Лабораторный практикум по физике

БОУ СПО ВО «Череповецкий строительный техникум имени А. А. Лепехина» Ганичева Е. Н. Лабораторный практикум  по физике Методические рекомендации для обучающихся и студентов при выполнении лабораторного практикума. 1 Череповец 2012 Лабораторный   практикум   по   физике   методические   рекомендации   для обучающихся   и   студентов   при   выполнении   лабораторного   практикума. /Составитель:   Ганичева   Е.   Н./   ­   Череповец:   «Череповецкий   строительный техникум имени А. А. Лепехина», 2012. – 58 с Рецензенты: Швец Р. П. – преподаватель математики, высшая категория Лагунова Л. Л. – зав. кабинетом математики, физики и астрономии. 2 В пособии представлены подробные описания практических работ для проведения   лабораторного   практикума   на   базе   основного   общего   полного (среднего) образования. Содержание   работ   ориентировано   на   развитие   экспериментальных умений   учащихся,   осознанное   выполнение   опытов,   осмысленную   трактовку полученных результатов. Все   работы   проводятся   с   использованием   типового   учебного оборудования. Пособие   предназначено   для   студентов   учреждений   среднего профессионального и  обучающихся начального профессионального образования. Пособие   включает     19   практических   работ.  Описание   каждой   работы включает в себя: ­ четко сформулированную цель ее выполнения; ­ теоретическое введение, в котором указано, какой учебный материал лежит в основе содержания работы; ­ список необходимого оборудования; ­ описание установки, особенности монтажа и настройки приборов для проведения опытов; ­ последовательность действий для достижения цели; ­ контрольные вопросы. Сведения,   необходимые   для   оценки   погрешности   выполненного измерения содержатся во «Введении». Приборы и принадлежности, рекомендованные для выполнения работ. В основном   подобраны   из   «Перечня   типового   оборудования   кабинета   физики образовательной школы» 3 Содержание. Введение Практическая работа №1  Исследование соотношения перемещений  при равноускоренном движении …………………………………………………...14 Практическая работа №2 Изучение зависимости ускорения от  действующей силы и массы тела при равномерном движении  по окружности .................................................................................................…16 Практическая работа №3 Изучение закона сохранения импульса  при упругом ударе шаров…………………………………………………….……..18 Практическая работа №4 Сравнение работы силы упругости с  изменением кинетической энергии тела…………………………………….…..…20 Практическая работа №5 Изучение колебаний пружинного маятника…….…...23 Практическая работа №6 Измерение коэффициента трения скольжения…...…..25 Практическая работа №7 Определение площади комнаты с помощью  математического маятника……………………………………………………….…27 Практическая работа №8Определение атмосферного давления……………..…..29 Практическая работа №9Определение числа молекул в металлическом теле….31 Практическая работа №10 Определение удельной теплоемкости свинца  путем совершения работы…………………………………………………….…….33 Практическая работа №11 Определение удельной теплоты  парообразования воды………………………………………………………………35 Практическая работа №12 Измерение поверхностного натяжения  воды методами отрыва капель и поднятия жидкости в капилляре…………..…..38 Практическая работа №13  Измерение разрушающего напряжения металла…..42 Практическая работа №14  Определение максимальной электроемкости  воздушного конденсатора переменной емкости………………………………......44 Практическая работа № 15 Исследование зависимости сопротивления . металлов от температуры………………………………………………...…………46 Практическая работа №16 Определение высоты предмета с помощью  плоского зеркала…………………………………………………………………….48 Практическая работа №17 Определение скорости света в различных  веществах с помощью сферических линз……………………………...…………..50 Практическая работа №18 Изучение явления интерференции на примере  стоячей волны…………………………………………………………..……………52 Практическая работа №19 Исследование фоторезистора……………..………….54 Приложения……………………………………………………………………….....56 4 5 6 7 8 9 10 11 Правила построения графиков   Графическое   представление   информации   бывает   весьма   полезным именно в силу своей наглядности. По графикам можно определять характер функциональной   зависимости,   определять   значения   величин.   Графики позволяют сравнить результаты, полученные экспериментально, с теорией. На   графиках   легко   находить   максимумы   и   минимумы,   легко   выявлять промахи и т. д. 1.   График   строят   на   бумаге,   размеченной   сеткой.   Для   ученических практических работ лучше всего брать миллиметровую бумагу. 2.   Особо   следует   сказать   о   размере   графика:   он   определяется   не размером   имеющегося   у   вас   кусочка   «миллиметровки»,   а   масштабом. Масштаб выбирают прежде всего с учетом интервалов измерения (по каждой оси он выбирается отдельно). 3.   Если   планируете   некую   количественную   обработку   данных   по графику,   то   экспериментальные   точки   надо   наносить   настолько «просторно»,   чтобы   абсолютные   погрешности   величин   можно   было изобразить   отрезками   достаточно   заметной   длины.   Погрешности   в   этом случае   отображают   на   графиках   отрезками,   пересекающимися   в экспериментальной   точке,   либо   прямоугольниками   с   центром   в экспериментальной   точке.   Их   размеры   по   каждой   из   осей   должны соответствовать выбранным масштабам. Если погрешность по одной из осей (или по обеим осям) оказывается слишком малой, то предполагается, что она отображается на графике размером самой точки. 4.   По   горизонтальной   оси   откладывают   значения   аргумента,   по вертикальной   ­   значения   функции.   Чтобы   различать   линии,   можно   одну проводить сплошной, другую ­ пунктирной, третью ­ штрихпунктирной и т.п. Допустимо выделять линии различным цветом. Вовсе не обязательно, чтобы в точке пересечения осей было начало координат 0:0). По каждой из осей можно отображать только интервалы измерения исследуемых величин. 5.   Когда   приходится   откладывать   по   оси   «длинные»,   многозначные числа, лучше множитель, указывающий порядок числа, учитывать при записи обозначения. 6. На тех участках графика, где имеются некие особенности, такие как резкое изменение кривизны, максимум , минимум, перегиб и др., следует брать   большую   густоту   экспериментальных   точек.   Чтобы   не   пропустить такие особенности, есть смысл строить график сразу во время эксперимента. 7. В ряде случаев удобно пользоваться функциональными масштабами. В   этих   случаях   на   осях   откладывают   не   сами   измеряемые   величины,   а функции этих величин. 12 8.  Проводить линию «на глаз»  по экспериментальным  точкам всегда довольно   сложно,   наиболее   простым   случаем,   в   этом   смысле,   является проведение   прямой.   Поэтому   посредством   удачного   выбора функционального масштаба можно привести зависимость к линейной. 9. Графики обязательно нужно подписывать. Подпись должна отражать содержание графика. Следует объяснить в подписи либо основном тексте изображенные на графике линии. 10.   Экспериментальные   точки,   как   правило,   не   соединяются   между собой ни отрезками прямой, ни произвольной кривой. Вместо этого строится теоретический   график   той   функции   (линейной,   квадратичной, экспоненциальной,   тригонометрической   и   т.д.),   которая   отражает проявляющуюся в данном опыте известную или предполагаемую физическую закономерность, выраженную в виде соответствующей формулы.  11. В лабораторном практикуме встречаются два случая: проведение теоретического   графика   преследует   цель   извлечения   из   эксперимента неизвестных   параметров   функции   (тангенса   угла   наклона   прямой, показателя экспоненты и т.д.), либо делается сравнение предсказаний теории с результатами эксперимента. 12. В первом случае график соответствующей функции проводится "на глаз"   так,   чтобы   он   проходил   по   всем   областям   погрешности   возможно ближе к экспериментальным точкам. Существуют математические методы, позволяющие   провести   теоретическую   кривую   через   экспериментальные точки в определенном смысле наилучшим образом. При проведении графика 13 "на   глаз"   рекомендуется   пользоваться   зрительным   ощущением   равенства нулю   суммы   положительных   и   отрицательных   отклонений   точек   от проводимой кривой. 