Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по учебному предмету ФИЗИКА

И.В. Маркина

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО УЧЕБНОМУ ПРЕДМЕТУ

ОУД.10 Физика

 

 

для студентов  по программе подготовки специалистов среднего звена

13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)

21.02.01 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Губкинский, 2021

Маркина И.В. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по учебному предмету ОУД.10 «Физика» для студентов по программе подготовки специалистов среднего звена 21.02.01 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений, 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям) – Губкинский: Филиал ГБПОУ ЯНАО «Муравленковский многопрофильный колледж» в г.Губкинском, 2021. – 71 с.

 

 

 

Методические рекомендации рассмотрены, утверждены и рекомендованы к использованию на заседании предметной (цикловой) комиссии общеобразовательных дисциплин. Протокол № _______ от _______________ 2021 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор-составитель:

Маркина Ирина Викторовна, преподаватель филиала государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения Ямало-Ненецкого автономного округа «Муравленковский многопрофильный колледж» в г.Губкинском

 

 

 

Внутренний эксперт:

Шарова Галина Яковлевна, заместитель директора филиала по учебно-производственной работе, высшей квалификационной категории филиала государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения Ямало-Ненецкого автономного округа «Муравленковский многопрофильный колледж»

Внешний эксперт:

Чепурнова Галина Валентиновна, учитель высшей квалификационной категории муниципального бюджетного образовательного учреждения «Средняя общеобразовательная школа № 7» г. Губкинский

 

 

 

 

 

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ являются частью Учебно-методического комплекса по программе подготовки специалистов среднего звена 21.02.01 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений, 23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей, 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям).

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ адресованы студентам очной формы обучения и включает в себя учебную цель, перечень образовательных результатов, заявленных во ФГОС СПО третьего поколения, обеспеченность занятия, задания для лабораторных работ студентов и инструкции по их выполнению, образец оформления отчета.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Содержание	Стр.
Пояснительная записка	4
Инструкция по правилам безопасности труда для студентов при выполнении лабораторных работ	10
Порядок выполнения лабораторных работ	10
Темы лабораторных работ	11
Лабораторная работа № 1 «Исследование движения тела под действием постоянной силы»	13
Лабораторная работа № 2 «Изучение закона сохранения импульса»	15
Лабораторная работа № 3 «Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости»	20
Лабораторная работа № 4 «Сравнение работы силы с изменением кинетической энергии тела»	23
Лабораторная работа № 5 «Изучение законов сохранения на примере удара шаров и баллистического маятника»	25
Лабораторная работа № 6 «Изучение особенностей силы трения (скольжения)»	27
Лабораторная работа № 7 «Измерение влажности воздуха»	29
Лабораторная работа № 8 «Измерение поверхностного натяжения жидкости»	32
Лабораторная работа № 9 «Наблюдение процесса кристаллизации»	34
Лабораторная работа № 10 «Изучение деформации растяжения»	37
Лабораторная работа № 11 «Изучение теплового расширения твердых тел»	38
Лабораторная работа № 12 «Изучение особенностей теплового расширения воды»	41
Лабораторная работа № 13 «Изучение закона Ома для участка цепи, последовательного и параллельного соединения проводников»	43
Лабораторная работа № 14 «Изучение закона Ома для полной цепи»	46
Лабораторная работа № 15 «Определение коэффициента полезного действия электрического чайника»	48
Лабораторная работа № 16 «Определение температуры нити лампы накаливания»	50
Лабораторная работа № 17 «Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника напряжения»	52
Лабораторная работа № 18 «Изучение явления электромагнитной индукции»	55
Лабораторная работа № 19 «Изучение зависимости периода колебаний нитяного (или пружинного) маятника от длины нити (или массы груза)»	57
Лабораторная работа № 20 «Индуктивные и емкостное сопротивления в цепи переменного тока»	60
Лабораторная работа № 21 «Изучение изображения предметов в тонкой линзе»	62
Лабораторная работа № 22 «Изучение интерференции и дифракции света. Градуировка спектроскопа и определение длины волны спектральных линий»	64
Лабораторная работа № 23 «Градуировка спектроскопа и определение длины волны спектральных линий»	67
Список использованных источников	68

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для предмета «Физика» составлены с учетом Разъяснений по реализации федерального государственного образовательного стандарта среднего общего образования (профильное обучение) в пределах основных образовательных программ среднего профессионального образования, формируемых на основе федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования.

Сборник предназначен для подготовки специалистов среднего звена, а также квалифицированных рабочих (служащих).

Цель - научить студентов применять полученные теоретические знания в экспериментальной работе.

Освоение содержания учебного предмета «Физика» обеспечивает достижение студентами следующих результатов:

Освоение содержания учебного предмета «Физика» обеспечивает достижение студентами следующих результатов:

