф₁,

Ф₂

ΔФ = Ф₂ –Ф₁

ξ₁

(знак)

I_i (направление)

I_А

1. Подключите катушку 2 (см. рис. 3) к зажимам миллиамперметра.

2. Внесите северный полюс дугообразного магнита в катушку вдоль ее оси. В последующих опытах полюса магнита перемещайте с одной и той же стороны катушки, положение которой не изменяется.

3. Проверьте соответствие результатов опыта с табл. 1.

4. Удалите из катушки северный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в табл. 2. Таблица 2. Результаты измерений

Направление обхода контура

S₀

В₁

B₂ (В₂ > B₁)

Ф₁

Ф₂

ΔФ = Ф₂ – Ф₁

ξ₁

(знак)

I, (направление)

I_А

5. Внесите в катушку южный полюс S дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в табл. 3. Таблица 3. Результаты измерений

Направление обхода

S₀

В₁

В₂ (В₂ В₁)

Ф₁,

Ф₂

ΔФ = Ф₂ –Ф₁

ξ₁

(знак)

I_i (направление)

I_а

6. Удалите из катушки южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в табл. 4. Таблица 4. Результаты измерений

Направление обхода

S₀

В₁

В₂ (В₂ В₁)

Ф₁,

Ф₂

ΔФ = Ф₂ –Ф₁

ξ₁

(знак)

I_i (направление)

I_а

7. По результатам экспериментов сделайте вывод.

Задание 2. Качественно проверить зависимость ЭДС индукции от модуля вектора магнитной индукции и скорости движения проводника.

1. Внесите в катушку вдоль ее оси два магнита — полосовой 4 и дугообразный 1 (см. рис. 3), сложенные вместе одноименными полюсами.

2. Запишите значение и знак индукционного тока.

3. Повторите предыдущий опыт, вдвигая магниты в катушку с большей скоростью.

4. Запишите значение и знак индукционного тока.

Задание 3. Исследовать возникновение индукционного тока в замкнутом контуре.

1. Подсоедините миллиамперметр к зажимам катушки.

2. Введите один из полюсов постоянного магнита внутрь катушки, наблюдая за отклонением стрелки миллиамперметра.

3. Выдвигая постоянный магнит из катушки, обратите внимание на отклонение стрелки миллиамперметра.

4. Двигайте катушку к одному из выбранных полюсов постоянного магнита и наблюдайте за отклонением стрелки миллиамперметра.

5. Двигайте катушку от выбранного полюса постоянного магнита, наблюдая за отклонением стрелки

миллиамперметра.

6. Повторить опыт, поменяв полюс магнита.

7. Запишите результаты наблюдений в табл. 5.

Таблица 5. Результаты наблюдений

Движение магнита	Поведение стрелки миллиамперметра	Движение катушки замкнутого контура	Поведение стрелки миллиамперметра
Вводится одним полюсом внутрь		Насаживается на выбранный полюс
^{катушки}Выводится из катушки		^{магнита}Снимается с полюса магнита
Вводится другим полюсом внутрь		Насаживается на другой полюс магнита
^{катушки}Выводится из катушки		Снимается с полюса магнита

Контрольные вопросы

1. При каких условиях в замкнутых контурах, пронизываемых магнитным полем, возникает ЭДС индукции? Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

2. Каков смысл знака «-» в правой части формулы (1), выражающей закон электромагнитной индукции?

3. Какие три причины могут привести к изменению потока магнитной индукции через некоторый контур? Приведите примеры.

4. Запишите формулу для нахождения индукционного тока в замкнутом контуре, пронизываемом изменяющимся магнитным потоком, основываясь на законе электромагнитной индукции Фарадея.

Лабораторная работа № 17. Изучение зависимости периода колебаний пружинного (или нитяного) маятника от массы груза (или длины нити).

Ключевые слова: собственная частота колебаний, период колебаний, пружинный маятник.

Цель работы:

подтвердить экспериментально справедливость расчета собственной частоты колебаний груза на пружине.

Оборудование:

набор грузов; спиральная пружина с держателем; штатив; линейка; секундомер.

Краткие теоретические сведения

Груз, подвешенный на стальной пружине и выведенный из положения равновесия, совершает под действием силы тяжести и силы упругости пружины гармонические колебания. Собственная частота колебаний ν_T (здесь индекс «т» - значение, полученное теоретически) такого пружинного маятника определяется выражением: (1), где

(2)- жесткость пружины; т — масса груза.

Чтобы вычислить ν_T, надо определить жесткость пружины, применяемой в лабораторной установке, и измерить массу т груза. Подвесив груз массой т на пружине, экспериментально проверьте результат, полученный теоретически.

Структурнологическая схема

Рис. 1 Рис. 2.

Указания к работе:

1. Укрепите пружину держателем в лапке штатива и подвесьте к ней груз массой 100 г. Укрепите рядом с грузом измерительную линейку и отметьте начальное положение груза.