13. Во втором случае график строится по результатам расчетов, причем расчетные   значения   находятся   не   только   для   тех   точек,   которые   были получены  в опыте, а с некоторым шагом по всей области измерений для получения   плавной   кривой.   Нанесение   на   миллиметровку   результатов расчетов   в   виде   точек   является   рабочим   моментом   ­   после   проведения теоретической кривой эти точки с графика убираются. Если в расчетную формулу   входит   уже   определенный   (или   заранее   известный) экспериментальный   параметр,   то   расчеты   проводятся   как   со   средним значением параметра, так и с его максимальным и минимальным (в пределах погрешности) значениями. На графике в этом случае изображается кривая, полученная со средним значением параметра, и полоса, ограниченная двумя расчетными   кривыми   для   максимального   и   минимального   значений параметра. 14 Практическая работа №1 Исследование соотношения перемещений при равноускоренном движении Цель работы:  экспериментально подтвердить, что при равноускоренном прямолинейном движении пути, проходимые телом за последовательные равные отрезки времени, соотносятся как непрерывный ряд нечетных чисел.  Оборудование: секундомер, желоб, стальной шарик, металлический брусок, опора желоба, укладочный пенал. Содержание и метод выполнения работы. 1. Прямой желоб, один конец которого закрепить несколько выше другого (3­4  см). Шарик  должен  скатываться  от края  до края  желоба за  4­5 секунд. Шарик, скатываясь по желобу, ударяется о брусок.  2. В соответствии с выводами теории шарик, двигаясь равноускоренно из состояния   покоя   по   прямой   траектории,   за   два   одинаковых   отрезка времени,   которые   следуют   друг   за   другом,   должен   совершить перемещения, которые соотносятся как 1:3. Этот вывод и проверяют в работе. 4. 3. Определить время, за которое шарик совершит перемещение в 12 см. Измерения   провести   несколько   раз   и   вычислить   среднее   значение времени. Затем несколько раз измеряют время перемещения шарика из той же точки   на   расстояние   48   см   и   также   находят   его   среднее   зна­ чение.Движение на отрезке длиной 48 см состоит из двух этапов. Пер­ вый включает движение на отрезке 12 см, время которого уже известно. Второй этап ­ на оставшемся отрезке длиной в 36 см (втрое длиннее первого).  5. Измерив   общее   время   движения   на   отрезке   в   48   см   и   зная   время движения на первом отрезке в 12 см, можно определить, какое время затратил   шарик   на   движение   по   участку   в   36   см.   Если   это   время окажется таким же, как и время движения по первому участку, то вывод теории можно считать справедливым. Сделать   вывод   по   полученным   результатам,   о   том,   что  соотношение перемещений,   совершенных   за   одинаковые   промежутки   времени равноускоренно движущимся телом как 1:3:5:... является общим признаком равноускоренного   прямолинейного   движения.  Оно   не   зависит   ни   от   величин перемещений, ни от ускорения движения тела. 15 Сделайте вывод. Контрольные вопросы  1.  Какие из приведенных зависимостей описывают равноускоренное движение? 1) х =3 + 2t; 2) х = 4 + 2t; 3) V = 5; 4) х = 8 – 2t – 4t2; 5) х = 10 + 5t2. 2.   Зависимость   от   времени   координаты   точки,   движущейся   вдоль   оси   х, имеет вид:  х  == 3 ­ 0,4t. Опишите характер движения. Запишите уравнение для проекции скорости. 3.  Ускорение тела равно ­5 м/с2. Как это понимать? Объясните. 4.  Проекция скорости движения задана уравнением  vx = 8 – 2t.   Запишите уравнение для проекции перемещения и определите, через какое время скорость тела станет равной нулю. 5.  Уклон длиной 100 м лыжник прошел за 20 с, двигаясь с ускорением 0,3 м/с2. Какова скорость лыжника в начале и в конце уклона? 16 Практическая работа №2 Изучение зависимости ускорения от действующей силы и массы тела при равномерном движении по окружности. Цель работы: установить зависимость ускорения от действующей милы и массы тела при движении по окружности. Оборудование: 1)динамометр учебный с трубкой; 2) секундомер; 3) весы учебные со штативом; 4)набор гирь; 5) пробки резиновые разной массы с отверстиями; 6) леска или прочная нить. Содержание и метод выполнения работы. Второй закон Ньютона утверждает, что ускорение тела прямо пропорционально действующей силе и обратно пропорционально массе тела. а=F/m                                                              (1) для экспериментальной проверки этого закона необходимо измерить ускорение а, с каким движется тело массой m под действием силы F. Движение тела по окружности радиуса  R с постоянной по модулю скоростью υ происходит под действием постоянной по модулю силы F, направленной к центру окружности. При этом модуль центростремительного ускорения а тела связан с модулем линейной скорости  а=υ2/R                                                             (2) если осуществить движение тела известной массы m по окружности радиусом R с постоянной скоростью   и измерить силу, являющуюся причиной возникновения центростремительного   ускорения,   то   можно   экспериментально   проверить выполнение равенства   и радиусом окружности  R выражением  υ υ F/m=υ2/R,                                                              (3) Которое следует из уравнений (1) и (2). Порядок выполнения работы. I. Исследование   зависимости   ускорения   от   массы   движущегося тела при постоянной движущей силе. 1. Измерьте массы резиновых пробок m1  и  m2. 17 2. Привяжите пробку массой  m1 к одному концу нити длиной 30 – 40 см. второй   конец   нити   пропустите   через   трубку   укрепленную   на   планке динамометра, и привяжите к крючку. 3. Приведите   пробку   во   вращательное   движение   в   горизонтальной плоскости. Установите такую постоянную скорость движения пробки по окружности, при которой сила упругости равна 2 Н. 4. Измерьте   время  t1  за   которое   пробка   совершает   20   оборотов   по окружности. 5. Повторите опыт с пробкой массой m2  6. Вычислите   отношение   центростремительных   ускорений   пробок   под действием одинаковых сил.  Пробки проходят одинаковые пути. 7. На основании второго закона Ньютона модуль ускорения равен                                      (4) а1 =F1/m1, а2=F2/m2. Отсюда   отношение   центростремительных   ускорений   при   одинаковом числовом значении действующих сил равно а1/а2=m2/m2                                                         (5) 8. Оцените границы погрешностей измерений отношений (4)  и  (5). 9. Сравните отношение ускорений (4), полученное из опыта, с отношением ускорений (5).  10. Сделайте вывод. II. Исследование зависимости ускорения от действующей силы при постоянной массе. 1. Привяжите к нити пробку любой массы, например m1 и приведите ее во вращение   в   горизонтальной   плоскости.   Добейтесь   равномерного вращения   пробки   по   окружности   при   постоянном   значении   силы упругости 2Н.  2. Измерьте   время   за   которое   пробка   совершает   20   оборотов,   и   радиус окружности, по которой она движется. 3. Вычислите ускорение пробки по второму закону Ньютона а=F/m (6) 4. Оцените погрешности измерений ускорения. 5. Вычислите   центростремительное   ускорение   пробки   по   времени   ее движения и радиусу окружности: 18 (7) 6. Сравните ускорения. 7. Повторите опыт при другом числовом значении силы упругости . 8. Учитывая границы погрешности.  9. Сделайте вывод. Контрольные вопросы: 1. Как в данной работе измеряется сила, действующая на тело? 2. Как   измеряется   ускорения   тела,   движущегося   равномерно   по окружности? 