Личностные результаты	УУД		Типовые задачи УУД
Л1. Российскую гражданскую идентичность, патриотизм, уважение к своему народу, чувства ответственности перед Родиной, гордости за свой край, свою Родину, прошлое и настоящее многонационального народа России, уважение государственных символов (герб, флаг, гимн);	Осознает чувство гордости и уважения к истории и достижениям отечественной физической науки		Составление сообщений по биографиям; разработка презентаций, направленных на более глубокое изучение достижений ученых.
Л4. Сформированность мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и общественной практики, основанного на диалоге культур, а также различных форм общественного сознания, осознание своего места в поликультурном мире	Формирует физическое  мировоззрение, развивает мышление и понимание целостности научной картины мира, осознает их значимость		Выполнение проектной деятельности, дискуссии, групповая и коллективная работа, проведение круглых столов
Л5.  Сформированность основ саморазвития и самовоспитания в соответствии с общечеловеческими ценностями и идеалами гражданского общества; готовность и способность к самостоятельной, творческой и ответственной деятельности	Формирует достижения современной физической науки и физических технологий для повышения собственного умение интеллектуального развития в выбранной профессиональной деятельности		Самооценка и корректное выполнение любых заданий
Л7. Навыки сотрудничества со сверстниками, детьми младшего возраста, взрослыми в образовательной, общественно полезной, учебно-исследовательской, проектной и других видах деятельности	Умеет выстраивать взаимоотношения в групповой работе, (может быть как руководителем, так и членом команды в разных ролях)		Результативное выполнение заданий в коллективе, выступления на НПК
Л8. Нравственное сознание и поведение на основе усвоения общечеловеческих ценностей	Принятие принципа гуманизма во взаимодействии с окружающими		Проявление терпимости и уважения ко всем участникам образовательного процесса
Л9. Готовность и способность к образованию, в том числе самообразованию, на протяжении всей жизни; сознательное отношение к непрерывному образованию как условию успешной профессиональной и общественной деятельности	Формирует готовность к продолжению образования и повышения квалификации в избранной профессиональной деятельности и объективное осознание роли физических компетенций в этом		Любая самостоятельная работа
Л11. Принятие и реализацию ценностей здорового и безопасного образа жизни, потребности в физическом самосовершенствовании, занятиях спортивно-оздоровительной деятельностью, неприятие вредных привычек: курения, употребления алкоголя, наркотиков;	Формирует здоровый и безопасный образ жизни		Выполнение физминуток на любом занятии,  техника безопасности и охрана труда на рабочем месте
Л12. Бережное, ответственное и компетентное отношение к физическому и психологическому здоровью, как собственному, так и других людей, умение оказывать первую помощь;	Осознает и формирует бережное отношение к физическому и психологическому здоровью		Выполнение физминутки на занятии
Л13. осознанный выбор будущей профессии и возможностей реализации собственных жизненных планов; отношение к профессиональной деятельности как возможности участия в решении личных, общественных, государственных, общенациональных проблем	Формирует осознанный выбор будущей профессии		Правильное и быстрое решение практико-ориентированных задач.
Л14. Сформированность экологического мышления, понимания влияния социально-экономических процессов на состояние природной и социальной среды; приобретение опыта эколого-направленной деятельности;	Формирует бережное отношение к окружающему миру вокруг себя		Создание мини проектов по защите окружающей среды и их продвижение на различных уровнях
Метапредметные  результаты	УУД		Типовые задачи УУД
Регулятивные УУД
М1. Умение самостоятельно определять цели деятельности и составлять планы	Формирует умения самостоятельно добывать новое для себя физические знания, используя для этого доступные источники информации		Использование навыков самостоятельной работы для решения физических задач, применение основных методов познания для изучения различных сторон окружающей действительности
М3. Владение навыками познавательной, учебно-исследовательской и проектной деятельности, навыками разрешения проблем; способность и готовность к самостоятельному поиску методов решения практических задач, применению различных методов познания;	Использует основные интеллектуальные операции: постановки задачи, формулирования гипотез, анализа и синтеза, сравнения, обобщения, систематизации, выявления причинно-следственных связей, поиска аналогов, формулирования выводов для изучения различных сторон физических объектов, явлений и процессов, с которыми возникает необходимость сталкиваться в профессиональной сфере		Выполнение индивидуальных проектов и исследовательских работ по профессии/специальности
Познавательные УУД
М4. Готовность и способность к самостоятельной информационно-познавательной деятельности, владение навыками получения необходимой информации из словарей разных типов, умение ориентироваться в различных источниках информации, критически оценивать и интерпретировать информацию, получаемую из различных источников;	Использует различные источники для получения физической информации, оценивает ее достоверность	Составление кроссвордов и схем, заполнение таблиц и чтение графиков
М5. Умение использовать средства информационных и коммуникационных технологий (далее - ИКТ) в решении когнитивных, коммуникативных и организационных задач с соблюдением требований эргономики, техники безопасности, гигиены, ресурсосбережения, правовых и этических норм, норм информационной безопасности;	Использует различные  средства ИКТ для выполнения поставленных задач с учетом САНПИНа, соблюдает этику и информационную безопасность в Интернете	Создание презентации, видеоролика, буклета, памятки, кроссвордов в Эксель.
М7. Умение самостоятельно оценивать и принимать решения, определяющие стратегию поведения, с учетом гражданских и нравственных ценностей;	Формирует способность самостоятельного принятия решения в любых ситуациях	Умение генерировать идеи и определять средства, необходимые для их реализации
М8. Владение языковыми средствами - умение ясно, логично и точно излагать свою точку зрения, использовать адекватные языковые средства;	Умеет грамотно строить  свою речь	Вести дискуссии, публичное выступление на конференциях, защите проектов и т.д.
М9. Владение навыками познавательной рефлексии как осознания совершаемых действий и мыслительных процессов, их результатов и оснований, границ своего знания и незнания, новых познавательных задач и средств их достижения.	Осознает смысл учения, понимает  личную ответственность за будущий результат, формирует навык оценивания своих результатов, нацеливает на дальнейшую работу	Умение анализировать и представлять информацию в различных видах
Коммуникативные УУД
М2. Умение продуктивно общаться и взаимодействовать в процессе совместной деятельности, учитывать позиции других участников деятельности, эффективно разрешать конфликты;	Сотрудничает при совместной работе, слушает собеседника, признает существование различных точек зрения, воспринимает другое мнение, формулирует свое мнение и аргументирует его	Публично представлять результаты собственного исследования, вести дискуссии, работа в группах и парах

Предметные результаты
Базовый уровень	Углубленный уровень
П1 - сформированность представлений о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений, роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач;	П8 - сформированность системы знаний об общих физических закономерностях, законах, теориях, представлений о действии во Вселенной физических законов, открытых в земных условиях;
П2 - владение основополагающими физическими понятиями, закономерностями, законами и теориями; уверенное использование физической терминологией и символикой;	П9 - сформированность умения исследовать и анализировать разнообразные физические явления и свойства объектов, объяснять принципы работы и характеристики приборов и устройств, объяснять связь основных космических объектов с геофизическими явлениями;
П3 - владение основными методами научного познания, используемыми в физике: наблюдением, описанием, измерением, экспериментом; умения обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимость между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы;	П10 - владение умениями выдвигать гипотезы на основе знания основополагающих физических закономерностей и законов, проверять их экспериментальными средствами, формулируя цель исследования;
П4 - сформированность умения решать физические задачи;	П11 - владение методами самостоятельного планирования и проведения физических экспериментов, описания и анализа полученной измерительной информации, определения достоверности полученного результата;
П5 - сформированность умения применять полученные знания для объяснения условий протекания физических явлений в природе, профессиональной сфере и для принятия практических решений в повседневной жизни;	П12 - сформированность умений прогнозировать, анализировать и оценивать последствия бытовой и производственной деятельности человека, связанной с физическими процессами, с позиций экологической безопасности.
П6 - сформированность собственной позиции по отношению к физической информации, получаемой из разных источников;
П7 - овладение (сформированность представлений) правилами записи физических формул рельефно-точечной системы обозначений Л. Брайля (для слепых и слабовидящих обучающихся);

 

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью курса физики, изучаемого в учреждениях профессионального образования. В ходе их выполнения у обучающихся формируются основные компетенции и важнейшие практические умения и навыки, необходимые для успешного усвоения  междисциплинарных курсов, реализующих  учебный материал  видов профессиональной деятельности. Качественное выполнение лабораторной работы – это предпосылка для подготовки в будущем квалифицированных специалистов.

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

Данный вид занятий способствует осуществлению межпредметных связей, связи теории с практикой, развитию мыслительно-познавательной активности студентов, приобщению их к методам научного исследования, что имеет большое значение для профессиональной подготовки студента.

Содержание  лабораторных работ разработки полностью соответствует этой программе, а также учебнику  В.Ф. Дмитриевой «Физика для профессий и специальностей технического профиля» (М.: Издательский центр «Академия», 2014г.).

В каждой теме сборника определены цели работы, приведен перечень необходимого оборудования, инструментов, аппаратуры, материалов, даны теоретические основы по теме занятия, раскрыт порядок проведения работы.

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

Лабораторные работы проводятся в учебном кабинете колледжа, оснащенном всем необходимым техническим и лабораторным оборудованием. Перед началом каждым занятием проводится инструктаж по технике безопасности.

 

 

Уважаемый студент!

 

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ  по предмету «Физика» созданы помочь Вам обобщить, систематизировать и углубить теоретические знания.

Приступая к выполнению лабораторной работы, Вам необходимо внимательно прочитать ее цели, ознакомиться с требованиями к уровню Вашей подготовки в соответствии с федеральными государственными образовательными стандартами, краткими теоретическими и учебно-методическими материалами по теме лабораторной работы, ответить на вопросы для закрепления теоретического материала.

Отчет о лабораторной работе выполняется по приведенному алгоритму в тетрадях для лабораторных работ.

Наличие положительной оценки по лабораторным работам необходимо для допуска к экзамену, поэтому в случае отсутствия на занятии по любой причине или получения неудовлетворительной оценки за лабораторную работу Вы должны найти время для ее выполнения и пересдачи.

 

Критерии оценки за лабораторную работу

 

«5» ставится в том случае, если работа выполнена в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений, самостоятельно и рационально смонтировано необходимое оборудование, все опыты проведены в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов; соблюдение требований безопасности труда;

- в отчете правильно и аккуратно выполнены все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления;

- правильно выполнен анализ погрешностей.

«4» ставится в том случае, если были выполнены требования к оценке «5», но допущены недочеты или негрубые ошибки.

«3» ставится, если результат выполненной части таков, что позволяет получить правильные выводы, но в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

«2» ставится, если результаты не позволяют сделать правильных выводов, если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

 

Внимание! Если в процессе подготовки к лабораторным работам возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, Вы можете обратиться к преподавателю для получения консультаций.

 

 

Желаем Вам успехов!

 Инструкция

по правилам безопасности труда для студентов при выполнении лабораторных работ

 

1.        Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания преподавателя.

2.        Не приступайте к выполнению работы без разрешения преподавателя.