2. Подвесьте к пружине еще два таких же груза и измерьте удлинение Δх пружины, вызванное действием силы F 2 Н. По измеренному удлинению Δх и известной силе F вычислите жесткость пружины по формуле

(2)

3. Вычислите собственную частоту колебаний ν_T пружинного маятника (формула 1) с грузами массой 200 и 400 г, зная жесткость пружины.

4. Выведите пружинный маятник из положения равновесия, сместив груз (т = 200 г) на 5 - 7 см вниз, и экспериментально определите частоту его колебаний v_э (здесь индекс «э» указывает значение, полученное экспериментально). Для этого измерьте интервал времени Δt, за который маятник совершает п = 20 полных колебаний: .

5. Выполните такие же измерения и вычисления с грузом массой 400 г.

6. Занесите результаты измерений и вычислений в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений

№ п/п

F, Н

Δх, м

Н/м

т,

кг

ν_T,

с-1

Δν_T,

с-1

Δt, с

ν_э, с-1

Δν_э, с-1

7. Оцените границы погрешностей расчета и измерения частоты колебаний маятника. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

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

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

3. Каким был бы результат опыта в условиях невесомости?

Лабораторная работа № 18 Индуктивные и емкостное сопротивления в цепи переменного тока Ключевые слова: индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление, собственная частота, переменный электрический ток, активное, мгновенные, амплитудные, действующие значения силы тока, напряжения, промышленная частота, индуктивность, электроемкость, самоиндукция.

Цель работы:

научиться вычислять индуктивность катушки на основе экспериментального определения ее индуктивного сопротивления; выявлять и объяснять зависимость силы переменного тока от емкости, включенной в цепь батареи конденсаторов при постоянных амплитуде и частоте внешнего напряжения.

Оборудование:

катушка на 220 В от универсального трансформатора; выпрямитель В-24; амперметр; вольтметр; низковольтная лампа; звуковой генератор.

Краткие теоретические сведения

Электрический ток, изменяющийся во времени по гармоническому закону, называется переменным.

Однофазной электрической цепью переменного тока называют цепь, которая содержит один или несколько источников электрической энергии переменного тока, имеющих одинаковую частоту и начальную фазу.

Мгновенные значения синусоидальных тока и напряжения в любой момент времени выражаются формулами:

где I_mи U_m - амплитудные значения тока и напряжения; - циклическая частота, [рад/с]; -частота [Гц], _0i- начальная фаза тока [рад/с]; _0u- начальная фаза напряжения [рад/с], t-время [с], = 3,14.

Действующие значения тока и напряжения определяются по формулам:

;

Отношение действующих значений напряжения U и силы тока I в цепи, содержащей источники напряжения и катушку индуктивностью L, есть индуктивное сопротивление: (1), где ω — круговая частота изменения внешнего направления.

Такое же отношение для цепи, содержащей источник напряжения и конденсатор емкостью

С, есть емкостное сопротивление (2)

Структурнологическая схема

Рис. 1

Вариант А

Указания к работе:

1. Соберите установку по схеме, изображенной на рис. 1, содержащей амперметр, вольтметр, катушку на 220 В от универсального трансформатора, надетую на сердечник с замкнутым магнитопроводом, и источник переменного напряжения 220 В. Измерьте напряжение U на катушке и силу тока I в цепи. Вычислите ее полное сопротивление X.

2. Подключите катушку к источнику постоянного напряжения (выпрямитель В-24). Установите такое выходное напряжение, при котором сила тока в цепи будет иметь значение, равное действующему значению переменного тока (п. 1). Измерьте напряжение на катушке и вычислите по закону Ома ее активное сопротивление R.

3. Используя формулу для полного сопротивления катушки индуктивности в цепи переменного тока

, найдите индуктивное сопротивление катушки

Полагая, что частота переменного напряжения v = 50 Гц, найдите индуктивность катушки по формуле (1):

4. Соедините батарею конденсаторов последовательно с низковольтной лампой накаливания и подключите их к выходу звукового генератора. Оставляя неизменной частоту изменения выходного напряжения генератора, проиллюстрируйте зависимость емкостного сопротивления (Х_с) и силы тока в цепи от электрической емкости батареи конденсатора (С), увеличивая ее несколько раз от минимального начального значения до максимально возможного для выбранной для эксперимента батареи и наблюдая изменение накала лампы.

5. Постройте графики зависимости емкостного сопротивления конденсатора от электрической емкости Х_с(С) и силы тока от электрической емкости конденсатора I(C). Как эта зависимость согласуется с законом Ома для цепи, содержащей источник переменного напряжения и конденсатор:

Вариант Б Указания к работе:

1. Выполните задания:

1) Запишите характеристики предложенного вам конденсатора. Исходя из данных, решите задачу: В сеть переменного тока частотой 50 Гц и указанным напряжением включают конденсатор указанной емкости. Рассчитайте емкостное сопротивление, амплитудное и действующее значения силы тока в цепи конденсатора. Составьте уравнение колебаний i=i(t).