3. Почему   при   выполнении   опытов   осуществляется   вращение   пробки   в горизонтальной плоскости, а не в вертикальной? Практическая работа №3 Изучение закона сохранения импульса при упругом ударе шаров. Цель работы: проверить выполнение закона сохранения импульса при упругом  ударе шаров. Оборудование: 1) штатив; 2) лоток дугообразный; 3) шары диаметром 25 мм – 3  шт; 4) линейка измерительная; 5) листы белой и копировальной бумаги; 6) весы с  набором гирь. Содержание и метод выполнения работы. По закону сохранения импульса при любых взаимодействиях тел векторная  сумма импульсов до взаимодействия равна векторной сумме импульсов тел после взаимодействия. В справедливости этого закона можно убедиться на опыте,  исследуя столкновения шаров на установке, изображенной на рисунке  19 Для сообщения шару определенного импульса в горизонтальном направлении  используют наклонный лоток с горизонтальным участком. Шар скатившись с  лотка движется по параболе до удара о поверхность стола. Горизонтальные  составляющие скорости шара и его импульса во время свободного падения не  изменяются, так как нет сил действующих в этом направлении. Определив  импульс первого шара до столкновения, ставят на краю лотка второй шар и  запускают первый шар таким же образом, как и в первом опыте. После  соударения в горизонтальном направлении слетают с лотка оба шара. По закону  сохранения импульса сумма импульсов первого и второго шаров до столкновения должна быть равной сумме импульсов этих шаров после столкновения:  Если оба шара после столкновения движутся вдоль одной прямой и в том же  направлении, в каком двигался первый шар до столкновения, то от векторной  формы записи можно перейти к алгебраической:                                                      (1) Так как скорость второго шара  до столкновения равна нулю, то выражение  упрощается  (2)                                                    (3) Порядок выполнения работы. Задание 1. Исследование центрального удара 1. Измерьте массы шаров с помощью весов 20 2. Укрепите лоток в лапке штатива таким образом, чтобы горизонтальная составляющая находилась на расстоянии 20 см от поверхности стола. На столе положите лист белой, а затем копировальной бумаги. 3. Возьмите шар большей массы, установите его у верхнего края наклонной части   лотка.   Отпустите   шар   и   по   отметке   на   листе   белой   бумаги определите его дальность полета в горизонтальном направлении. Опыт повторите три раза и найдите среднее значение дальности полета. 4. Зная высоту края лотка, вычислите время падения шара затем   горизонтальные   составляющие   его   скорости импульса р=m .υ          ,   и 5. Установите на краю  лотка второй шар и осуществите запуск  первого шара таким же образом, как и в первом опыте. По отметкам на бумаге найдите дальности полета шаров. Опыт повторите три раза и найдите среднее значения дальности полета шаров. 6. По   найденным   числовым   значениям   дальностей   полетов   вычислите числовые значения скоростей и импульсов шаров 7. Сравните импульс первого шара до столкновения с суммой импульсов двух шаров после столкновения. 8. Оцените границы погрешностей измерений и вычислений. 9. Сделайте вывод. Контрольные вопросы: 1. Что называется импульсом тела? 2. При каких условиях выполняется закон сохранения импульса? 3. Выходят ли обнаруженные в опыте отклонения от закона сохранения  импульса за пределы границ погрешностей измерений? Сравнение работы силы упругости с изменением кинетической энергии тела. Практическая работа №4 Цель работы: проверить выполнение закона сохранения энергии. Оборудование: 1) штативы – 2 шт; 2) динамометр; 3) шар; 4) нитки; 5) линейка  измерительная; 6) весы с набором гирь. Содержание и метод выполнения работы 21 Теорема   о   кинетической   энергии   утверждает,   что   работа   силы,   равна   изменению   кинетической   энергии приложенной   к   телу, тела: ЕА  k 1 E k 2  E k Для   экспериментальной   проверки   этого   утверждения   можно   вос­ пользоваться установкой, изображенной на рисунке 1.   лапке В штатива закрепляют горизонтально динамометр.   К его   крючку привязывают шар   на   нити длиной   60—80 см.   Па   другом штативе   на такой же высоте, как и динамометр, закрепляют лапку. Установив шар на краю лапки,   штатив   вместе   с   шаром   отодвигают   от   первого   штатива   на   такое расстояние, чтобы на шар действовала сила упругости Fynp со стороны пружины ди­ намометра. Затем шар отпускают. Под действием силы упругости шар приобретает скорость , его кинетическая энергия изменяется от 0 до  2m . 2 Ek  2m 2 . Для определения модуля скорости v шара, приобретенной под действием силы упругости  Fупр,  можно измерить дальность  полета  s  шара  при свободном падении с высоты Н: S t ,  t H 2 g . Отсюда  модуль  скорости  v  равен:    gS H 2 ,   а    изменение кинетической энергии равно    Ek  2 m 2  2 gmS 4 H . 22 Сила упругости во время действия  на шар по закону Гука  изменяется линейно от  Fупр 1  F  2 упр 1 Н  до Fynp2=0, среднее значение силы упругости равно   F 2 1 упр 2  F упр 2 . F упрср Измерив   деформацию пружины  динамометра  x, можно вычислить работу силы упругости:  FА  упрср x xF упр 1 . 1 2 1 2 Задача настоящей работы состоит в проверке равенства А  kЕ , т.е.  Fупр 1  x 2 gmS 4 H . Порядок выполнения работы 1.  Укрепите на штативах динамометр и лапку для шара на  одинаковой высоте Н = 40 см от поверхности стола. Зацепите за крючок динамометра нить с привязанным шаром. 2. Удерживая шар на лапке, отодвигайте штатив до тех пор, пока показание динамометра станет равным 2 Н. Отпустите шар с лапки и заметьте место его падения на столе. Опыт повторите 2—3 раза   и   определите среднее   значение дальности  полета S  шара.  3.   Измерьте   массу   шара   с   помощью   весов   и   вычислите   изменение кинетической энергии шара под  действием силы упругости: 2 gmS 4  2 m 2  Ek  H 4. Измерьте   деформацию   пружины   динамометра  х  при   силе упругости 2 Н. Вычислите работу А силы упругости: 1 2 FА упрср  x xF упр 1 5. Оцените   границы   погрешности   определения   значении   изменения кинетической энергии  kE  и работы А силы упругости. Динамометр имеет погрешность  Д = 0,05H, погрешность m =0,02 кг,  g м 2с =0,02 . Относительная погрешность изменения кинетической энергии  H H Абсолютная погрешность изменения кинетической энергии  m m  лE  g g  S S     2 23  ( E  ) E k k  E k 6. Сравните   полученные   значения   работы   А   силы   упругости   и   изменения кинетической энергии   Ек шара.  7. Сделайте вывод. Контрольные вопросы: 1. Что такое энергия? 2. 3. 4. При каком условии работу переменной силы можно вычислять. Приняв в  Запишите закон сохранения и превращения энергии. Запишите теорему о кинетической энергии. качестве среднего значения силы полусумму начального и конечного  значения? Практическая работа №5 Изучение колебаний пружинного маятника. Цель   работы:  выяснить   отклонения   от   расчётного   значения   собственной частоты   колебаний   пружинного   маятника   от   частоты,   полученной экспериментально. 24 Оборудование:  набор грузов; держатель со спиральной пружиной; штатив для фронтальных работ; метр демонстрационный; секундомер карманный или часы с секундной стрелкой. Содержание и метод выполнения работы Груз,   подвешенный   на   стальной   пружине   и   выведенный   из   состояния   покоя, совершает  под действием сил тяжести  и упругости гармонические колебания. Собственная   частота   колебаний   такого   пружинного   маятника   определяется выражением                                                               Где k – жесткость пружины, m­ масса тела. Задача   данной   рабы   заключается   в   том,   чтобы   экспериментально   проверить полученную   теоретически   закономерность.   Для   решения   это   задачи   сначала необходимо   определить   жесткость   пружины,   массу   груза   и   вычислить собственную   частоту   и   период   маятника.   Затем,   подвесив   груз     на   пружину, экспериментально проверить полученный результат.                                 Порядок выполнения работы: 1. Запишите   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. m,кг ω­ω0       ω № опыта F,H   X,м k, H/м          k ωo=√—          m Δt,c       2 nπ ω=――        Δt 1 2   2. Укрепите пружину с держателем в лапке штатива и подвесьте к ней груз массой 100гр. Рядом с грузом укрепите вертикально измерительную ленту и отметьте начальное положение груза. 3. Подвесьте к пружине два груза массой по 100гр. И измерьте её удлинение *х,   вызванное   действием   силы  F=2H.   По   измеренному   удлинению   *х   и известной силе F жёсткость пружины равна:                                       k= F                                               Δx 4.Зная   жёсткость   пружины,   вычислите   собственную   частоту   колебания   ω0  и период T0  пружинного маятника m=200 и 400гр. 5.Подвесьте   к   пружине   2   груза  m=100гр.,   выведите   пружинный   маятник   из положения   равновесия,   сместив   его   на   5­7см   и   экспериментально   определите   25 ω t,   за   маятника.   Для   этого   измерьте   интервал   времени   Δ частоту   колебания   который маятник совершает 20 полных колебаний, и произведите расчёт по формуле:                                                    2 nπ ω ――                                                =                                                     Δt 6.Такие же измерения и вычисления выполните с маятником m=400гр. 7.