Практические работы по физике

Экспериментальные задания

1.Измерение массы тела

Способ  измерения   основан   на  аддитивности масс (М = m₁ + m₂ + ... ) и использовании рычажных

весов, которые находятся в равновесии, если масса

тела равна сумме масс гирь.

Оборудование: весы учебные, набор гирь, тело неизвестной массы.

Указания к выполнению задания

1. Измерьте массу тела.

m_о = 100,000 г + 20,000 г + 0,500 г + 0,100 г +

+ 0,010 г = ...

2. Оцените погрешность измерения массы. Погрешность измерения массы (m) = погреш­ность всех гирь (m_г) + погрешность весов (m_в) +

+ погрешность подбора гирь (половина массы наи-меньшей гири, находящейся на весах или выводящей их из равновесия).

Погрешность измерения массы Dm, мг	Суммарная погрешность всех гирь Dmг, мг	Погреш­ность весов Dmв, мг	Погреш­ность под­бора гирь
	35	35	10 мг/2 = = 5 мг

 Dm = 65 мг + 35 мг + 5 мг = 100 мг,

      G

                              пренебрегаем

т =m₀ ± m;  т = 120,610 мг ± 100 мг,

                                         G

                              неверные цифры

 т = (120, 600 ± 100) мг (рис. 46).

 

Задание:

Определите массу тела и погреш­ность измерения, если на чашке весов находятся ги­ри с номинальными значениями: 50 г, 20 г, 200 мг, 100 мг.

2.Измерение влажности воздуха

Относительная   влажность    = _• 100%,   где

 - плотность водяных паров в воздухе, а _ -плотность насыщающих паров при температуре воз­духа.

Простейший способ измерения влажности ос­нован на том, что разность показаний сухого и влаж­ного термометров зависит от влажности воздуха.

Оборудование: два термометра, сухой и влаж­ный, психрометрическая таблица.

 Указания к выполнению задания

1. Определите показания сухого термометра t_с.

2. Определите    показания    влажного    термо­метра t_вл.

3. Рассчитайте разность показаний сухого и влажного термометров t.

4. Пользуясь    психрометрической    таблицей, определите относительную влажность (рис. 47). Относительная влажность  = 56 %.

Показания	Разность показаний сухого и влажного термометров, °С
сухого термометра,	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
0С	Относительная влажность, %
0	100	81	63	45	28	11	—	—	—	—	—
2	100	84	68	51	35	20	—	—	—	—	—
16	100	90	81	71	62	54	46	37	30	22	15
18	100	91	82	73	65	56	49	41	34	27	20
20	100	91	88	74	66	59	51	44	87	30	24

Задание: Определите относительную влажность, если сухой термометр показывает 21 °С, влажный — 18 °С.

3.Измерение мощности лампочки накаливания

Мощность в электрической цепи постоянного тока равна Р = UI. В простейшем случае для измере­ния мощности достаточно использовать вольтметр и амперметр.

Оборудование: источник тока, проводники, ключ, лампочка на подставке, амперметр, вольтметр, основная погрешность  = 0,05 А, основная погрешностьDВ = 0,1 В (рис. 48).

Рис. 48

Указания к выполнению задания

1. Определите силу тока. Показания ампер­метра I₀ округляются до ближайшего деления шкалы.

2. Снимите показания приборов и занесите в таблицу.

I = 0,50 А ± 0,05 А; если указатель совпадает со штрихом шкалы, то погрешность измерения равна основной погрешности прибора I = 0,05 А.

U = 4,8 В ± 0,2 В; если указатель не совпадает со штрихом шкалы, то показания округляются до ближайшего деления (U = 4,8 В), т. е. погрешность измерения равна основной погрешности прибора плюс половина цены деления, U = 0,1 В + 0,2 В/2 = = 0,2 В.