3.        Размещайте приборы, материалы, оборудование на своем рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание.

4.        Перед выполнением работы внимательно изучите ее содержание и инструкцию ее выполнения.

5.        При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов. При работе с приборами из стекла соблюдайте особую осторожность.

6.        Следите за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях. Не прикасайтесь и не наклоняйтесь (особенно с неубранными волосами) к вращающимся частям установки.

7.        При сборке экспериментальных установок используйте провода (с наконечниками и предохранительными чехлами) с прочной изоляцией без видимых повреждений.

8.        При сборке электрической цепи избегайте пересечения проводов. Запрещается пользоваться проводником с изношенной изоляцией.

9.        Источник тока к электрической цепи подключайте в последнюю очередь. Собранную цепь включайте только после проверки и с разрешения преподавателя. Наличие напряжения в цепи можно проверять только с помощью приборов или указателей напряжения.

10.    Не прикасайтесь к находящимся под напряжением элементам цепей, лишенным изоляции. Не производите пересоединения в цепях и смену приборов до отключения источника электропитания.

 

 

Порядок выполнения лабораторных работ

 

1.        Уясните тему и цель лабораторной работы. Внимательно прочтите инструкцию к ней и бланк отчета о выполнении лабораторной работы. Исходя из прочитанного, составьте план действий, необходимый для достижения поставленных целей.

2.        Проверьте свою подготовленность к выполнению работы. Если ответы на поставленные вопросы представляют для вас затруднение, то прочтите материал по учебнику.

3.        Проверьте наличие на лабораторном столе необходимого оборудования и материалов.

4.        Ознакомившись с описанием лабораторной работы, подумайте, понятны ли вам приемы осуществления тех или иных операций эксперимента. Если у вас возникают сомнения, проконсультируйтесь у преподавателя. Если вопросов нет, приступайте к работе.

5.        Перед началом работы в отчете о выполнении заполните свои данные.

6.        По мере проведения эксперимента и получения определенных данных (показания приборов), заполняйте таблицу. В экспериментальной работе не бывает мелочей. Любые, на первый взгляд малозначительные замечания могут оказаться необходимыми при формулировке выводов.

7.        По окончании лабораторной работы оформите ее результаты (в виде таблиц, графиков, диаграмм, словесных описаний, вычислений) в бланке отчета о выполнении лабораторной работы.

8.        Сформулируйте выводы на основании результатов проведенного эксперимента и сделайте соответствующую запись.

9.        Дайте четкие, лаконичные ответы на контрольные вопросы.

 

 

Темы лабораторных работ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОСТОЯННОЙ СИЛЫ

 

Цель работы: выяснить зависимость силы трения скольжения от силы нормального давления и определить коэффициент трения дерева по дереву.

 

Студент научится: описывать движение тела, используя физические величины: масса, сила трения, коэффициент трения; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: экспериментально находить коэффициент трения скольжения; использовать знания в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с приборами, для сохранения здоровья и норм экологического поведения в окружающей среде; оценивать реальность полученного знания физической величины - силы трения скольжения, коэффициент трения скольжения и его зависимость от различных факторов.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: гладкая доска,  брусок деревянный, набор грузов, динамометр.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Согласно    первому   закону   Ньютона:   под   действием   постоянной   силы  (= const)   тело остается в покое или движется равномерно и прямолинейно, то есть скорость тела (= const) остается постоянной и по величине, и по направлению.

Сила трения – это сила, которая возникает в том месте, где тела соприкасаются друг с другом, и препятствует перемещению тел.

Сила трения - это сила электромагнитной природы.

Возникновение силы трения объясняется двумя причинами:

1.       шероховатостью поверхностей;

2.       проявлением сил молекулярного взаимодействия.

Силы трения всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям и подразделяются на силы трения покоя, скольжения, качения.

В данной работе исследуется зависимость силы трения скольжения от веса тела.

Сила трения скольжения – это сила, которая возникает при скольжении предмета по какой-либо поверхности. По модулю она почти равна максимальной силе трения покоя. Направление силы трения скольжения противоположно направлению движения тела. Сила трения в широких пределах не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. В данной работе надо будет убедиться в том, что сила трения скольжения пропорциональна силе давления (силе реакции опоры): 

Fтр=μN, где μ - коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом трения. Он характеризует не тело, а сразу два тела, трущихся друг о друга.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.       Ход работы:

1) Р_бруска = mg;  2) m_бруска = ;  3) Р=N=(m₁+m₂)g;  4) Fтр=μN; 5) µ = ; 6) µ_ср = .

 

2.       Определите цену деления шкалы динамометра.

3.       Определите массу бруска. Подвесьте брусок к динамометру, показания динамометра - это вес бруска. Для нахождения массы бруска разделите вес на g. Принять g=10 м/с².

4.       Соберите лабораторную установку: положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз 100 г.

5.       Прикрепив к бруску динамометр, как можно более равномерно тяните его вдоль линейки. Запишите показания динамометра, это и есть величина силы трения скольжения.

6.       Добавьте второй, третий, четвертый грузы, каждый раз измеряя силу трения. С увеличением числа грузов растет сила нормального давления.

7.       Результаты измерений занесите в таблицу.

8.       Полученные данные запишите в таблицу.

№ опыта	Масса бруска, m1 , кг	Масса груза, m2 , кг	Общий вес тела  (сила нормального давления), Р=N=(m1+m2)g, Н	Сила трения, Fтр, Н	Коэффициент трения, μ	Среднее значение коэффициента трения, μср
1.
2.
3.
4.

 

9.       Сделайте вывод: зависит ли сила трения скольжения от силы нормального давления, и если зависит, то как?

10.  В каждом опыте рассчитать коэффициент трения по формуле: µ =  . Принять g=10 м/с².

11.   Результаты расчетов занести в таблицу.

12.   По результатам измерений постройте график зависимости силы трения от силы нормального давления. При построении графика по результатам опытов экспериментальные точки могут не оказаться на прямой, которая соответствует формуле. Это связано с погрешностями измерения. В этом случае график надо проводить так, чтобы примерно одинаковое число точек оказалось по разные стороны от прямой. После построения графика возьмите точку на прямой (в средней части графика), определите по нему соответствующие этой точке значения силы трения и силы нормального давления и вычислите коэффициент трения . Это и будет средним значением коэффициента трения. Запишите его в таблицу.

13.   Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Что называется силой трения?

2.    Какова природа сил трения?

3.    Назовите основные причины, от которых зависит сила трения?

4.    Перечислите виды трения.

5.    Можно ли считать явление трения вредным? Почему?

6.    Какие силы действуют на тело при взвешивании его с помощью динамометра?

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА

 

Цель работы: экспериментально проверить справедливость закона сохранения импульса тел при прямом упругом соударении.

 

Студент научится: различать словесную формулировку закона сохранения импульса и его математическое выражение; описывать изученные свойства тел и механические явления, используя физические величины: масса, импульс тела; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: применять закон сохранения импульса для вычисления изменений скоростей тел при их взаимодействиях, различать границы применимости данного закона, понимать всеобщий характер закона сохранения импульса.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: два металлических шарика разной массы, штатив с лапкой, стержень для подвеса шаров, измерительная линейка.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Величина, равная произведению массы материальной точки на ее скорость, называется импульсом.

p = mυ  

p – импульс тела

m – масса тела

υ – скорость тела   

Импульс тела направлен в ту же сторону, что и скорость тела.

Единицей измерения импульса в СИ является 1 кг·м/с.

Изменение импульса тела происходит при взаимодействии тел, например, при ударах.

Для системы материальных точек полный импульс равен сумме импульсов. При этом следует иметь в виду, что импульс – это векторная величина, и поэтому в общем случае импульсы складываются как векторы, т.е. по правилу параллелограмма.

 =  +  + ... +

Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, такая система называется замкнутой. Замкнутая система – это система тел, которые взаимодействуют только друг с другом.