Выясните   отклонения   от   расчётного   значения   собственной   частоты   ω0 колебаний пружинного маятника от частоты  , полученной экспериментально, и результаты измерения и вычисления занесите в таблицу. 8. Оцените границы погрешностей измерений и вычислений 9.Сделайте вывод Контрольные вопросы: , где  n­число колебаний ω 1. 2. 3. 1.По   какому   закону   происходит   колебание   тела   подвешенного   на пружине? 2.Зависит   ли   частота   колебаний   пружинного   маятника   от   амплитуды колебаний? 3.Каким был бы результат опыта в условиях невесомости? 26 Практическая работа №6 Измерение коэффициента трения скольжения Цель   работы:  установить   зависимость   силы   трения   скольжения   от величины силы нормального давления.  Оборудование: динамометр, металлический брусок, грузы по 100 г (3 шт.), укладочный пенал. В работе измеряют силу трения скольжения между поверхностями бруска и резиновой полоски, приклеенной к внутренней поверхности крышки укладочного пенала. Из укладочного пенала извлекают необходимое для работы оборудование, крышку   пенала   переворачивают   и   устанавливают   на   место.   При   этом   полоса резины,   наклеенная   на   крышку,   оказывается   сверху.   В   дальнейшем   пенал используют как основание экспериментальной установки. Вначале   брусок   и   грузы   поочередно   подвешивают   к   динамометру   и определяют их вес. Далее ученики располагают перед собой укладочные пеналы. Вблизи одного из краев крышки пенала на резиновую полоску кладут брусок. Брусок зацепляют крючком   динамометра,   который   удерживают   рукой   горизонтально   над поверхностью крышки. Вид экспериментальной установки на этом этапе работы показан   на   рисунке.   Потянув   за   динамометр,   равномерно   перемещают   брусок вдоль поверхности крышки. Динамометр   покажет   при   этом   значение   силы   трения   скольжения. Показание   динамометра   записывают.   Опыт   повторяют   еще   три   раза, устанавливая   на   бруске   поочередно   один,   два   и   три   груза.   Каждый   раз записывают общий вес бруска и грузов и значение силы трения. Результаты опытов заносят в таблицу. 27 В таблице:  Fб  ­ сила тяжести, действующая на брусок;  Fг   ­ сила тяжести, действующая на грузы;  Fбг ­ сила тяжести, действующая на брусок с грузами (при горизонтальной ориентации поверхностей она равна силе нормального давления бруска на поверхность крышки);  Fтр  – сила   трения между бруском и крышкой (определяется по показанию динамометра при равномерном перемещении бруска по крыше). По   данным   измерений   строят   график   зависимости   силы   трения   от   силы нормального   давления   на   поверхность   крышки,   которая   определяется суммарным весом бруска и грузов. Затем   определить   по   построенному   графику   коэффициент   трения скольжения.   Исследовать   зависимость   силы   трения   от   качества   поверхности соприкасающихся   тел.   Для   этого   опыт   повторяют,   перемещая   брусок   не   по резине, а по поверхности самой крышки. Оцените границы погрешностей измерений   Сделать выводы. Контрольные вопросы  1. Автобус массой 15т движется так, что его скорость изменяется по закону  vx  = 0,7t.Найдите силу тяги, если коэффициент сопротивления движению равен 0,03.  2. При каком ускорении разорвётся трос при подъёме груза массой 500кг, если максимальная сила натяжения, которую выдерживает трос, не разрываясь, равна 15кН?  3. Два шара связаны нитью, перекинутой через неподвижный блок. Массы шаров 2кг и 6кг. Определите силу упругости и путь, пройденный каждым шаром за 1с. Начальную скорость принять равной нулю.   4.  С  вершины  наклонной  плоскости,  имеющей   длину   10м   и высоту   5м, начинает   двигаться     без   начальной   скорости   тело.   Какое   время   будет продолжаться   движение   тела   до   основания   наклонной   плоскости,   и   какую скорость оно будет иметь в конце спуска? Коэффициент трения между телом и плоскостью 0,2.  5. С какой скоростью должен лететь самолёт в верхней точке «Мёртвой петли», чтобы лётчик был невесомым, если радиус петли 360м? 28 Практическая работа №7 Определение площади комнаты с помощью математического маятника Цель   работы:  Определить   площадь   комнаты   с   помощью   математического маятника Оборудование:  1) нитки4 2) пластилин; 3)штатив; 4) измерительная лента; 5) секундомер.  Содержание и метод выполнения работы.  Площадь комнаты определяется как произведение ее длины и ширины, найденных с помощью математического маятника. Период   колебаний   математического   маятника   определяется   по формуле  9,81 м/с2 – ускорение свободного падения, T – период колебаний маятника (с).  где l – длина нити математического маятника (м), g = Следовательно, длина нити маятника равна Если   взять   нить   длиной l,   равной   длине   комнаты,   сложить   ее   n   раз,   чтобы образовалась веревочка длиной   1–1,5 м, подвесить груз (пластилин) и измерить период   колебаний   T   получившегося   математического   маятника,   то   искомую длину комнаты l можно рассчитать по формуле: 29 Аналогично   можно   найти   ширину   комнаты,   а   затем   и   ее   площадь   –   как произведение длины на ширину. Оборудование:   штатив   с   муфтой   и   лапкой;   часы   с   секундной   стрелкой;   груз (пластилин); нить. Порядок выполнения работы 1.   Подготовьте   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2. Отмерьте нить длиной, равной длине комнаты. 3. Сложите нить в n раз так, чтобы образовавшаяся веревочка имела длину около  1–1,5 м. 4. Подвесьте пластилин и получите математический маятник. 5. Отклоните маятник от положения равновесия и измерьте время t, за которое  маятник сделает N полных колебаний (например, N = 20).   рассчитайте период колебания маятника. 6. По формуле  7. По формуле (2) определите длину комнаты l. 8. Аналогично определите ширину комнаты. 9. Вычислите площадь комнаты. 10. Оцените погрешность измерений и сделайте вывод. Дополнительное   задание. измерительной ленты и сравните результаты.   Определите   площадь   комнаты   с   помощью Контрольные вопросы 1. Что такое математический маятник? Какими параметрами он  характеризуется? 2. Какие факторы влияют на точность измерений в данной работе? 30 3. Проведите аналогию между механическими и электромагнитными  колебаниями. Практическая работа №8 Определение атмосферного давления Цель работы: определить атмосферное давление по изотермическому изменению столба жидкости. Оборудование:  1) штатив; 2) две стеклянные трубки; 3) резиновый шланг; 4) линейка. Содержание и метод выполнения работы. Атмосферное   давление   определяется   по   изотермическому   изменению   объема столба воздуха. В   открытой   с   обоих   концов   U­образной трубке давление в обоих коленах одинаково и   равно   атмосферному   .   Если,   перемещая правое   колено,   установить   в   левом   колене уровень   воды   на   расстоянии l1 от   верхнего конца,   то   объем   воздуха   в   левом   колене будет     V1 =   Sl1,   где   S   –   площадь   сечения трубки.   Если   теперь,   закрыв   это   колено пластилиновой   пробкой,   начать   опускать правое   колено,   то   длина   столба   воздуха   в левом   колене   будет   увеличиваться,   а   его давление   соответственно   уменьшаться, поскольку   теперь   атмосферное   давление   уравновешивается   еще   и   давлением столба воды высотой Dh. Когда трубка примет вертикальное положение, высота столба воздуха будет l2, а его объем V2 = Sl2. Процесс расширения воздуха можно считать изотермическим. Уравнение процесса запишется так: 31 pаV1 = (pа – Dp)V2,            (1) где Dp = rgh, откуда легко найти атмосферное давление: Оборудование:  прозрачная   эластичная   трубка   или   две   стеклянные   трубки, соединенные резиновой;  пластилин; измерительная линейка с миллиметровыми делениями; стакан с водой. Порядок выполнения работы 1.   Подготовьте   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2. Налейте в трубку воду и измерьте высоту l1 столба воздуха в левом колене при открытых обоих коленах. 3. Аккуратно закройте пластилином левое колено и осторожно опустите правое  колено, придав трубке вертикальное положение. 4. Измерьте высоту l2 столба воздуха в левом колене. 5. Измерьте высоту столба воды в трубке и по формуле (2) рассчитайте значение  атмосферного давления. Плотность воды принять равной 1000 кг/м3, ускорение  свободного падения 9,81 м/с2. 6. Повторите опыт 2–3 раза и вычислите среднее значение атмосферного  давления. 7. Если в вашем распоряжении имеется барометр­анероид, сравните полученный  результат с его показаниями. 