2) Решите задачу: В цепь переменного тока частотой 50 Гц и напряжением U включена катушка индуктивности. Сила тока в цепи катушки I. Определите индуктивное сопротивление, индуктивность катушки L, если ее активным сопротивлением можно пренебречь. Значения напряжения U, силы тока I указаны в таблице согласно варианту:

	U, В	I,А		U, В	I,А
1	220	1	6	110	8
2	50	0,2	7	200	0,8
3	380	2,4	8	250	0,02
4	4,5	0,5	9	500	0,25
5	100	40	10	120	2

2. Запишите сделанный вами вывод. Контрольные вопросы

1. Что такое амплитудное и действующее значения синусоидального переменного тока и синусоидального переменного напряжения? Как они связаны между собой?

2. Запишите закон Ома для цепи, включающей катушку индуктивности, подключенную к источнику переменного синусоидального напряжения. Что произойдет с показаниями амперметра, если: а) увеличить частоту переменного напряжения, вырабатываемого источником; б) увеличить индуктивность катушки, например, введя внутрь сердечник? Действующее значение питающего напряжения при этом считать неизменным.

3. Запишите закон Ома для цепи, состоящей ив конденсатора, подключенного к источнику переменного синусоидального напряжения. Что произойдет с показаниями амперметра, если: а) уменьшить частоту напряжения, вырабатываемого источником; б) увеличить расстояние между пластинами конденсатора? Действующее значение питающего напряжения при этом не меняется.

Лабораторная работа № 19. Изучение изображения предметов в тонкой линзе.

Ключевые слова: линза, собирающая линза, рассеивающая линза, оптический центр, оптическая ось, фокус, формула тонкой линзы, оптическая сила линзы.

Цель работы:

экспериментально проверить формулу тонкой линзы, научиться построению изображений в линзах, повторить формулу тонкой линзы.

Оборудование:

линза на подставке; свеча; экран; масштабная линейка.

Краткие теоретические сведения

Линза – оптически прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями.

Линзы, которые преобразуют пучок параллельных лучей в сходящийся и собирают его в одну точку называют собирающими линзами.

Линзы, которые преобразуют пучок параллельных лучей в расходящийся называют рассеивающими линзами.

Точка, в которой лучи после преломления собираются, называется фокусом. Для собирающей линзы – действительный, для рассеивающей – мнимый.

Расстояние от предмета до оптического центра тонкой линзы d, расстояние от него до изображения f и фокусное расстояние линзы F связаны соотношением (формула тонкой линзы): (1)

В случае собирающей линзы, если предмет находится от оптического центра на расстоянии, большем фокусного (d > F), получается действительное изображение и все три величины, входящие в формулу линзы, имеют положительный знак.

Структурнологическая схема

Рис. 1

Указания к работе:

Задание 1. Проверка формулы тонкой линзы.

1. Расположите горящую свечу на расстоянии, большем фокусного (d > F) от оптического центра линзы, и передвижением экрана добейтесь четкого изображения свечи. Линейкой измерьте расстояния от свечи до линзы (d) и от изображения свечи (от экрана) до линзы (f). По формуле (1) найдите фокусное расстояние линзы, а затем — оптическую силу линзы: .

Если оптическая сила линзы измеряется в диоптриях (дптр), то фокусное расстояние необходимо выразить в метрах (м).

2. Возьмите другую линзу с известным фокусным расстоянием. Расположите зажженную свечу и экран напротив друг друга на расстоянии, большем четырехкратного фокусного расстояния линзы. Выявите, на каком расстоянии (d) надо расположить линзу от свечи, чтобы на экране получилось четкое изображение свечи. В принятых в п. 1 обозначениях, считая расстояние от свечи до экрана равным l запишите два

уравнения: . Приведите (2) к квадратному уравнению, решите его известным вам способом и выразите величину f. Найдите соответствующие d₁ и d₂.

3. Выберите два значения I, превышающих четырехкратное фокусное расстояние линзы, рассчитайте соответствующие f₁ и f₂ и проверьте правильность ответов экспериментально.

4. Возьмите в качестве предмета прозрачный экран с нанесенной на него миллиметровой сеткой, линзу с известным фокусным расстоянием F и непрозрачный экран (с матовой поверхностью). Выясните, на каком расстоянии необходимо расположить источник от линзы, чтобы получить пятикратно увеличенное изображение. Постройте соответствующий рисунок и, используя свойства подобных треугольников, по полученному рисунку найдите f , используя формулу (1) и полученную для f выразите формулу для d.

Освещайте предмет с противоположной линзе стороны рассеянным светом и проверьте экспериментально полученные выводы.

Задание 2. Проверка формулы тонкой линзы. Выполните задания согласно варианту:

Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3	Вариант 4
Задание 1,2,3 Задача 1	Задание 4,5,6 Задача 2	Задание 7,8,9 Задача 3	Задание 10,11,12 Задача 4

Задание. Постройте изображение в линзе:

1. Рассеивающая линза. Предмет за двойным фокусом.

2. Собирающая линза. Предмет находится в фокусе.