Закон сохранения импульса: в замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

 +  =  +  

 +  =  +

m₁, m₂ — массы взаимодействующих тел, кг

υ₁, υ₂ — скорости тел до столкновения, м/с

υ'₁, υ'₂ — скорости тел после столкновения, м/с

Закон сохранения импульса можно сформулировать и так: если на тела системы действуют только силы взаимодействия между ними («внутренние силы»), то полный импульс системы тел не изменяется со временем, т.е. сохраняется. Этот закон применим к системе, состоящей из любого числа тел. Отметим еще раз, что импульс – величина векторная, поэтому сохранение полного импульса означает сохранение не только его величины, но и направления.

Закон сохранения импульса выполняется при распаде тела на части и при абсолютно неупругом ударе, когда соударяющиеся тела соединяются в одно. Если распад или удар происходят в течение малого промежутка времени, то закон сохранения импульса приближенно выполняется для этих процессов даже при наличии внешних сил, действующих на тела системы со стороны тел, не входящих в нее, т.к. за малое время внешние силы не успевают значительно изменить импульс системы.

Под ударом в механике понимается кратковременное взаимодейс­твие двух или более тел,  возникающее в результате их соприкосно­вения (соударение шаров, удар молота о наковальню и др.). Самым простым является прямой (центральный) удар, то есть такой удар, при котором скорости соударяющихся тел до удара направлены по линии, соединя­ющей центры тел. При соударении взаимодействие  длится такой короткий промежуток времени (иногда измеряемый тысячными долями секунды) и возни­кают столь большие внутренние силы взаимодействия, что внешними силами можно пренебречь и систему соударяющихся тел можно считать замкнутой и применять к ней закон сохранения импульса.

В зависимости от упругих свойств тел соударения могут проте­кать весьма различно. Принято выделять два крайних случая: абсо­лютно упругий и абсолютно неупругий удары.

Абсолютно упругим называется удар, при котором после взаимодействия тела полностью восстанавливают свою форму. Таких ударов в природе не существует, так как всегда часть энергии затрачивается на необратимую деформацию тел. Однако для некоторых  тел, например стальных закаленных шаров, потерями механической энергии при столкновении можно пренебречь и считать удар абсолютно упру­гим. В случае центрального абсолютно упругого удара двух тел с массами m₁, m₂  и скоростями υ₁, υ₂  до удара и υ′₁, υ′₂ после удара можно записать закон сохранения импульса тел:

 +  =  +  

 +  =  +

   Абсолютно неупругим называется удар, при котором после соп­рикосновения тел они не восстанавливают полностью свою форму, со­единяются вместе и движутся как единое целое с одной скоростью. При этом ударе часть их механической энергии переходит в работу деформации тел (внутреннюю энергию). Столкновение двух шаров из пластилина, когда после столкновения шары слипаются и движутся вместе, является примером абсолютно неупругого удара. В случае центрального абсолютно неупругого удара двух тел с массами m₁, m₂  движущихся со скоростями υ₁, υ₂  до удара и υ′ после удара можно записать законы сохранения импульса тел:

 +  = ( + )

 +  =

Закон сохранения импульса служит основой для объяснения обширного круга явлений природы, применяется в различных науках:

1.    закон строго выполняется в явлениях отдачи при выстреле, явлении реактивного движения, взрывных явлениях и явлениях столкновения тел.

2.    закон сохранения импульса применяют: при расчетах скоростей тел при взрывах и соударениях; при расчетах реактивных аппаратов; в военной промышленности при проектировании оружия; в технике - при забивании свай, ковке металлов и т.д.

 

Описание работы

    Установка состоит из двух стальных шаров, на длинных подвесах и измерительной линейки под шарами. Центры масс соприкасающихся шаров лежат на одном уровне от точки подвеса. Отведя один из шаров (например, большей массы) в сторону и отпустив его, можно произвести прямой (центральный) удар шаров.

    Если до столкновения один из шаров покоился υ₂=0, то выражение закона сохранения импульса упростится. При прямом ударе оба шара после столкновения движутся по одной прямой, поэтому от векторной формы записи закона сохранения импульса можно перейти к алгебраической и учитывая, что после столкновения оба шара движутся в одном направлении, получим:

m₁∙υ₁= m₁∙υ′₁ + m₂∙υ′₂ 

   Для определения скорости первого шара υ₁ до удара  и скоростей шаров υ′₁ и υ′₂ после удара воспользуемся законом сохранения механической энергии. Потенциальная энергия шара в положении максимального отклонения равняется его кинетической энергии при ударе mgh =  , отсюда υ =  .

Высоту подъема шара можно определить по его максимальному отклонению s от положения равновесия (рис. а).

Треугольник АВС прямоугольный (опирается на диаметр). Катет АВ является средней пропорциональной величиной между гипотенузой АС=2l и своей проекцией на гипотенузу АD  (рис.б):  АВ²=АС·AD то есть s² = 2lh, откуда h =  . Следовательно, величины скоростей можно выразить так: υ₁ = S₀ , = S₁,   = S₂, 

где S₀,  S₁ - максимальные отклонения первого шара до и после удара; S₂ - максимальное отклонение второго шара после удара. Запишем уравнение закона сохранения через выражения скоростей: m₁S₀ = m₁S₁= m₂S₂ или  m₁∙S₀= m₁∙S₁ + m₂∙S₂. Таким образом, проверка закона сохранения импульса в данной работе сводится к проверке справедливости последнего уравнения.

При малых углах отклонения шара от положения равновесия S₀, S₁ и S₂ можно заменить соответствующими величинами, отсчитанными по горизонтальной шкале.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Ход работы: m₁∙S₀ = m₁∙S₁ + m₂∙S₂.

2.    Соберите установку по рисунку.

3.    Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

 

№	m1, г	m2, г	S0, мм	S1, мм	S2, мм	m1∙S0, г∙мм/с	m1∙S1, г∙мм/с	m2∙S2, г∙мм/с	m1∙S1 + m2∙S2, г∙мм/с
1.			50
2.			80

 

4.    Определите массы шаров m₁ и m₂. Запишите их результат в таблицу.

5.    Отрегулируйте подвеску шаров так, чтобы их центры и точка касания находились на одной горизонтальной линии.

6.    Отклоните шар большей массы на 5 см от положения равновесия (S₀) и затем отпустите его. Заметьте максимальное отклонение этого шара после удара (S₁). Запишите его в таблицу (S₁).

7.    Повторите опыт 6, но теперь заметьте после удара максимальное отклонение шара с меньшей массой (S₂). Запишите его в таблицу (S₂).

8.    Отклоните шар большей массы на 8 см от положения равновесия (S₀) и затем отпустите его. Заметьте максимальное отклонение этого шара после удара (S₁). Запишите его в таблицу (S₁).

9.    Повторите опыт 8, но теперь заметьте после удара максимальное отклонение шара с меньшей массой (S₂). Запишите его в таблицу (S₂).

10.   Используя значения S₀, S₁ и S₂, вычислите импульс шара до удара m₁∙S₀ и сумму импульсов шаров после удара  m₁∙S₁ + m₂∙S₂ и внесите в таблицу их результаты.

11.   Сравните импульс шара до удара с суммой импульсов шаров после удара.

12.   Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Что такое импульс материальной точки? По какой формуле он находится?

2.    Импульс – величина векторная или скалярная?

3.    Запишите формулу и формулировку закона сохранения импульса?

4.    Выполняется ли закон сохранения импульса при распаде тела?

5.    Какое движение называется реактивным?

6.    Выполняется ли закон сохранения импульса при реактивном движении?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 3

СОХРАНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛ ТЯЖЕСТИ И УПРУГОСТИ

 

Цель работы: научиться измерять потенциальную энергию поднятого над землей тела и упругодеформированной пружины; сравнить две величины - уменьшение потенциальной энергии прикрепленного к пружине тела при его падении и увеличение потенциальной энергии растянутой пружины.