8. Оцените погрешность проведенных измерений и сделайте вывод. 32 Дополнительное задание. Предложите способы повышения точности измерения атмосферного давления. Контрольные вопросы 1. Возможен ли опыт Торричелли с использованием вместо ртути любой другой жидкости? 2. Чем обусловлено существование атмосферного давления на Земле? Почему с увеличением высоты давление уменьшается? Практическая работа №9 Определение числа молекул в металлическом теле Цель   работы:   сформировать   умение   измерения   числа   молекул   любого количества вещества массой m и молярной массой М. Оборудование:  металлические   предметы   правильной   геометрической   формы, линейка, справочные таблицы. Содержание и метод выполнения работы. 1. Записать формулу числа молекул любого количества вещества массой m и молярной массой М. 2. Для   определения   массы   записать   формулу   зависимости   массы   от плотности вещества. 3. Сделать необходимые измерения для вычисления объёма тела. 4. В справочных таблицах найти плотности веществ. 5. Перевести все единицы в систему СИ. 6. Произвести расчёт числа молекул. 7. Оцените границы погрешностей измерений и вычислений 8. Сделайте вывод Контрольные вопросы  33 1.  Как   изменится   средняя   кинетическая   энергия   теплового   движения   молекул идеального   газа   при   увеличении   абсолютной   температуры   в   2   раза?   Выберите правильный ответ. 2.   При   нагревании   идеального   газа   средняя   кинетическая   энергия   теплового движения молекул увеличилась в 3 раза. Как изменилась при этом абсолютная температура газа? Выберите правильный ответ. А. Увеличится в 4 раза.  Б. Уменьшится в 4 раза.  В. Увеличится в 2 раза. А. Увеличилась в √3 раз. Б. Увеличилась в 3 раза. В. Увеличилась в 9 раз. 3. Абсолютная температура идеального газа увеличилась в 4 раза, а концентрация молекул   осталась   неизменной.   Как   изменилось   давление   газа?   Выберите правильный ответ. А. Давление газа осталось неизменным.  Б. Давление газа увеличилось в 2 раза. В. Давление газа увеличилось в 4 раза. 4. Средняя кинетическая энергия молекул идеального газа увеличилась в 2 раза при неизменной концентрации. Выберите правильное утверждение.          А. Средняя квадратичная скорость молекул газа увеличилась в 2 раза. Б. Температура газа увеличилась в 2 раза. В. Давление газа увеличилось более чем в 2 раза. 5. Абсолютная температура идеального газа увеличилась в 3 раза при неизменной концентрации. Выберите правильное утверждение.           А. Средняя кинетическая энергия молекул газа увеличилась в √3 раз.                  Б. Давление газа увеличилось в 3 раза.          В. Средняя квадратичная скорость молекул газа увеличилась в 9 раз. 34 Практическая работа № 10 Определение удельной теплоемкости свинца путем совершения работы Цель   работы:  измерить   удельную   теплоемкость   свинца   (дробинок)   путем совершения работы. Оборудование:  1)свинец (дробь) 0,15­0,2кг, 2)картонная трубка, 3)термометр, 4)линейка, 5)весы и набор гирь Содержание и метод выполнения работы. Измерение удельной теплоемкости свинца основано   на использовании явления нагревания   твердых   тел   при   пластической   деформации.   Для   этой   цели   в картонный   цилиндр   насыпается   дробь   с   известной   температурой.   Затем вертикально расположенный картонный цилиндр резко переворачивают на 1800. Поднятая на высоту h дробь падает и ее потенциальная энергия превращается в кинетическую. При   достижении   дна   цилиндра   кинетическая   энергия   дроби   расходуется   на пластическую   деформацию,   что   приводит   к   увеличению   внутренней   энергии. 35 Потерями   тепла   пренебрегаем, теплопроводностью. Повороты цилиндра повторяем 100 раз. Если цилиндр переворачивается N раз, то увеличение внутренней энергии дроби будет равно:     так   как   картон   обладает   плохой                                                       (1) Измерив   температуру   в   начале   опыта   и   по   его   окончании,   можно   выразить изменение   внутренней   энергии   дроби   через   количество   теплоты,   которое потребовалось   бы   для   такого   изменения   внутренней   энергии   дроби теплопередачи:                                                  (2) Из выражений 1 и 2 удельная теплоемкость свинца может быть определена через работу, совершаемую при пластической деформации дроби, ее массу и изменение температуры:                                   (3) Порядок выполнения работы. 1. Измерьте   температуру   дроби   Т1,   погрузив   в   нее термометр на время не менее 3 мин.  2. Открыв картонный цилиндр, измерьте линейкой высоту дроби Н. 4. 3. Измерьте   длину   картонного   цилиндра     и   определите среднюю высоту падения дроби как расстояние между центрами масс дроби до и после переворачивания.                                          h= ɭ ­H Закройте   цилиндр   и   100   раз   переверните   его   вокруг ɭ горизонтальной оси. 5. Измерьте температуру дроби Т2, учитывая указания. 6. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 36 7. Через 15 – 20 мин повторите опыт Таблица: № п/п Н,м Т1, К  ,мɭ h, м N Т2,К Т1­ Т2 c, Дж/К*кг 1 2 8. Оцените границы погрешностей измерений и вычислений 9. Сделайте вывод. Сравните с табличными значениями. Контрольные вопросы: 1. Для чего наряду с понятием теплоемкости вводится понятие удельной теплоемкости?   Какой   из   этих   параметров   является   характеристикой вещества, а какой служит характеристикой тела? 2. Почему   опыт   по   определению   теплоемкости   описанным   методом рекомендуется проводить со свинцом? 3. Влияет   ли   на   точность   измерений   в   настоящей   работе   скорость   ее выполнения? Практическая работа №11 Определение удельной теплоты парообразования воды Цель  работы:  определение  удельной  теплоты  парообразования  по   изменению уровня воды при выкипании Оборудование: 4)линейка.  1)   калориметр;   2)вода;   3)   кипятильник   (электроплитка); Содержание и метод выполнения работы.  Удельная теплота парообразования воды определяется по изменению ее уровня в сосуде при выкипании. Процесс   передачи   энергии   от   одного   тела   к   другому   без   совершения   работы называется   теплообменом,   или   теплопередачей.   В   процессе   теплообмена   тело может либо принимать, либо отдавать энергию, которая называется количеством теплоты. 37 Чтобы   тело   массой   m1 нагреть   от   начальной   температуры   t1 до   конечной температуры t2, необходимо затратить количество теплоты Q1 = cm1(t2 – t1), где c – удельная теплоемкость вещества. Для превращения жидкости массой m2 в пар при   постоянной   температуре   ей   необходимо   передать   количество   теплоты Q2 = Lm2, где L – удельная теплота парообразования. Пусть вода нагревается электрокипятильником и вся работа электрического тока идет: 1) на нагревание воды от начальной температуры t1 до температуры кипения t2;   2)   на   последующее   превращение   некоторой   массы Dm   воды   в   пар.   Тогда, согласно закону сохранения энергии, для этих двух процессов можно записать: Pt1 = cm1(t2 – t1); (1) Pt2 = LDm, (2) где P – мощность кипятильника, c = 4190 Дж/(кг • К) – удельная теплоемкость воды,   m1 –   первоначальная   масса   воды,   t1 –   начальная   температура   воды,   t2 = 100 °С – конечная температура воды, t1 – время нагревания воды до температуры t2, L – удельная теплота парообразования воды, Dm – масса испарившейся воды, t2 – время, в течение которого вода массой Dm превратилась в пар. Если вода находится в цилиндрическом сосуде, то ее массу можно определить по формуле: m1 = rV1 = rSh1,                         (3) где r = 1000 кг/м3 – плотность воды, h1 – начальный уровень воды (рис. а), S – площадь   дна   сосуда.   Аналогично   можно   определить   массу   воды,   которая останется после испарения: m2 = rV2 = rSh2,            (4)             38 где h2 – уровень оставшейся воды (рис. б). Решая систему уравнений (1)–(4) и учитывая,   что Dm = m1 – m2,   получим   формулу   для   вычисления   удельной теплоты парообразования воды: Оборудование: цилиндрический сосуд (внутренний стакан калориметра); сосуд с водой; электрокипятильник; термометр; часы с секундной стрелкой; линейка с миллиметровыми делениями; лист поролона, скотч. Порядок выполнения работы. 1.   Подготовьте   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2.   Налейте   в   цилиндрический   сосуд   воду   и   измерьте   ее   температуру   t1 и начальный уровень h1. 3. Осторожно, соблюдая безопасность, опустите в воду кипятильник, включите его   и   измерьте   время t1,   в   течение   которого   вода   нагреется   до   температуры t2 = 100 °С и начнет кипеть. 