3. Постройте действительное, перевёрнутое, увеличенное изображение в собирающей линзе.

4. Собирающая линза. Предмет находится в двойном фокусе.

5. Рассеивающая линза. Предмет находится между фокусом и линзой.

6. Постройте действительное, перевернутое, уменьшенное изображение предмета в собирающей линзе.

7. Собирающая линза. Предмет находится между фокусом и линзой.

8. Рассеивающая линза. Предмет находится за двойным фокусом.

9. Рассеивающая линза. Предмет находится между фокусом и двойным фокусом.

10. Рассеивающая линза. Предмет находится в фокусе.

11. Собирающая линза. Предмет за двойным фокусом.

12. Рассеивающая линза. Предмет находится в двойном фокусе.

Задачи:

1. Предмет находится на расстоянии 1,8 м от собирающей линзы. Определите фокусное расстояние линзы, если изображение меньше предмета в 5 раз.

2. Свеча находится на расстоянии 15 см от собирающей линзы с оптической силой 10 дптр. На каком расстоянии от линзы следует расположить экран для получения четкого изображения свечи?

3. На каком расстоянии от тонкой рассеивающей линзы с фокусным расстоянием 20 см следует поместить предмет, чтобы получить изображение, уменьшенное в 3 раза?

4. Точечный источник света находится в главном фокусе рассеивающей линзы, фокусное расстояние которой 10 см. На каком расстоянии от линзы будет находиться его изображение?

Контрольные вопросы

1.Какую линзу называют тонкой?

2.Что называют главным фокусом линзы?

3.Какие лучи удобно использовать для построения изображений?

4. Что называют увеличением линзы?

Лабораторная работа № 20. Изучение интерференции и дифракции света.

Ключевые слова: интерференция, дифракция, интерференционная картина, дифракционная картина.

Цель работы:	изучить особенности интерференционной и дифракционной картин
Оборудование:	пластинка стеклянная — 2 шт.; лист фольги; безопасная бритва; лампа накаливания; цветные карандаши; CD-диск; капроновая ткань черного цвета.
Краткие теоретические сведения	Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных. "Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны”. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.

Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту постоянную разность фаз. Условия максимумов где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;… (разность хода волн равна четному числу полуволн). Волны от источников S1 и S2 придут в точку С в одинаковых фазах и "усилят друг друга”. Условия минимумов , где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;… (разность хода волн равна нечетному числу полуволн) Волны от источников S1 и S2 придут в точку С в противофазах и "погасят друг друга”. - фазы колебаний - разность фаз А=0 – амплитуда результирующей волны.

Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света. Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн. Следовательно, в явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников).

Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий. Условие проявления дифракции: d < , где d – размер препятствия, - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны. Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.

Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучок света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки. Условие наблюдения дифракционного максимума: Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником, пришедших в данную точку разными путями. Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, вблизи краев препятствий).

Указания к работе:

Задание 1. Наблюдение интерференции света.

1. Сложите стеклянные пластинки вместе и слегка сожмите пальцами. При этом вокруг отдельных мест соприкосновения пластин образуются воздушные зазоры разной формы. (Эти зазоры играют роль тонкой пленки.)

2. Рассматривайте пластинки в отраженном свете и наблюдайте радужную интерференционную картину.

Увеличьте нажим на стеклянные пластинки и наблюдайте за изменениями картины. Освещайте предмет с

противоположной линзе стороны рассеянным светом и проверьте экспериментально полученные выводы. Таблица 1. Результаты наблюдений

Условия наблюдения	Интерференционная картина
Условия наблюдения	в отраженном свете	в проходящем свете
При слабом нажиме на пластинки
При увеличении нажима на пластинки
С бумагой между краями пластин

3. Поместите между краями пластин кусочек бумаги. Наблюдайте интерференционную картину.

4. Наблюдайте интерференционные картины в проходящем свете.

5. Зарисуйте в табл. 1 наблюдаемые интерференционные картины.

6. По результатам выполнения работы сделайте выводы.

Задание 2. Наблюдение дифракции света.

1. Расположите лист фольги с щелью вертикально и приблизьте ее вплотную к глазу.

2. Посмотрите сквозь щель на нить лампы, установленную на демонстрационном столе, наблюдайте дифракционную картину.

3. Увеличивайте ширину щели, слегка растянув фольгу, и наблюдайте за изменениями дифракционной картины.

4. Наблюдайте дифракционную картину, получаемую с помощью лоскутков капрона, в проходящем свете.

5. Наблюдайте дифракционную картину в отраженном свете, полученную с помощью CD-диска.

6. Зарисуйте в табл. 2 наблюдаемые при разных условиях дифракционные картины.

Таблица 2. Результаты наблюдений

Условия наблюдения	Дифракционная картина
Узкая щель
Более широкая щель
От капроновой ткани
В отраженном свете

Контрольные вопросы

1. Дайте определение интерференции света. Сформулируйте условия интерференционных минимумов и максимумов.

2. Чем отличаются по своей природе и условиям наблюдения явления интерференции и дифракции световых волн?

