№

п/п

Средство измерения

Предел измерения

Цена деления

Допустимая инструментальная погрешность

1

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

№

п/п

Формула физической величины

Формула относительной погрешности

1

2

3

4

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 делениями.

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:

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.

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)

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_тр=  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 F можно 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).  

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?

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

                              .

7.                  Постройте вектор          , 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

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.

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:

Рис 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.2                                                                    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. 

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:

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?

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_k  должно 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? 

Ключевые слова:

относительная влажность,  парциальное давление, температура, гигрометр Ламберта, 

психрометр.

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

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

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

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 t в помещении.

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? Каким может быть предельное значение относительной влажности воздуха?

Ключевые слова:

кристаллы, кристаллическая решётка, растворимость вещества.

Цель работы:

научиться выращивать кристаллы соли и других веществ в домашних условиях

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?

Зачем необходимо в начале эксперимента нагревать воду?

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: ..

Разностью потенциалов или напряжением U между двумя точками  называется работа, которая совершается полем при перемещении единичного электрического заряда между этими точками:              .

Электрическое сопротивление R  - физическая величина, характеризующая способность проводника противодействовать прохождению электрического тока. Сопротивление однородного проводника цилиндрической формы определяется по формуле: .

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 его сопротивлению:                  Отсюда               (1)

Закономерности последовательного соединения:

               ,                                   

Закономерности параллельного соединения:

                                       ,                                ,        

 (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

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

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. 2-6. 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

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?

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

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

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:    (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 цепи. Поэтому  (2). Для измерения силы тока в цепи можно использовать школьный амперметр со шкалой 0-2 А. Максимальные погрешности измерений внутреннего сопротивления источника тока определяются по формулам: ,  .

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: ....%,

....%.

8.                  Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений

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?

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

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 (В = 0) равен нулю 2) в конечном положении витка:

Изменение магнитного потока в единицу времени:

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

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

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

Таблица 3. Результаты измерений

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

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

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.

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

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

Груз, подвешенный на стальной пружине и выведенный из положения равновесия, совершает под действием силы тяжести и силы упругости пружины гармонические колебания. Собственная

сведения:

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

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?

Каким был бы результат опыта в условиях невесомости?

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; лазерный источник света; 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:

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?

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 < λ, где d – размер препятствия, λ - 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).

Структурнологическая схема

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

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 вплотную к глазу.

2.                  Посмотрите сквозь щель на нить лампы, установленную на демонстрационном столе или Солнце, 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

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?

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