4. Дайте воде покипеть в течение некоторого времени t2, после чего выключите кипятильник. 5. Измерьте уровень h2 оставшейся в сосуде воды. 6. Удельную теплоту парообразования воды рассчитайте по формуле (5). 7.   Сравните   полученный   результат   с   табличным   значением   и   рассчитайте погрешность измерений. 39 Дополнительное   задание.   Используя   предложенное   оборудование,   рассчитайте массу испарившейся воды и количество теплоты, которое пошло на ее испарение. Контрольные вопросы 1.   Удельная   теплоемкость   ртути   120 Дж/(кг • К),   удельная   теплота   ее парообразования   физически? 2. Какие потери энергии были допущены при проведении работы и как их можно было бы избежать?   0,29 МДж/кг.   Что   это   значит Практическая работа №12 Измерение поверхностного натяжения воды методами отрыва капель и поднятия жидкости в капилляре Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения неизвестной жидкости. Оборудование:  бюретка  на  штативе,   два  часовых  стеклышка (или стаканчика), весы с разновесами, термометр. Содержание и метод выполнения работы. Характер движения молекул в жидкости отличается от движения молекул в газах и твердых телах. В газах молекулы находятся на больших расстояниях друг 40 от   друга   и   поэтому   движутся   хаотично.   В   твердых   кристаллических   телах молекулы,   располагаясь   в   правильном   периодическом   порядке,   образуют кристаллическую решетку. В расположении молекул в твердых телах существует “дальний   порядок”,   который   распространяется   на   миллион   межатомных расстояний.   Тепловое   движение   молекул   сводится   к   их   колебаниям   около положения равновесия. В жидкостях дальний порядок отсутствует. Молекулы жидкости колеблются около своих временных положений равновесия, при наличии свободного места перескакивают в другие положения и начинают колебаться около них. С ростом температуры увеличивается  амплитуда колебаний и молекулы чаще  покидают свои   места.   В   расположении   молекул   в   жидкости   существует   временный “ближний порядок” на расстоянии двух­трех молекулярных слоев. Между молекулами жидкости действуют силы притяжения. Каждая молекула внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое   притяжение   во   всех   направлениях   (внутреннее   давление).   Другое дело,   когда   молекула   находится   у   поверхности   и   на   нее   действуют   силы притяжения преимущественно с одной стороны. Результирующая этих сил направлена внутрь перпендикулярно поверхности. Силы притяжения со стороны молекул газа над жидкостью незначительны. Ими можно пренебречь. Под действием результирующей силы, направленной внутрь, молекула   погружается   в   жидкость,   такое   возможно   для   всех   молекул поверхности.   Но   вследствие   теплового   движения   другие   молекулы   изнутри выходят   на   поверхность.   Втягивание   молекул   внутрь   происходит   с   большой скоростью. То есть, поверхность жидкости стремится сократиться до минимума под действием сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности   жидкости   и   нормально   к   любой   линии,   проведенной   на   этой поверхности. Для   количественной   характеристики   силы   поверхностного   натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения  , который численно равен силе  f, действующей на единицу длины произвольной линии  l, мысленно проведенной на поверхности жидкости: fσ l . Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в   Дж 2м  и  эрг 2см . (1) н м   и   дин см   или 41 Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит   от   рода   жидкости,   температуры  (уменьшается   с   повышением температуры)   и   от   степени   чистоты  поверхности   (изменяется   от   малейшего загрязнения).     Рис. 1 В   настоящей   работе    определяется   методом   отрыва   капель.   Жидкость, вытекающая из узкой  трубки,  образует  у нижнего отверстия  каплю,  которая перед отрывом принимает грушевидную форму. Отрыв капли происходит в тот момент,  когда   вес   капли  P  сравняется   с   силой   поверхностного   натяжения  f, действующей по окружности в более узкой части капли (рис. 1). Коэффициент   поверхностного   натяжения   определяется   из   условия равновесия: p πσ d , (2) где  d  –   диаметр   шейки   капли,   приблизительно   равный   диаметру   трубочки,   из которой вытекает жидкость. Следует   заметить,   что   диаметр   шейки   капли   измеряется   с  большим трудом.   В   настоящей   работе    неизвестной   жидкости   определяется   путем сравнения   с  0  эталонной   жидкости   (воды).   В   самом   деле,   можно   записать условия  равновесия  в момент  отрыва для  обеих  жидкостей   , p πσ d ; откуда: x p x 0  πσ0 d p x 0 p 0 x   , (3) 42 где    10 72 0 н3 м   –  коэффициент   поверхностного  натяжения   воды   при комнатной температуре,  px  и  p0  – соответственно вес одной капли исследуемой жидкости и эталонной. Порядок выполнения работы. 1. Наполните   бюретку   дистиллированной   водой,   отрегулируйте   краник бюретки так, чтобы за две минуты вытекало 20–30 капель. 2. Взвесьте   на   аналитических   весах   стаканчик   (или  часовое   стеклышко), отсчитайте в стаканчик 60–80 капель и снова взвесьте. Определите вес одной капли p0. 3. Наполните исследуемой жидкостью бюретку, отсчитайте в стаканчик 60– 80 капель. Путем взвешивания определите вес одной капли px. 4. Определите   коэффициент   поверхностного   натяжения   исследуемой жидкости по формуле (3). 5. Опыт повторите три раза. Определите среднее   в единицах Н/м. результат запишите в виде  σ  x σ x xσ ,  xσ  и конечный 6.   Сравните полученный результат с табличным значением и рассчитайте погрешность измерений. 7. Запишите результаты измерений в таблицу. Сделайте вывод. Таблица Nв № № mв, кг P0, Н Nx mx, кг Px, Н , Н/ м  , Н/м  , Н/ м  , Н/ м 1 2 3 Контрольные вопросы: 43 1. Чем отличается строение жидкости от строения твердых тел? 2. Как следует понимать выражение “ближний порядок” в жидкостях? 3. Что   такое   поверхностный   слой   в   жидкости?   Почему   он   обладает свойствами, отличными от свойств остальной массы жидкости? 4. Что   такое   поверхностное   натяжение?   Как   направлены   силы поверхностного натяжения? такое 5. Что     поверхностного   натяжения? В   каких   единицах   он   измеряется?   Как   находится   значение   коэффициента поверхностного натяжения в настоящей работе?   коэффициент 6. Какая жидкость называется смачивающей твердое тело и какая жидкость “не   смачивающая   тело”?   Как   объясняется   это   различие   с   точки   зрения молекулярной теории? Что такое краевой угол и в каких пределах  он может изменяться? 7. От чего зависит давление под изогнутой поверхностью в жидкости? 8. Что такое капилляр? В чем заключается капиллярное явление и как оно объясняется?   От   чего   зависит   высота   поднятия   или   опускания   жидкости   в капиллярах? 44 Практическая работа №13  Измерение разрушающего напряжения металла Цель работы: определить предел прочности металла Оборудование: 1) пресс гидравлический; 2) штангенциркуль; 3) образцы металла. Содержание и метод выполнения работы. Предел   прочности   способной вызвать разрыв образца, к площади его сечения S:    определяется   отношением   модуля   наименьшей   силы   σ F,                                                                          =σ F/S Для   экспериментального   определения   прочности   нужно   измерить   площадь поперечного сечения образца и наименьшее усилие, при котором происходит его разрушение. При исследовании механических характеристик материалов удобно пользоваться гидравлическим  прессом, позволяющим плавно изменять силу растяжения  или сжатия образца. Исследуемый   стержень   закрепляют   в   приспособлении   для   растяжения, устанавливают на рабочую плиту пресса и растягивают до разрыва. Модуль силы при разрыве вычисляют по давлению р, показанному манометром, и известному значению площади поршня Sп:                                                                  F=рSп Порядок выполнения  работы 1. Подготовьте в тетради таблицу результатов измерений и вычислений: Диамет р стержня d,м Площадь сечения стержня S,м Диаметр поршня D,м Площа дь поршня Sп,м Максимальн ое   давление р, Па Сила разры ва F,Н № опыт а 1 Предел прочнос , паσ ти    45 2 2. Ознакомьтесь   с   устройством   и   принципом   действия   гидравлического пресса по инструкции 3. Измерьте   штангенциркулем   диаметр   образца   в   средней   его   части   три раза, найдите среднее арифметическое значение измеренной величины и запишите его в таблицу. 