3. Почему интерференционные и дифракционные картины, получаемые от источников белого света, имеют радужную окраску?

4. Каковы отличия интерференционных картин, полученных в отраженном и проходящем свете в рассмотренных в лабораторной работе условиях?

Лабораторная работа № 21. Градуировка спектроскопа и определение длины волны спектральных линий.

Ключевые слова: спектроскоп, спектральный анализ, градуировка, спектры поглощения, спектры излучения, спектральные линии.

Цель работы:	научиться определять длины волн в линейчатых спектрах поглощения и излучения газов.
Оборудование:	спектроскоп; ртутная лампа; спиртовка.

Краткие теоретические сведения

В лабораторной практике широко применяют спектральные методы исследования. Так как каждое вещество обладает характерным спектром, спектральные методики получили большое распространение для аналитических целей. С помощью спектров можно обнаружить содержание какого-либо элемента в смеси с другими, а в ряде случаев и определить его количественное содержание. Для целей анализа могут быть использованы как спектры испускания, так и спектры поглощения. Все спектральные методики являются быстрыми и, как правило, требуют малого количества исследуемого вещества. При спектральном анализе нужно уметь определять, каким длинам волн соответствуют наблюдаемые в спектре линии испускания или области поглощения. Это можно выполнить, применяя спектроскоп, снабженный шкалой или каким-либо другим устройством, позволяющим фиксировать взаимное расположение линий в спектре. С помощью спектроскопа наблюдают спектр визуально, фотографическое изображение спектра можно получить, используя более сложный прибор — спектрограф.

Рис. 1. Спектроскоп: оптическая схема Спектроскоп имеет следующие основные части (рис. 1):

1) коллиматор К, представляющий собой трубку с объективом О₁ на одном конце и щелью Щ — на другом. Щель коллиматора освещается (непосредственно или с помощью конденсора) источником света, спектр которого предполагается изучать. Так как щель находится в фокусе объектива O₁, то лучи света, выйдя из коллиматора, падают на призму П параллельным пучком;

2) преломляющая призма П, в которой происходит преломление и разложение пучка лучей, вышедшего из объектива коллиматора;

3) зрительная труба Т, состоящая из объектива О₂ и окуляра О_к. Объектив О₂ служит для того, чтобы фокусировать вышедшие из призмы П параллельные цветные лучи в своей фокальной плоскости F—F. Окуляр О_к представляет собой лупу, через которую рассматривается изображение, даваемое объективом О₂.

Образование спектра в спектроскопе происходит следующим образом. Каждая точка щели спектроскопа, освещенной источником света, посылает в объектив коллиматора лучи, выходящие из него параллельным пучком. Рассмотрим пучок лучей, выходящих из центра щели. Выйдя из объектива, параллельный пучок падает на переднюю грань призмы П. После преломления на передней грани пучок разделяется на ряд параллельных монохроматических пучков, идущих по разным направлениям в соответствии с различным преломлением лучей разных длин волн. На рис. 2 изображены три таких пучка (например, красного, зеленого и синего цветов определенных длин волн). После преломления на задней грани призмы П лучи выходят в воздух по-прежнему в виде трех параллельных пучков.

Преломившись в объективе О₂ трубы Т параллельные пучки лучей различных длин волн соберутся каждый в своей точке задней фокальной плоскости объектива. В этой плоскости получится спектр — ряд цветных изображений входной щели, число которых равно количеству различных монохроматических излучений, имеющихся в свете, освещающем щель. Узкие цветные изображения щели называют спектральными линиями.

Окуляр О_к располагают так, чтобы полученный спектр находился в его фокальной плоскости, которая должна, следовательно, совпадать с задней фокальной плоскостью объектива О. В этом случае глаз будет работать без напряжения аккомодации, так как от каждого изображения спектральной линии в него будут входить параллельные пучки лучей.

Для построения изображения щели, даваемого объективом О₂ и образуемого каким-либо пучком параллельных лучей, идущим под углом к оптической оси, можно применить следующий метод. Среди лучей данного параллельного пучка, входящего в объектив, имеется луч, проходящий без преломления через оптический центр линзы. Проведя такой луч (тп на рис. 1) и продолжив его до пересечения с задней фокальной плоскостью объектива, найдем точку А, в которой соберутся все остальные лучи взятого пучка параллельных

лучей.

В спектроскопах, применяемых в лаборатории, спектр часто наблюдают на фоне шкалы. Это достигается следующим образом. Зачерненная стеклянная пластинка N (см. рис. 2) с нанесенными на ней прозрачными делениями шкалы помещается в фокальной плоскости объектива О₃, находящегося в небольшой трубке. Трубка расположена так, что выходящие из нее параллельные лучи отражаются от грани преломляющей призмы П, проходят через объектив О₂ зрительной трубы и дают изображение шкалы (N₁) в его фокальной плоскости, где также получается спектр источника, освещающего щель Щ.