I,А	I, А	U, в	DU,в
0,50	0,05	4,8	0,2

3. Рассчитайте мощность лампочки: Р = UI; Р = 0,5 А • 4,8 В = 2,4 Вт.

4. Оцените погрешности измерения.

Если физическая величина находится в ре­зультате умножения (или деления) измеренных зна­чений, то относительная погрешность ее измерения равна сумме относительных погрешностей:

e_р = Р/Р = e_ + e_u

e_р = 0,05 А/0,5 А + 0,2 В/ 4,8 В =

= 0,1 + 0,04 = 0,15;

e_р = 15%.

Мощность лампочки измерена с относительной погрешностью 15%.

5. Определите абсолютную погрешность изме­рения мощности, округлив значение погрешности с избытком:

e_р =Р/Р, Р = р•e_р = 2,4 Вт - 0,15 =

= 0,36 Вт = 0,4 Вт.

Р = (2,4 ± 0,4) Вт.

Задание. Пусть стрелка амперметра стоит на делении 1,5 А, а вольтметра — на 3,1 В. Запишите показания приборов с учетом погрешности.

4.  Расчет и измерение сопротивления  двух параллельно включенных резисторов

Общее сопротивление двух параллельно соеди­ненных резисторов определяется из соотношения

1/R=1/R₁+1/R₂

Экспериментально сопротивление R может быть измерено с использованием амперметра и вольтметра (R = U/I) (рис. 49).

Оборудование: амперметр, вольтметр, два резистора, источник тока.

Указание к выполнению задания

1. Используя рисунок 49, определите R.

R = R_l•R₂/(R_i + R₂),

R = 4 • 2/(4 + 2) = 8/6 = 1,3 Ом.

2. Оцените, насколько близкое к результатам расчетов значение сопротивления можно получить с использованием амперметра и вольтметра.

Задание. Два резистора R = 1 Ом и R = 4 Ом

соединены параллельно. Вольтметр, подключенный к резисторам, показывает 2 В. Каковы показания ам­перметра, который включен последовательно с ре­зисторами?

5. Измерение ЭДС и внутреннего  сопротивления источника тока с использованием вольтметра и амперметра

Способ измерения ЭДС и внутреннего сопро­тивления основан на использовании закона Ома для полной цепи: I = /(R + r), где  — ЭДС источника тока, r — внутреннее сопротивление источника.  = = IR + Ir;  = U + 1r; r = ( - U)/I.

Оборудование: амперметр, вольтметр, источ­ник тока, соединительные провода, ключ.

Указание к выполнению задания

1. При разомкнутой цепи вольтметр, подклю­ченный к полюсам источника, показывает U, следо­вательно, ЭДС источника приблизительно равна (рис. 50).

2. При замыкании ключа k сила тока в цепи равна I, а напряжение на полюсах источника равно U (рис. 50).

Следовательно, r = (4,4 В — 3,6 В)/1,2 А = - 0,8 В/1,2 А = 2/3 Ом.

Задание. Вольтметр, подключенный к полю­сам источника тока, показывает 6 В. При замыкании цепи показания вольтметра уменьшились до 5 В. Амперметр показывает 1 А. Чему равны ЭДС источ­ника и его внутреннее сопротивление?

6. Измерение удельного сопротивления  проводника

Удельное сопротивление  материала характе­ризует его электрические свойства. Знание  позво­ляет определить сопротивление проводника цилин­дрической формы по формуле

R = •(l /S).

Для измерения  достаточно измерить l и S, а сопротивление проводника оценить с использованием амперметра и вольтметра (R = U/I).

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, штангенциркуль, соединительные прово­да, ключ, реостат, исследуемый проводник.

Указание к выполнению задания

1. Снимите показания амперметра и вольтмет­ра (рис. 51).

2. Показания приборов занесите в таблицу.

U, в	I,А	d, мм	l, м
6,0	0,8	0,8	1,0

3. Определите диаметр проводника.