 

Студент научится: описывать изученные свойства тел и механические явления, используя физические величины: масса, сила тяжести и упругости, потенциальная энергия упругодеформированного тела; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: объяснять суть и различие в видах механической энергии, использовать знания в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с приборами, для сохранения здоровья и норм экологического поведения в окружающей среды.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: динамометр, жесткость пружины которого равна 40 Н/м, линейка измерительная, груз из набора по механике (масса груза равна (0,100 ±0,002) кг), фиксатор, штатив с муфтой и лапкой.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Если тело способно совершить работу, то говорят, что оно обладает энергией.

Механическая энергия тела – это скалярная величина, равная максимальной работе, которая может быть совершена в данных условиях.

Обозначается  Е - единица энергии в СИ  [1Дж = 1Н*м]

Кинетическая энергия – это энергия тела, обусловленная его движением.

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела: Е_к =

Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью  равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость: A = Е_к =

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия – энергия тела, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих между собой тел или частей одного тела. 

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести (потенциальная энергия тела, поднятого над землей) Ep = mgh.

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину E_p = ,

где k – жесткость пружины, х - абсолютное удлинение тела.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только силами тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:

A = –(Ep₂ – Ep₁).

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел: A = Ek₂ – Ek₁

Следовательно   Ek₂ – Ek₁ = –(Ep₂ – Ep₁)      или        Ek₁ + Ep₁ = Ek₂ + Ep₂.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона.

Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией.

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой только консервативными силами, при любых движениях этих тел не изменяется. Происходят лишь взаимные превращения потенциальной энергии тел в их кинетическую энергию, и наоборот, или переход энергии от одного тела к другому Е = Ек + Еp = const . 

Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

 

Описание установки

Для работы используется установка, показанная на рисунке. Она представляет собой укрепленный на штативе динамометр с фиксатором 1.

Пружина динамометра заканчивается проволочным стержнем с крючком. Фиксатор (в увеличенном масштабе он показан отдельно — помечен цифрой 2) — это легкая пластинка из пробки (размерами 5х7х1,5 мм), прорезанная ножом до ее центра. Ее насаживают на проволочный стержень динамометра. Фиксатор должен перемещаться вдоль стержня с небольшим трением, но трение все же должно быть достаточным, чтобы фиксатор сам по себе не падал вниз. В этом нужно убедиться перед началом работы. Для этого фиксатор устанавливают у нижнего края шкалы на ограничительной скобе. Затем растягивают и отпускают.

Фиксатор вместе с проволочным стержнем должен подняться вверх, отмечая этим максимальное удлинение пружины, равное расстоянию от упора до фиксатора.

Если поднять груз, висящий на крючке динамометра, так, чтобы пружина не была растянута, то потенциальная энергия груза по отношению, например, к поверхности стола равна mgh. При падении груза (опускание на расстояние x = h) потенциальная энергия груза уменьшится на Е₁=mgh? а энергия пружины при ее деформации увеличивается на Е₂=kx²/2

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Ход работы: 1) h_ср= ; 2) Е_1ср=mgh_ср; 3)  Е_2ср=kx²/2.

2.    Груз из набора по механике прочно укрепите на крючке динамометра.

3.    Поднимите рукой груз, разгружая пружину, и установите фиксатор внизу у скобы.

4.    Отпустите груз. Падая, груз растянет пружину. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное удлинение х пружины.

5.    Повторите опыт пять раз. Найдите среднее значение h и х.

6.    Подсчитайте Е_1ср=mgh и  Е_2ср=kx²/2.

7.    Результаты занесите в таблицу:

 

№	h=хmax, м	hср=хср, м	Е1ср, Дж	Е2ср, Дж	Е1ср/ Е2ср
1.
2.
3.
4.
5.

8.    Сравните отношение Е_1ср/ Е_2ср с единицей и сделайте вывод о погрешности, с которой был проверен закон сохранения энергии.

9.    Ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Раскройте понятие механической энергии?

2.    Какая энергия называется кинетической? По какой формуле она находится?

3.    Какая энергия называется потенциальной? По какой формуле она находится?

4.    Что называется полной механической энергией?

5.    Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

6.    Как связано изменение потенциальной энергии падающего груза с изменением энергии
пружины, растянутой при его падении?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 4

СРАВНЕНИЕ РАБОТЫ СИЛЫ С ИЗМЕНЕНИЕМ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА

 

Цель работы: сравнить изменение кинетической энергии тела при соскальзывании с наклонной плоскости с работой равнодействующей сил. Сделать вывод о выполнении теоремы о кинетической энергии.

 

Студент научится:   анализировать процессы, используя теорему о кинетической энергии и физические величины: масса, равнодействующая сила, работа силы, кинетическая энергия; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: применять теорему о кинетической энергии для сравнения работы силы с изменением кинетической энергии тела; понимать всеобщий характер теоремы о кинетической энергии.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: штатив, широкая деревянная линейка, деревянный брусок, линейка, секундомер.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Теорема о кинетической энергии утверждает, что работа силы, приложенной к телу, равна изменению кинетической энергии тела: А = Е_к1 - Е_к2 = ΔЕ_к.

 

Описание установки

    В лапке штатива закрепляют горизонтально динамометр. К его крючку привязывают шар на нити длиной 60—80 см. На 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 F_ynp со стороны пружины динамометра. Затем шар отпускают. Под действием силы упругости шар приобретает скорость , его кинетическая энергия изменяется от 0 до  . ΔЕ_к = .

Для определения модуля скорости vшара, приобретенной под действием силы упругости F_упр, можно измерить дальность полета s шара при свободном падении с высоты Н: υ = , t = .

Отсюда модуль скорости равен: υ = , а изменение кинетической энергии равно  ΔЕ_к = .

Сила упругости во время действия на шар по закону Гука изменяется линейно от F_упр1 = 2 Н до F_упр2 =  0, среднее значение силы упругости равно F_упр.ср =  = .

Измерив  деформацию пружины динамометра x, можно вычислить работу силы упругости: А = F_упр.срx = F_упр.1x.

Задача настоящей работы состоит в проверке равенства A = ΔЕ_к, т.е. F_упр.1x = .

 

Инструкция по выполнению лабораторной 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:.

4.    Измерьте деформацию пружины динамометра х при силе упругости 2 Н. Вычислите работу А силы упругости:.

5.    Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

m, кг	h, м	s, м	ΔЕk, Дж	Fупр, Н	х, м	А, Дж

6.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Какая энергия называется кинетической? По какой формуле она находится?

2.    Сформулируйте определение силы упругости?

3.    Дайте понятие деформации?

4.    При каких условиях возникают силы упругости?

5.    Запишите формулу работы силы упругости.

6.    В чем состоит суть закона Гука?

7.    Сформулируйте теорему о кинетической энергии?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ УДАРА ШАРОВ И БАЛЛИСТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА

 

Цель работы: проверка на практике законов сохранения энергии и импульса на примере упругого и неупругого соударения тел.

 

Студент научится: описывать упругий и неупругий удар, используя физические величины: масса, кинетическая энергия, импульс тела; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: приводить примеры практического использования физических знаний о законах сохранения энергии и импульса; различать границы применимости и понимать всеобщий характер данных законов.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: штатив с двумя подвесами, набор шаров, масштабная линейка.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Векторная величина p, равная произведению массы m материальной точки на ее скорость υ, и имеющая направление скорости, называется импульсом, или количеством движения, этой материальной точки p = mυ.

Закон сохранения импульса: Импульс замкнутой механической системы не меняется с течением времени (сохраняется) при любых взаимодействиях материальных точек системы между собой.

Закон сохранения энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не меняется со временем Ек + Е_р = const. 

 

Описание установки

Соберите установку:

 

 

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Определите  массу шаров на весах и измерьте длину их подвеса.

2.    Отведите  большой шар на 5-7см (S₀) в сторону и отпустите его, произведя прямой удар по другому шару. Заметьте  максимальные отклонения шаров после удара S₁ и S₂.

3.    Определите  скорости шаров до и после  удара: mgh =; v=.