Рис. 2. «Совмещение» спектра со шкалой длин волн

Зрительную трубу можно вращать вокруг вертикальной оси, что позволяет навести центральную часть ее поля зрения на любую спектральную линию. Изображения спектральных линий при этом не будут смещаться относительно делений шкалы, если не изменять положения трубки со шкалой относительно призмы П спектроскопа.

Не следует трогать трубку со шкалой в процессе работы

Иногда применяют двухтрубные спектроскопы (рис. 3), которые не имеют специальной трубки со шкалой. В этом случае окуляр зрительной трубы снабжен крестом нитей или острием для точной установки на ту или иную линию спектра. Зрительная труба может вращаться вокруг оси, проходящей через призму. С помощью микрометрического винта М, вращая трубу, можно установить крест нитей или острие на любую линию спектра, отмечая при этом соответствующие деления на шкале микрометрического винта.

Структурнологическая схема

Рис. 3. Двухтрубный спектроскоп

Указания к работе:

1. Для определения длин волн спектральных линий с помощью спектроскопа нужно сначала проградуировать в длинах волн его шкалу, а затем применить его для определения длин волн линий неизвестных спектров. Градуировка спектроскопа. Щель спектроскопа освещается источником света, обладающим линейчатым спектром с известными длинами волн спектральных линий. Нужно заметить и записать, на каких делениях шкалы спектроскопа видны отдельные линии спектра. Затем, зная длины волн спектральных линий и деления шкалы, соответствующие каждой линии спектра, нужно нанести результаты на график, откладывая по горизонтальной оси деления шкалы, а по вертикальной - соответствующие длины волн спектральных линий.

Для градуировки спектроскопа используется источник света, в спектре которого длины волн всех спектральных линий хорошо известны. В качестве такого источника очень удобна ртутная лампа, так как спектр ртути содержит ряд линий в различных областях спектра от фиолетовой части до красной. Длины волн основных линий в спектре ртути приведены в табл. 1. При выполнении градуировки нужно, прежде всего, навести спектроскоп на источник света — ртутную лампу и осветить шкалу спектроскопа лампочкой через матовое стекло. Затем, передвигая окуляр в тубусе зрительной трубы спектроскопа, получить резкое изображение линий спектра в поле зрения спектроскопа. Если при этом изображение делений шкалы получается не резким, то нужно путем перемещения шкалы N относительно объектива О₂ (не нарушая установленного ранее положения окуляра) добиться отчетливого изображения и шкалы, и налагающихся на нее линий спектра. Затем специальным винтом отрегулировать ширину щели так, чтобы линии спектра были

как можно более узкими, но в то же время достаточно яркими. Просмотреть весь спектр от красного до фиолетового, отмечая цвет спектральных линий и соответствующий каждой линии отсчет по шкале спектроскопа. Пользуясь табл. 1, разобраться в наблюдаемом спектре и установить, какую длину волны λ имеет каждая из наблюдаемых линий. Полученные данные занести в табл. 2.

Таблица 1. Таблица длин волн линий спектра ртути

Длина волны, мкм	Цвет	Яркость
690,7	Темно-красный	Средняя Слабая
671,6	То же	Средняя Слабая
623,4	Красный	Средняя
612,3	То же	Слабая
607,3	Красно-оранжевый	То же
579,1	Желтый	Яркая
577,0	То же	То же
546,1	Зеленый	Очень яркая Средняя То же Очень яркая Средняя
496,1	Голубовато-зеленый
491,6	То же
435,8	Синий
434,7	То же
433,9	»	То же
407,8	Фиолетовый	Слабая
404,7	То же	Средняя

Таблица 2. Результаты градуировки спектроскопа

Источник света

Спектральные линии (цвет)

Деление шкалы

Длина волны λ, мкм

2. При работе с двухтрубным спектроскопом вращением микрометрического винта наведите указатель зрительной трубы (крест нитей или острие) на нужную линию спектра и запишите показания по шкале микрометрического винта.

3. Определение длин волн неизвестных линий в спектре испускания. Выбрав удобный масштаб, постройте на миллиметровой бумаге график градуировки спектроскопа.

4. Полученной кривой градуировки шкалы спектроскопа можно воспользоваться для определения длин волн спектральных линий какого-либо неизвестного нам источника света. Таким источником света может служить газоразрядная трубка или пламя спиртовки, фитиль которой пропитан солями некоторых металлов. Наведя щель спектроскопа на трубку или пламя спиртовки, запишите, на каких делениях шкалы наблюдаются в этом случае спектральные линии. Затем, пользуясь градуировочным графиком, определите их длины волн. Определив длины волн по таблице спектральных линий (табл. 3), нужно попытаться установить, какому элементу они принадлежат. Результаты занесите в табл. 4

Таблица 3. Длины волн некоторых спектральных линий в видимой области спектра

Материал	Длина	Яркость
Водород	656,3	Яркая
Водород	486,1	Средняя
	434,0	Слабая
	410,2	Очень слабая
Литий	670,8	Яркая
	610,4	Очень слабая
	589,6	То же
Натрий	589,0	Очень яркая
Гелий	706,5	Очень слабая
	667,8	Яркая
	587,6	То же
	501,6	Очень слабая
	492,2	Слабая
	471,3	Средняя
	447,1	То же
	402,6	Очень слабая

Примечание. Для водорода и гелия указаны линии, появляющиеся в газоразрядной трубке, а для лития и натрия — в пламени.