4. Найдите сопротивление проводника: R = U/I; R = 6 В/0,8 А = 7,5 Ом.

5. Определите   площадь   поперечного   сечения проводника S:

S = d²/4;   S = 3,14•(0,8мм)²/4 = 0,5024 мм² = 0,5 мм².

6. Рассчитайте удельное сопротивление :

R = •(l /S),r=RS/l

р = 7,5 Ом • 0,5 мм²/1,0 м = 3,7 Ом • мм²/м.

Задание. Определите удельное сопротивление никелина, если обмотка реостата с сопротивлением R = 84 Ом выполнена из проволоки длиной l = 200 м и площадью поперечного сечения S = 1 мм².

7.Измерение показателя преломления стекла

a — угол падения,  — угол преломления, п — показатель преломления второй среды относительно первой.

Оборудование: стеклянная пластинка с плос­копараллельными гранями, 3 булавки, транспортир, карандаш, линейка, таблица.

Указание к выполнению задания

1. Положите на лист бумаги плоскопараллель­ную пластинку, обведите ее контуры карандашом.

2. Воткните  булавки   1   и  2  в  лист  бумаги (рис. 52, а).

3. Перемещайте булавку 3 до тех пор, пока она окажется на одной прямой с мнимыми изображе­ниями 1' к 2' булавок 1 и 2 (рис. 52, б).

4. Проведите прямую MN через точки 1 и 2. Проведите прямую KL через точку 3, параллельную MN (рис. 52, в).

a = 60°; sin  = 0,86; у = 35°; sin  = 0,58. n = 1,5.

Задание. Пользуясь рисунком 52, г, определите показатель преломления вещества.

8.Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

d • sin  = k • , где d — постоянная дифрак­ционной решетки,  — угол дифракции,  — длина световой волны, k = 0, ±1, ±2, ±3, ....

Оборудование: дифракционная решетка, чер­ный экран с узкой вертикальной щелью посередине, источник света.

Указание к выполнению зада

1. Внимательно изучите дифракционную ре­шетку. Запишите численное значение постоянной решетки d.

2. В соответствии с рисунком 53 соберите измерительную установку.

3. Заполните таблицу результатов прямых измерений.

L, см	a, см	d, м
30	2,4	10-5

4. Рассчитайте длину световой волны. d • sin  = k • , k=1,

 d • sin  = 1 • ,

 d • sin  = ,

 sin  tg  = a/L,

 ^• 2,4/30 м = 8 - 10^-7 м.

9.Рассчитайте общее сопротивление двух последовательно соединенных проволочных резисторов (сопротивление каждого обозначено на колодке)

Измерьте общее сопротивление этих резисто­ров, используя источник тока, вольтметр, амперметр. Объясните причину совпадения или несовпадения расчета и эксперимента.

Оборудование: источник тока, вольтметр, ам­перметр, два резистора, проводники (рис. 54).

Указание к выполнению задания

1. Снимите показания амперметра и вольт­метра (рис. 54).

2. Заполните таблицу прямых измерений.

I,А	DI, А	U,в	D U,В

3. Определите общее сопротивление R двух резисторов, пользуясь законом Ома:

R_общ=U_общ/I_общ

4. Рассчитайте общее сопротивление двух ре­зисторов:

R = R1 + R2;   R = 4 Ом + 2 Ом = 6 Ом, тогда

R_общ =4в/0.7А=5.7Ом.

Расхождение между результатами расчетов и измерениями объясняется двумя причинами. Пер­вая — на колодках указаны номинальные значения сопротивлений. Их действительные значения отли­чаются от номинальных. Вторая — электроизмери­тельные приборы также имеют погрешности.

Задание. На колодках двух резисторов напи­сано R = 1,00 Ом ±0,05 Ом и R = 2,0 Ом ± 0,1 Ом. Определите номинальное значение общего сопротив­ления резисторов при их последовательном включе­нии и погрешность, если R_общ = R₁ + R₂