4.             Высоту подъема шара определите по максимальному отклонению s от положения равновесия (см. рис.2).   АВ² = АС ∙АD,  S² = 2lh; h= . Тогда скорости шаров: v₀₁= S₀∙; v₁= S₁∙;   v₂= S₂∙.

5.    Вычислите импульсы шаров до и после взаимодействия.

6.    Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1:

 

m1, кг	m2, кг	h, м	t, с	l, м	υ 01, м/с	υ1 , м/с	υ 2 , м/с	p01, кг·м/с	p1, кг·м/с	p2, кг·м/с

 

7.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Как применить законы сохранения энергии и импульса в случаях центральных упругого и неупругого соударения шаров?

2.    Какие виды соударений называются абсолютно упругим и абсолютно неупругим ударом?

3.    Как определить потери энергии при неупругом и коэффициент восстановления при упругом ударах.

4.    Как определить скорость полета пули с помощью баллистического маятника?

5.    Как оценить результат измерений независимыми от измерений способами? (зависимыми способами?)

6.    Какая система называется замкнутой?

 

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СИЛЫ ТРЕНИЯ (СКОЛЬЖЕНИЯ)

 

Цель работы: определить коэффициент трения скольжения путем измерения угла наклона плоскости по отношению к горизонту, силы, удерживающей тело на наклонной плоскости, и силы, необходимой для равномерного движения тела вверх вдоль наклонной плоскости.

 

Студент научится: описывать движение тела, используя физические величины: масса, сила трения скольжения, коэффициент трения  скольжения, сила; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: экспериментально находить коэффициент трения скольжения; использовать знания в повседневной жизни.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: штатив с лапкой, деревянный брусок, деревянная доска, динамометр.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Сила трения скольжения – это сила, которая возникает при скольжении предмета по какой-либо поверхности.

Сила трения скольжения направлена в сторону, противоположную относительной скорости тел, и равна произведению коэффициента трения и силы нормального давления: Fтр=μN.

На тело, равномерно движущееся по наклонной плоскости, действуют сила тяжести, сила нормального давления и сила трения. Сумма сил, действующих на тело, при равномерном движении равна нулю: m +  +  = 0. Следовательно, N = mgcosα.

Воспользовавшись выражением Fтр=μN, можно записать: mgsinα – μmgcosα = 0, тогда μ = tgα.

Таким образом, измерив угол, при котором тело начинает скользить по наклонной плоскости, мы можем определить коэффициент трения.

 

Описание установки

Соберите экспериментальную установку, установив наклонную плоскость так, чтобы тело, положенное на нее, соскальзывало вниз с ускорением.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Ход работы:

1) m +  +  = 0;  2) N = mgcosα;  3) Fтр=μN;  4) mgsinα – μmgcosα = 0; 5) d = ; 6) μ = tgα = , 7) µ_ср = .

2.    Измерьте длину l доски.

3.    Положите брусок на доску.

4.    Один конец доски не должен двигаться, поэтому прижмите ее к какой-нибудь опоре. Начинайте медленно поднимать доску за другой конец. Зафиксируйте, на какой высоте будет находиться конец доски, при которой брусок начнет скользить.

5.    Измерьте высоту верхнего конца доски.

6.    Опыт повторите три раза.

7.    Сделайте расчет основания наклонной плоскости для каждого случая по формуле: d =  и коэффициента трения по формуле: μ = tgα = .

8.    Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

№	l, см	, см	d, см	μ	μср
1.
2.
3.

9.    Переверните брусок на другую грань и повторите опыт. Проверьте, существенно ли различается высота подъема конца доски, при которой брусок начинает скользить. Сделайте вывод.

 

Контрольные вопросы

1.    Что называется силой трения?

2.    Какова природа сил трения?

3.    Назовите основные причины, от которых зависит сила трения?

4.    Перечислите виды трения.

5.    Можно ли считать явление трения вредным? Почему?

6.    Какие силы действуют на тело при взвешивании его с помощью динамометра?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 7

ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

 

Цель работы: определение влажности воздуха с помощью психрометра Ассман и постоянную психрометра

 

Студент научится: распознавать тепловые явления и объяснять на основе имеющихся знаний условия протекания явлений и процессов: испарение, конденсация, влажность воздуха, точка росы; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: определять относительную влажности воздуха; пользоваться психрометром; использовать знания о тепловых явлениях в повседневной жизни при обращении с прибором – психрометр Ассман.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: психрометр Ассман, вода в стакане, вата, психрометрическая таблица.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

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

Абсолютная влажность определяется плотностью водяного пара р_а, находящегося в атмосфере, или его парциальным давлением p_п.

Парциальным давлением p_п называется давление, которое производил бы водяной пар, если бы все другие газы в воздухе отсутствовали.

Относительной влажностью φ называется отношение парциального давления p_п водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара p_н.п., при данной температуре. Относительная влажность φ показывает, сколько процентов составляет парциальное давление от давления насыщенного пара при данной температуре и определяется по формулам: 𝜑=100% или 𝜑=100% .

Парциальное давление p_п можно рассчитать по уравнению Менделеева-Клапейрона или по точке росы.

Точка росы - это температура, при которой водяной пар, находящийся в воздухе становится насыщенным.

Относительную влажность воздуха можно определить с помощью специальных приборов – психрометра и гигрометра.

 

Описание установки

    Психрометр состоит из двух термометров. Резервуар одного из них остается сухим, и темрмометр показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружен полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение и тем меньше разность показаний термометра, окруженного полоской влажной ткани, и сухого термометра. При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испарятся  и показания обоих термометров будут одинаковы. При разности температур термоментров с помощью специальных таблиц, называемых психрометрических, можно определить относительную влажность воздуха.

Психрометрами обычно пользуются в тех случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности воздуха.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Снять показания сухого термометра.

2.    Обернуть влажным куском ваты резервуар термометра, выждать 20 минут, снять показания.

3.    Определить разность показаний сухого и влажного термометров.

4.    Пользуясь психрометрической таблицей, определить относительную влажность воздуха в кабинете.

5.    Результаты измерений занести в таблицу:

Показания термометров		Разность показаний термометров tс-tвл	Относительная влажность воздуха φ, %
сухого tc	смоченного tвл

6.    Сделать вывод, указав физический смысл измеренной величины, рекомендации по поддержанию влажности в кабинете в пределах нормы и ответить на контрольные вопросы.

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

 

 

 

Контрольные вопросы

1.    Имеет ли значение влажности воздуха при хранении пищевых продуктов? Где и для чего еще необходимо учитывать значение влажности?

2.    Какие последствия может иметь наличие в кухне повышенной влажности воздуха?

3.    Какой пар называется насыщенным? Что такое динамическое равновесие; точка росы?

4.    Почему показания смоченного термометра меньше, чем сухого?

5.    Сухой и влажный термометры психрометра показывают одинаковую температуру. Какова относительная влажность воздуха?

6.    В каком случае температура «влажного» термометра будет равна температуре «сухого»?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

 

Лабораторная работа № 8

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

 

Цель работы: экспериментально определить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва капель.

 

Студент научится: описывать поверхностное натяжение жидкости, используя физические величины и явления: поверхностное натяжение жидкости, смачивание, несмачивание, капиллярность; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: находить поверхностное натяжение жидкости; использовать знания о тепловых явлениях в повседневной жизни; приводить примеры практического использования физических знаний о поверхностном натяжении жидкостей.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: весы учебные, разновес (можно мензурку), клин измерительный, пипетка, штангенциркуль, стакан с водой, стакан химический.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости. Как и любая механическая система, поверхностный слой жидкости самопроизвольно переходит в такое состояние, при котором потенциальная энергия его минимальна, при этом площадь свободной поверхности жидкости сокращается.

    Поверхностное натяжение можно определять различными методами. В лабораторной работе используется метод отрыва капель.

    Сила, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение ее свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения F_пн .

    Величина, равная  силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения σ или просто поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение находится по формуле:  s = , где l-длина границы свободной поверхности жидкости.