4. Вычислите площадь сечения образца  таблицу. S   2d 4  и результат запишите в 5. Измерьте три раза диаметр поршня, найдите его среднее арифметическое значение и запишите его в таблицу. 6. Вычислите площадь сечения поршня и запишите в таблицу 7. Закрепите   образец   в   гнездах   приспособления   для   разрыва   стержней. Установите приспособление на рабочую плиту пресса, закройте сливной вентиль   и   ,   действуя   рукояткой,   добейтесь   перемещения   поршня   до упора. 8. Продолжая   действовать  рукояткой  плавно   и  без  рывков,  внимательно следите   за   манометром,   показывающим   все   нарастающее   давление. Заметьте   и   запишите   в   таблицу   наибольшее   значение   давления, достигнутого перед моментом разрыва. 9. Вычислите предел прочности взятого образца. 10. Повторите опыт с другим образцом. 11. . Сравните полученный результат с табличным значением и рассчитайте погрешность измерений. 12. Сделайте вывод. Контрольные вопросы: 46 Зависит ли предел прочности от действующей силы? Почему? 1. 2. На каком принципе основано действие гидравлического пресса? Практическая работа №14 Определение максимальной электроемкости воздушного конденсатора переменной емкости Цель   работы:  Определить   максимальную   электроемкость   воздушного конденсатора переменной емкости. Оборудование: 1)воздушный конденсатор; 2)штангенциркуль Содержание и метод выполнения работы.  Конденсатором   называют   систему   двух   проводников   (обкладок),   разделенных слоем   диэлектрика,   толщина   которого   мала   по   сравнению   с   размерами проводников. Так, например, две плоские параллельные металлические пластины, разделенные   слоем   диэлектрика   (в   частности   воздуха),   образуют   плоский конденсатор. Воздушный конденсатор переменной емкости можно представить как систему параллельно соединенных конденсаторов, число которых на единицу меньше   числа   пластин.   Электроемкость   такой   системы   можно   вычислить   по формуле: 47 где C – электроемкость конденсатора (F), S – площадь каждой пластины (м2), e0 = 8,65 • 10–12 Ф/м – электрическая постоянная, n – число пластин, d – расстояние между соседними пластинами (м). Оборудование: воздушный конденсатор переменной емкости; штангенциркуль. Порядок выполнения  работы 1.   Подготовьте   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2.   Внимательно   изучите   устройство   воздушного   конденсатора   переменной емкости. Убедитесь, что его электроемкость максимальна в положении, когда пластины полностью задвинуты. 3.   Измерьте   штангенциркулем   диаметр   одной   пластины   D   и   вычислите   ее площадь  4. Подсчитайте число пластин n. 5. Измерьте зазор d1 между двумя соседними пластинами штангенциркулем, затем d5. измерьте четыре зазора   еще   d2,       d3,   d4,   Вычислите  6. Вычислите электроемкость  7. Оцените погрешность проведенных измерений и сделайте вывод. 48 Дополнительное задание. Сравните вычисленную электроемкость с паспортными данными прибора. Как вы думаете, при каких измерениях допущена наибольшая погрешность? Как можно было избежать ошибки в измерениях? Контрольные вопросы   Какие 1. знаете? 2.   Предложите   способ   определения   электроемкости   воздушного   конденсатора переменной емкости с помощью электроизмерительных приборов. конденсаторов   вы   типы     Практическая работа № 15 Исследование зависимости сопротивления металлов от температуры. Цель работы: выяснит зависимость сопротивления металла от температуры Оборудование:  1)прибор   для   измерения   термического   коэффициента сопротивления проволоки; 2) стакан высокий; 3) ампервольтметр; 4) термометр; 5) штатив; 6) стаканы с горячей (50 – 600С) и холодной водой; 7) стакан со льдом; 8) соединительные провода. Содержание и метод выполнения работы. Температурный   коэффициент   сопротивления   проводника   отношением α   определяется                                                             RRt 0 tR 0 Где  R0­   сопротивление   проводника   при   температуре   00С,  Rt  –   сопротивление проводника при температуре t0С, t­температура проводника. 49 Применяемый   в   работе   прибор   (рис   1)   для   определения   температурного коэффициента сопротивления меди состоит из катушки 1. Катушка представляет собой картонный каркас 2, на который намотан медный изолированный провод. Концы провода выведены к зажимам 3, установленным на пластмассовой колодке 4.   В   этой   же   колодке   закреплена   стеклянная   пробирка,   в   которую   вставлен каркас катушки. Сверху в колодке имеется отверстие 5 для термометра.  Порядок выполнения работы 1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений: №  опыта t R α αср 2. Налейте в стакан воды и охладите ее с помощью льда до 00С. 3. Соберите установку по рисунку 2 сначала без термометра.  4. Проверьте и подготовьте ампервольтметр для измерения сопротивлений 5. Поместите термометр в отверстие колодки и следите за его показаниями. При   температуре   00С   измерьте   сопротивление  R0  с   помощью ампервольтметра 6. Замените   холодную   воду   горячей.   Когда   температура   установится измерьте сопротивление Rt  7. Опыт повторите еще два раза при других температурах 50 8. Вычислите для каждого опыта значение температурного коэффициента  и найдите его среднее сопротивления меди по формуле   значение  RRt 0 tR 0 9. Оцените погрешность проведенных измерений 10. Результаты занесите в таблицу. 11. Сделайте вывод. Контрольные вопросы: 1. Что   такое   температурный   коэффициент   сопротивления?   В   каких единицах он измеряется? 2. Как зависит сопротивление проводника от температуры? 3. Как эту зависимость можно представить графических? 4. Как   выглядит   график   зависимости   сопротивления   проводников   от температуры7 51 Практическая работа №16 Определение высоты предмета с помощью плоского зеркала Цель работы: определить свой рост с помощью плоского зеркала Оборудование: 1) плоское зеркало; 2) измерительная лента. Содержание и метод выполнения работы.  Высота   классной   комнаты   определяется   с помощью плоского зеркала. В   солнечную   погоду,   измерив   длины   теней   от высокого   дерева   и   от   предмета   известной высоты   и   используя   закон   прямолинейного распространения   света,   можно   рассчитать высоту   дерева   без   ее   непосредственного измерения.   Аналогично   можно   использовать   и законы   отражения   света.   Если   положить недалеко   от   своих   ног   плоское   зеркало   так,   чтобы   видеть   в   нем   ребро пространственного  угла  между  потолком  и стеной классной  комнаты,  то (см. рисунок), поскольку в соответствии с законом отражения углы a  и aў равны, равны   и   углы   1   и   2.   Из   подобия   треугольников   АВС   и   CDE   можно записать  откуда высота классной комнаты Оборудование: плоское зеркало; измерительная лента; мел. 52 Порядок выполнения работы 1.   Подготовьте   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2. Измерьте расстояние h от пола до своих глаз. Для этого подойдите к доске и  сделайте мелом отметку на уровне своих глаз. Затем измерительной лентой  измерьте расстояние от пола до этой отметки. 3. Положите плоское зеркало недалеко от своих ног и отойдите от него на такое  расстояние, чтобы в центре зеркала увидеть ребро пространственного угла между потолком и полом. Сделайте отметку на полу, у центра своей подошвы. Измерьте расстояние l2 от центра зеркала до отметки на полу. 4. Измерьте расстояние l1 от стены до центра зеркала. 5. Подставьте результаты в формулу (1) и вычислите высоту H классной  комнаты. 6. Рассчитайте абсолютную DH и относительную eН погрешности измерений. 7. Измерьте высоту потолка в классной комнате непосредственно измерительной  лентой. Сравните результаты и сделайте вывод. Дополнительное задание. Разработайте метод определения размеров предмета  (картины на стене, форточки и т.п.) с помощью измерительных линейки и ленты и зеркала. Контрольные вопросы 1. Сформулируйте законы отражения света. 2. Какой предмет можно считать плоским зеркалом? Дайте характеристику  53 изображения в плоском зеркале. 