Таблица 4. Определение длин волн неизвестных линий спектра Источник света Спектральные Деление шкалы Длина волны λ

линии (цвет) п по графику, мкм

5. Наблюдение спектров поглощения. Зная кривую градуировки спектроскопа, можно применить его также для приближенного качественного изучения различных прозрачных сред (окрашенных стекол, растворов и т.п.) в различных областях видимого спектра.

При изучении спектров поглощения щель спектроскопа освещают каким-нибудь источником света, дающим сплошной спектр (лампа накаливания, угольная дуга) и на пути лучей перед щелью спектроскопа помещают исследуемую поглощающую среду. Щель спектроскопа должна быть, возможно, более узкой, так как при широкой щели узкие полосы или линии поглощения могут оказаться неразличимыми.

Для характеристики поглощения света в данном веществе нужно установить границы полос поглощения, т.е. длины волн света, соответствующие границам темных участков в спектре. В данной работе требуется определить границы областей поглощения света раствором оксигемоглобина, который имеет две характерные полосы поглощения в желто-зеленой части спектра. Для этого помещают кювету с раствором оксигемоглобина между лампой накаливания и щелью спектроскопа. Тогда в спектроскопе ясно видны на фоне сплошного спектра две темные полосы. Замечаем деления, которые соответствуют границам этих полос, и по градуировочному графику определяем соответствующие длины волн. Результаты запишите в табл. 5. Таблица 5. Результаты измерений

Полоса спектра

Деления шкалы спектроскопа, соответствующие границам полос

Длины волн, соответствую-

щие границам полос по глощения (по

Ширина полос

глощения,

мкм

по-

Середина

полосы по-

глощения λ_ср,

мкм

Первая

Вторая

В данной работе применяется графический способ нахождения ошибок. За ошибку измерения следует принять половину наименьшего деления шкалы или половину наименьшего деления микрометрического винта, а затем по графику нужно найти соответствующее значение ошибки в определении искомой длины волны. Так как график градуировки спектроскопа представляет собой кривую линию, ошибка в определении длины волны на разных участках спектра будет различной.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление дисперсии световых волн? Приведите пример его проявления в природе, который вам приходилось наблюдать.

2. Пучок белого света падает на стеклянную призму. В каком порядке наблюдаются различные «цветовые компоненты» на экране, расположенном за призмой?

3. Объясните смысл тезиса «дифракционная решетка как спектральный прибор».

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью курса физики, изучаемого в учреждениях профессионального образования. В ходе их выполнения у обучающихся формируются основные компетенции и важнейшие практические умения и навыки, необходимые для успешного усвоения междисциплинарных курсов, реализующих учебный материал видов профессиональной деятельности. Качественное выполнение лабораторной работы – это предпосылка для подготовки в будущем квалифицированных специалистов. Лабораторные работы как форма организации учебной деятельности студентов содействуют развитию научного мышления, формированию умений интеллектуального проникновения в сущность изучаемых явлений, что повышает роль экспериментальных методов обучения, направленных на формирование творческой активности личности, ее адаптивности к новым условиям рынка труда, готовности к использованию новых технологий в профессиональной сфере деятельности.

«Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ» направлены на оказание помощи обучающимся в подготовке и выполнении лабораторных работ, включённых в новую программу по физике на базе основного общего образования.

Содержание лабораторных работ разработки полностью соответствует этой программе, а также учебнику В.Ф. Дмитриевой «Физика для профессий и специальностей технического профиля» (М.: Издательский центр «Академия», 2015г.).

Приборы и принадлежности, рекомендованные для выполнения работ, в основном подобраны из «Перечня типового оборудования кабинета физики». Предполагается, что обучающиеся 1курсов уже имеют определённые навыки обращения с ними, поэтому в описании работ не приводится инструкций по их использованию.

Педагогическая ценность фронтальных лабораторных работ заключается в том, что их проводят в органической связи с изучаемым программным материалом на протяжении всего курса физики. Фронтальный метод лабораторных занятий по физике, как известно, имеет ряд весьма важных положительных сторон. Этот метод, прежде всего, даёт возможность тесно связать лабораторные занятия обучающихся с изучаемым курсом.

В ходе выполнения заданий у обучающихся формируются практические умения и навыки обращения с различными приборами, установками, лабораторным оборудованием, аппаратурой, которые могут составлять часть профессиональной практической подготовки, а также исследовательские умения (наблюдать, сравнивать, анализировать, устанавливать зависимости, делать выводы и обобщения, самостоятельно вести исследование, оформлять результаты).

Особенностями методических рекомендаций является формирование умения проводить эксперимент и формирование общих компетенций с опорой на стремление обучающихся к самоопределению, самореализации, самообразованию, обязательный минимум содержания общего образования.