   Коэффициент поверхностного натяжения можно определить различными методами: методом отрыва капель, отрыва рамки, методом подъема воды в капилляре.

 

Описание установки

Расчеты показывают, что отрыв капли воды от пипетки происходит при выполнении равенства mg = σπd, где m — масса капли, σ — коэффициент поверхностного натяжения воды, d — внутренний диаметр пипетки l=π·d_капли. Отсюда

Опыт показывает, что d_капли =0,9d, где d – диаметр канала узкого конца шприца.

Массу капли можно найти, посчитав количество капель n и зная массу всех капель m.

Для повышения точности измеряют массу М нескольких капель: М = m•n, где n — число капель. Тогда расчетная формула принимает вид: 

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    С помощью измерительного клина и штангенциркуля измерьте внутренний диаметр пипетки d.

2.    Накапайте в пустой стакан 100-200 капель воды и с помощью весов (или мензурки) определите массу накапанной воды m.

3.    Вычислите σ.

4.    Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

 

d, м	n	m, кг	σ, Н/м

 

5.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

2.    Почему и как поверхностное натяжение зависит от температуры?

3.    Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?

4.    Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?

5.    Почему следует добиваться медленного падения капель?

6.    В двух одинаковых пробирках находится одинаковое количество капель воды. В одной пробирке вода чистая, в другой-с добавкой мыла. Одинаковы ли объемы отмеренных капель? Ответ обоснуйте.

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

 

 

Лабораторная работа № 9

НАБЛЮДЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

 

Цель работы: научиться распознавать процесс кристаллизации и объяснять на основе имеющихся знаний условия протекания кристаллизации тела.

 

Студент научится: распознавать процесс кристаллизации и объяснять на основе имеющихся знаний условия протекания кристаллизации тела; объяснять  диаграмму равновесных состояний и фазовых переходов; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

   Студент получит возможность научиться: определять типы связей в кристаллах и виды кристаллических структур; различать основные признаки моделей строения твердых тел.

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: пробирка с парафином, пробиркодержатель, лабораторный термометр 0-100°С, стакан  с  горячей водой 150 - 200 мл, часы.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Одной из характеристик кристаллических тел, отличающих их от аморфных, является определенная температура плавления (и равная ей температура кристаллизации).  Другими словами, когда кристаллическое тело при постоянном нагревании достигает температуры плавления, его температура на некоторое время перестает повышаться, и только тогда, когда все тело становится жидким, его температура начинает снова возрастать. Такая же задержка в изменении температуры происходит и при остывании жидкости, превращающейся в кристаллическое тело.

   По мере охлаждения расплавленного кристаллического вещества его частицы замедляют свое хаотическое движение. При достижении температуры плавления скорость движения частиц уменьшается, и они под действием сил притяжения начинают «пристраиваться»  одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура его остается постоянной. Это температура кристаллизации или температура плавления данного кристаллического тела.

После этого как все вещество перейдет в твердое состояние, температура его снова начинает понижаться.

   Твердые парафины являются кристаллическими телами. В данной работе на опыте убедимся в кристаллической природе высокоочищенного (белого) парафина, применяемого в физиотерапии.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:

 

τ, мин	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
t, 0С

 

2.    Опустите в стакан с горячей водой  (около  80 °С)  пробирку с парафином и наблюдайте за тем, как он плавится.

3.    После того, как парафин  расплавится, перенесите пробирку в стакан, куда налито около 150 мл холодной воды, и опустите в расплавленный парафин (в его середину) термометр.

4.    С момента, когда температура парафина начнет понижаться, с интервалом в 1 минуту записывайте показания термометра.

5.    Продолжая записывать показания термометра, пронаблюдайте этап перехода парафина в твердое состояние.

6.    При охлаждении до 50^оС -  45^оС прекратите измерения. По экспериментальным данным постройте график зависимости температуры t от времени τ.

7.    По графику определите температуру кристаллизации парафина.

8.    Запишите общий вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

 

 

Контрольные вопросы

1.    Какие вещества называются кристаллическими? Аморфными?  Приведите примеры.

2.    Как по графику изменения температуры вещества при нагревании от времени определить температуру плавления кристаллического тела?

3.    Отметьте на графике участки, соответствующие:

а)      жидкому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами АВ);

б)     смеси парафина в жидком и твердом состояниях (обозначьте этот участок буквами ВС);

в)     твердому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами СD).

4.    Объясните характер поведения молекул вещества на каждом участке состояния парафина.

5.    Чем отличаются графики зависимости температуры от времени кристаллических и аморфных тел?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 10

ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЯ

 

Цель работы: научиться, экспериментально, определять модуль упругости резины (модуль Юнга) методом деформации резинового шнура.

 

Студент научится: описывать деформацию растяжения, используя физические величины: сила упругости, модуль Юнга, механическое напряжение; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: «устанавливать» закон Гука, находить значение F_ynp в конкретных ситуациях, измерять силу упругости, исследовать механические свойства твердых тел, применять физические понятия и законы в учебном материале профессионального характера; экспериментально находить коэффициент трения скольжения; использовать знания в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с приборами, для сохранения здоровья и норм экологического поведения в окружающей среде.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: штатив с зажимом, резиновый шнур, два-три груза известной массы, измерительная линейка.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Закон Гука: при малых деформациях  механическое напряжение σ прямо пропорционально относительному удлинению ε.      

σ = Е·|ε|, где Е – модуль упругости или модуль Юнга.                                                      

Механическое напряжение: σ =  . Относительное удлинение: ε =  =  .

Подставив эти значения в закон Гука, мы получим:  E  , Е =  .

Описание установки

Собрать экспериментальную установку по рисунку: на штатив подвесить резиновый шнур. Нанести карандашом метки А и В на резиновом шнуре, на расстоянии ℓ_0.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Подготовить таблицу для записи измерений и вычислений.

 

№ п/п	Площадь поперечного сечения шнура (м2)	Расстояние между отметками ℓ0 (м)	Расстояние после деформации ℓ (м)	Деформирующая нагрузка F (Н)	Модуль упругости Е (Н/м2)
1.

 

2.    Подвесить деформационную нагрузку к резиновому шнуру, закреплённому на штативе.

3.    Измерить расстояние ℓ между штрихами А и В в растянутом состоянии и определить нагрузку F.

4.  Вычислить модуль Юнга (модуль упругости) по формуле: Е = = .

5.    Записать все результаты измерений и вычислений в таблицу.

6.    Повторить опыт с другой нагрузкой F₂ и вычислить Е₂.

7.    Определить среднее значение модуля упругости Е_ср: Е_ср.= .

8.    Определить погрешность измерений и вычислений:   – абсолютная:   ΔЕ = |Е_ср – Е|=             – относительная: δ =  .

9.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Что такое деформация?

2.    Какие существуют виды упругих деформаций?

3.    Сформулируйте закон Гука для изучаемых деформаций. Исходя из каких соображений подбираются внешние нагрузки для проверки закона Гука?

4.    Что называют механическим напряжением?  (Определение, формула, ед.изм.)

5.    Каков физический смысл модуля Юнга? От чего зависит эта величина?

6.    Как влияет природа материала на модуль Юнга?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

 

Лабораторная работа № 11

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

 

Цель работы: пронаблюдать  на практике тепловое расширение твердых тел, научиться производить расчеты линейных и объемных изменений твердых тел при изменении их температуры.

 

Студент научится: распознавать тепловое равновесие твердых тел и объяснять на основе имеющихся знаний условия протекания теплового расширения; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: понимать свойства вещества в данном агрегатном состоянии на основе характера движения и взаимодействия молекул.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: 1) стержни (алюминиевый, стальной) штатив с лапкой и муфтой, электрическая плитка, стакан с водой, штангенциркуль.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящие при повышении температуры.

Расширение твердого тела вдоль одного его измерения называется линейным.

Величина, показывающая, на какую долю начальной длины, взятой при 0⁰С, увеличивается длина тела от нагревания его на 1⁰С, называется коэффициентом линейного расширения и обозначается через α.    α =

Увеличение объема тел при нагревании называется объемным расширением.