3. Каковы границы применимости геометрической оптики? Практическая работа №17 Определение скорости света в различных веществах с помощью сферических линз Цель работы:  определить скорость света   в веществе   по ее зависимости  от показателя преломления среды Оборудование: 1) две колбы; 2) нитки; 3) глицерин; 4) вода; 5) линейка. Содержание и метод выполнения работы. Скорость   света   v   в   веществе   определяется   по   ее   зависимости   от   показателя преломления среды: вакууме. ,   где   c   =   3 • 108 м/с   –   скорость   света   в Если в качестве модели сферической линзы использовать круглодонную колбу, заполненную прозрачной жидкостью, то, определив фокусное расстояние F такой линзы,   измерив   радиус   кривизны   R   колбы   и   воспользовавшись формулой   можно   рассчитать   показатель   преломления вещества:   54 Скорость света в веществе рассчитывается по формуле   Оборудование: круглодонная колба с водой; такая же колба с глицерином или растительным   маслом;   измерительная   линейка   с   миллиметровыми   делениями; экран (лист белой бумаги); нитка. Порядок выполнения работы 1.   Подготовьте   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2. При помощи линзы (колбы с водой) получите на экране изображение окна. Измерьте   расстояние   от   центра   линзы   до   изображения   –   это   и   есть приблизительно  фокусное расстояние  F.  Оно будет измерено  тем точнее,  чем дальше находится экран от окна. 3.   Ниткой   измерьте   длину   окружности l   колбы   в   ее   самой   широкой   части   и исходя из формулы l = 2pR рассчитайте радиус кривизны колбы R. 4. Вычислите показатель преломления воды по формуле (1) и скорость света в среде по формуле (2). 5. Повторите опыт для глицерина (масла). 6. Оцените погрешность измерений, сравнив полученный результат с табличным значением. 7. Сделайте вывод о зависимости скорости света от оптической плотности среды. Дополнительное   задание.   Предложите   другой   способ   определения   фокусного расстояния линзы и ее радиуса кривизны. 55 Контрольные вопросы 1. Что такое фокус линзы? 2. В чем состоит физический смысл показателя преломления? 3. Как влияет толщина стекла колбы на результат измерений в данной работе? Практическая работа №18 Изучение явления интерференции на примере стоячей волны Цель работы: исследовать явление интерференции механических волн  Оборудование:  1)  штатив; 2) бюретка с водой; 3)  блюдце;  4)  секундомер; 5) линейка. Содержание и метод выполнения работы. Скорость   распространения   волны   на   поверхности   жидкости   определяется   с помощью создания стоячей волны. Стоячая   волна   –   волна,   образующаяся   при   наложении   (интерференции)   двух бегущих волн одинаковой частоты и амплитуды, распространяющихся навстречу друг   другу.   Максимальная   возможная   амплитуда   колебаний   в   такой   стоячей волне равна 2А, где A – амплитуда бегущей волны. Условие образования стоячей волны:   где R – расстояние до препятствия (м), l – длина волны (м), n = 0, 1, 2, ... .  Учитывая, что  длина волны l,  скорость  ее  распространения vи частота n связаны соотношением l = v/n, получаем 56 Оборудование:   часы   с   секундной   стрелкой;   линейка   с   миллиметровыми делениями;   бюретка   с   зажимом;   блюдце;   сосуд   с   водой;   штатив   с   муфтой   и лапкой. Порядок выполнения работы 1.   Подготовьте   в   тетради   таблицу   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2. Укрепите в лапке штатива бюретку с водой, поставьте под ней любой  цилиндрический сосуд (можно и блюдце). 3. Получите на поверхности воды волну. 4. Подберите такую частоту падения капель в центре блюдца, при которой на  поверхности воды образуется стоячая волна. 5. Измерьте время t вытекания N капель (например, N = 20), рассчитайте  частоту n = N/t. 6. Подсчитайте число стоячих волн n, укладывающихся на радиусе блюдца. 7. По формуле (1) рассчитайте скорость распространения волны. 8. Повторите эксперимент 2–3 раза и по полученным результатам рассчитайте  среднее значение скорости распространения волны. 9. Оцените погрешность измерений и сделайте вывод. 57 Дополнительное   задание.   Проверьте,   как   влияют   на   результаты   эксперимента размеры блюдца (для этого возьмите блюдце, например, большего радиуса). Контрольные вопросы 1.   При   каких   условиях   наблюдается   явление   интерференции? 2. Происходит ли перенос вещества при распространении волны? Ответ поясните. 3. Приведите примеры стоячих волн в природе и технике. Практическая работа №19 Исследование фоторезистора Цель   работы:  исследовать   зависимость   сопротивления   полупроводника   от освещенности. Оборудование:    миллиамперметр, соединительные   провода,   элементы   планшета   №2:   ключ,   фоторезистор, светодиод, источник света – лампа 40Вт на подставке. выпрямитель   ВУ­4М,   вольтметр, Выполнение работы: Соединительные   провода   цветные:   красный   провод   используется   для подключения   источника   от   «+»   до   «+»   планшета,   белый   провод     ­   для подключения   источника   от   «­«   до   «­«   планшета;   жёлтые   провода   для подключения   к   элементам   планшете   измерительных   приборов;   синие   –   для соединения между собой элементов планшета. Исследование   зависимости   сопротивления   фоторезистора   от освещенности проводят на качественном уровне, наблюдая за изменением тока в цепи при изменении светового потока, проникающего в окно фоторезистора. Схема экспериментальной установки для проведения опыта представлена на рисунке 1. Миллиамперметром измеряют силу тока в пределах 0­5 мА. Замыкают ключ и   замечают   показание   миллиамперметра.   Затем   окно   фоторезистора   частично перекрывают листочком черной бумаги. Убеждаются в том, что сила тока в цепи 58 с   фоторезистором   тем   больше,   чем   больше   освещенность   его   светочувстви­ тельного   слоя.   Поскольку   приложенное   к   фоторезистору   напряжение   в   ходе опыта   не   меняется   (его   постоянство   контролируется   по   вольтметру),   делают вывод   о   том,   что   изменение   тока   происходит   из­за   изменения   сопротивления фоторезистора. Результаты измерений показывают, что сопротивление полупроводника, из которого   он   изготовлен,   уменьшается   при   увеличении   его   освещенности   и наоборот увеличивается, если освещенность уменьшается. Исследовать зависимость фототока от расстояния до источника света. Для этого измерять силу тока, изменяя при этом расстояние от источника света.  Заполнить таблицу. l, см I, мA освещённости.  Построить график зависимости силы тока от расстояния.  Сделать вывод об изменении сопротивления полупроводника при различной Чтобы   проиллюстрировать   применение   фоторезистора   для   управления режимом работы какого­то устройства, собирают цепь, схема которой показана на   рисунке   2.   В   качестве   управляемого   устройства   используется   светодиод. Замыкают ключ и наблюдают за яркостью свечения светодиода при открытом и закрытом окне фоторезистора. Сделать  вывод о возможности использования фоторезисторов для контро­ ля за освещенностью каких­то объектов, привести примеры. Контрольные вопросы  1.    В   четырёхвалентный   кремний   добавили   первый   раз   трёхвалентный индий, а во второй раз пятивалентный фосфор. Каким типом проводимости в основном будет обладать полупроводник в каждом случае? в первом случае – дырочной, во втором – электронной; в первом случае – электронной,  во втором – дырочной; 1) 2) 3) В обоих случаях электронной; 4) В обоих случаях дырочной. 2.  Сопротивление полупроводников: 1)возрастает с повышением температуры; 2)уменьшается при повышении температуры; 59 света. 3)возрастает под действием света; 4)уменьшается под действием света; 5)уменьшается   как   при   повышении   температуры,   так   и   под   действием 3.  Перенос вещества не наблюдается при прохождении тока через: 1)газ;  2) вакуум;  3)электролит. 4.  Перенос вещества происходит в приборе: 1)электрическая лампа;  2) электронно­лучевая трубка;  3)электродуговая лампа;  4)полупроводниковый диод. среды при комнатных температурах? 5.    Какие действия всегда сопровождают прохождение тока через любые 1)только магнитные;  2) только тепловые;  3) только химические;   1)тепловые и магнитные. Приложение. 1. Плотность вещества 2. Тепловые свойства вещества 60 мН/м 3. 4. Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей,  Предел прочности на растяжение и модуль упругости 61 5. Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления  металлов и сплавов 6. Физические постоянные 62 63 7. Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц Список литературы: 1. Мякишев Г. Я, Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н., Физика 10. М: Просвещение  2008 2. Мякишев Г. Я, Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н., Физика 11. М: Просвещение  2008 64