Все представленные работы имеют контрольные вопросы. Контрольные вопросы помогают оценить результаты деятельности.

Нормы оценок обучающимся заранее известны, поэтому каждый осуществляет выбор объёма и содержания работы в соответствии с собственными учебными возможностями.

При разработке методических рекомендаций по выполнению лабораторных работ мною были использованы материалы учебников, методических материалов для преподавателей, виртуальные лабораторные работы по физике, Интернет-ресурсы.

Основные источники:

1. Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. [Текст]: учебник для учреждений нач. и сред. проф. образования / В.Ф. Дмитриева.- 4-е изд., стер.- М.:

Издательский центр «Академия», 2015.-448 с.

2. Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач [Текст] : учеб.пособие для образоват. учреждений нач. и сред. проф.образозования / В.Ф. Дмитриева.- М.: Издательский центр «Академия», 2014. - 256с.

3. Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Контрольные материалы [Текст] : учеб.пособие для учреждений нач. и сред. проф. образования / В.Ф. Дмитриева, Л.И. Васильев.- М.: Издательский центр «Академия», 2012.-112 с.

4. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Лабораторный практикум: учебное пособие для студ.учреждений сред.проф.образования/В.Ф.Дмитриева, А.В.Коржуев, О.В.Муртазина. – М.: Издательский центр «Академия», 2015. – 160с.

5. Мякишев, Г.Я. Физика. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый и профильный уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой.-19-е изд.- М.:Просвещение, 2014.-416с.

6. Мякишев, Г.Я. Физика.11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый и профильный уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М. Чаругин; под.ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой.- 19-е изд.-М.:Просвещение, 2014.-399с.

Дополнительные источники:

1. Буров, В.А. Фронтальные экспериментальные задания по физике [Текст]: дидакт. материал. Пособие для учителя / В.А. Буров, А.И. Иванов, В.И. Свиридов. – М.: Просвещение,1986. – 48с.

2. Кабардин, О.Ф. Физика [Текст] : Справ.материалы : учеб.пособие для учащихся.-3-е изд.-М. :Просвещение,1991.-367с.

3. Практикум по физике в средней школе [Текст]: дидакт. материал. Пособие для учителя / Л.И. Анциферов [и др.] ; под ред. В.А. Бурова, Ю.И. Дика. – 3-е изд.,перераб. – М.:Просвещение, 1987.- 191с.

7. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений [Текст] : книга для учителя / В.А. Буров [ и др.] ; под ред. В.А. Бурова, Г.Г. Никифорова. – М.: Просвещение,1996.-368с.

8. В.А. Касьянов, В.А. Коровин Тетрадь для лабораторных работ 10 – 11 класс, Базовый уровень, Допущено Министерством образования Российской Федерации, М., 2005г.

Электронные ресурсы:

1. Лабораторные работы по физике.10 кл. [Электронный ресурс] : виртуальная физическая лаборатория : электронное учеб. пособие.- М. : Дрофа,2006.-1электрон.опт.диск (СD-ROM).- Систем.требования: операционная система Windows 95/98/МЕ/NT/2000/XР, Pentium III,256 Мб,видеосистема 800х600,16 bit.-Загл. с контейнера.-220-00.

2. Лабораторные работы по физике.11 кл. [Электронный ресурс] : виртуальная физическая лаборатория : электронное учеб. пособие.- М. : Дрофа,2006.-1электрон.опт.диск (СD-ROM).- Систем.требования: операционная система Windows 95/98/МЕ/NT/2000/XР, Pentium III,256 Мб,видеосистема 800х600,16 bit.-Загл. с контейнера.-220-00.

Интернет-ресурсы:

Физика в Открытом колледже http://www/physics.ru

Скачать материал

Скачать материал "Методические рекомендации по проведению лабораторных работ по физике"

Как учитель может зарабатывать на Инфоуроке?

Скачать материал

6 664 409 материалов в базе

Найти материалы

Скачать материал

docx

Конспект урока по физике на тему: "Энергия магнитного поля тока" 11 класс профильный уровень.

15.11.2016
750
2

docx

Разбор заданий ЕГЭ по разделу: «Механика»

15.11.2016
1233
2

docx

Тест по теме "Импульс тела"

15.11.2016
1531
3

zip

Контрольная работа по физике в 10 классе по теме "Законы сохранения" 12 вариантов к учебнику Г.Я. Мякишева 10 класс

Рейтинг: 3 из 5

15.11.2016
28264
148

docx

Рейтинг: 4 из 5

15.11.2016
7307
5

rar

Рабочая программа по физике 7 класс

15.11.2016
308
0

в помещении.

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Скачать материал
- 15.11.2016 995
- RAR 1.7 мбайт
- Оцените материал:
Настоящий материал опубликован пользователем Акатова Галина Сергеевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Автор материала

Акатова Галина Сергеевна
- На сайте: 9 лет и 2 месяца
- Подписчики: 1
- Всего просмотров: 52827
- Всего материалов: 25