Объемное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения и обозначается через   β.          β =  

Коэффициент объемного расширения твердого тела равен утроенному коэффициенту линейного расширения, т.е β = 3α.

 

Описание установки

1)       Испытываемый образец нагревается в стакане с водой, находящейся на электрической плитке. Измерение длины нагретого образца по сравнению с его первоначальной длиной (при комнатной температуре) измеряется штангенциркулем и вводится в известную формулу для определения линейного расширения.

Видео эксперимента: http://www.youtube.com/watch?v=6uDL-KX7Tqw.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Измерить комнатную температуру.

2.    Измерить длину стержня l₁  при комнатной температуре.

3.    Поместить стержень в стакан с кипящей водой и греть 10 минут.

4.    Измерить длину стержня с помощью штангенциркуля.

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

6.    Сравнить полученный результат с табличным значением (см. таблицу) и вычислить относительную погрешность по формуле:    .

7.          Результат записать в таблицу:   

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

8.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Таблица. Температурный коэффициент линейного расширения металлов и сплавов

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

*     этот сплав используется для изготовления деталей точных измерительных приборов;

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

       изготовления электрических ламп;

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

 

Контрольные вопросы

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

2.    Почему тела расширяются? Что изменяется у тела в процессе расширения?

3.    Значение теплового расширения тел в природе и технике?

4.    Почему стаканы из толстого стекла лопаются чаще, чем тонкостенные, при наливании в них крутого кипятка?

5.    Приведите 3 – 4 примера учета теплового расширения тел в технике.

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 12

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ВОДЫ

 

Цель работы: пронаблюдать  на практике тепловое расширение жидкостей, учиться применять полученные теоретические знания к решению практических задач и объяснять механизм теплового расширения тел на основе молекулярно-кинетической теории; изучить на практике особенности теплового расширения воды.

 

Студент научится: объяснять на основе имеющихся знаний условия протекания теплового расширения; объяснять  диаграмму равновесных состояний и фазовых переходов; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: различать основные признаки моделей строения жидкостей и твердых тел.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: штатив с лапкой и муфтой, спиртовка со спиртом, пробирка с пробкой и стеклянной трубкой, стакан с водой, спички, термометр, стакан с холодной водой,  чайник с горячей водой (один на всех).

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Жидкости расширяются значительно сильнее твердых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Вследствие большой подвижности молекул жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится, причем следует учитывать и тепловое расширение сосуда. Расширение жидкости в трубках также представляет собой объемное расширение. Следовательно, верны формулы объемного расширения. Если

    ΔV= V₁ β Δt;        V₂= V₁(1+ β Δt)

    Коэффициент объемного расширения β равен отношению относительного объемного расширения ΔV/V1 к разности температур Δt: β =

   При увеличении объема тел уменьшается их плотность:  ρ=ρ₀/(1+ β ·Δt), где V и V₀ -  объемы, а ρ и ρ₀ -  плотности соответственно при температурах t и t₀.

 

Описание установки

2)      Видео эксперимента: http://rutube.ru/video/9aec6d9ba6c5a3fad68923670fa75887/.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Для наблюдения расширения жидкости пробирку, наполненную водой и плотно закрытую пробкой с трубкой, зажать в лапке штатива и подставить под нее спиртовку (или опустить в горячую воду). Осторожно!

2.    Зажечь спиртовку, наблюдать за изменением уровня воды в трубке. Что наблюдали? Почему уровень сначала опустился?

3.    Убрать спиртовку, наблюдать за изменением уровня воды в трубке. Что наблюдали?

4.    В одинаковые колбы нальем: в одну — воду, а в другую — такой же объем спирта. Колбы закроем пробками с трубками. Начальные уровни воды и спирта в трубках отметим резиновыми кольцами. Поставим колбы в емкость с горячей водой. Уровень воды в трубках станет выше. Вода и спирт при нагревании расширяются. Но уровень в трубке колбы со спиртом выше. Значит, спирт расширяется больше. Следовательно, тепловое расширение разных жидкостей, как и твердых веществ, неодинаково.

5.    Определить плотность спирта в жидкостном термометре при нагревании.

6.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Объясните причину теплового расширения  жидкостей с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

2.    Почему тела расширяются? Что изменяется у тела в процессе расширения?

3.    Значение теплового расширения тел в природе и технике?

4.    Приведите 3 – 4 примера учета теплового расширения тел в технике.

5.    Объясните, почему при быстром нагревании стеклянной колбы, до краев заполненной жидкостью, ее уровень сначала несколько понижается, а затем повышается, и жидкость начинает переливаться через край.

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 13

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ

 

Цель работы: установить на опыте зависимость силы тока от напряжения и сопротивления. Экспериментальная проверка законов последовательного и параллельного соединений проводников.

 

Студент научится: производить расчет электрических цепей при различных способах соединения потребителей и источников электрического тока, используя физические величины: сила тока, напряжение, сопротивление; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: использовать знания об электромагнитных явлениях в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с приборами для сохранения здоровья; различать границы применимости закона Ома для участка цепи, закон Джоуля – Ленца.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: источник питания 4,5 В; проволочные резисторы 2 шт.; вольтметр, амперметр, реостат, соединительные провода.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц.  Количественной мерой электрического тока служит сила тока.

Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

I = .

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А].

Прибор для измерения силы тока Амперметр. Включается в цепь последовательно

Напряжение – это физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равно работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ₁ в точку с потенциалом φ₂:  U=   Единица напряжения – Вольт [В].

Прибор для измерения напряжения – Вольтметр.  Подключается  в цепь параллельно тому участку цепи, на котором измеряется разность потенциалов.

Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника. Электрическое сопротивление проводника зависит от размеров и формы проводника и от материала, из которого изготовлен проводник.  R=   В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит Ом [Ом].

Графическая зависимость силы тока I от напряжения U - вольт-амперная характеристика.

Закон Ома для участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

I =.

Описание установки

Соберите электрическую цепь по предложенной схеме:

Последовательное соединение		Параллельное соединение

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

Задание 1

1.    Соберите цепь, состоящую из последовательно соединенных резисторов и реостата. Проведите измерения силы тока на различных участках цепи.

2.    Измерьте напряжения на каждом резисторе и источнике тока при замкнутой цепи (вольтметр присоединяйте параллельно резистору, соблюдая полярность).

3.    Показания приборов занесите в таблицу:

 

I, A I =I1 =I2	U1, B	U2, B	U, B U = U1 +U2	R1, Ом R1 =	R2, Ом R2 =	R, Ом R = R1 + R2

 

4.    Рассчитайте эквивалентное сопротивление, общее напряжение и общую силу тока, результаты занесите в таблицу.

 

     Задание 2

1.    Соберите цепь, используя схему.

2.    В неразветвленной части цепи установите силу тока при помощи реостата не более 1,5 А  (в дальнейшем положение движка не меняйте).

3.    Произведите опыты по измерению силы тока и напряжения в неразветвленной части цепи и отдельных участках цепи R1 и R2.

4.    Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

U, B U = U1 =U2	I1, B	I2, B	I, A I =I1 +I2	R1, Ом R1 =	R2, Ом R2 =	R, Ом  =   +

 

5.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Что такое электрический ток?

2.    Дайте определение силы тока. Как обозначается? По какой формуле находится?

3.    Дайте определение напряжения. Как обозначается? По какой формуле находится?

4.    Дайте определение сопротивления. Как обозначается? По какой формуле находится?

5.    Сформулируйте закон Ома для участка цепи.

6.    Чему равны общая сила тока, напряжение, сопротивление при последовательном и параллельном соединениях?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 14

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ

 

Цель работы: установление зависимости силы тока от внешнего сопротивления, определить КПД электрической цепи.

 

Студент научится: производить расчет электрических цепей при различных способах соединения потребителей и источников электрического тока, используя физические величины: сила тока, напряжение, сопротивление, ЭДС; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: использовать знания об электромагнитных явлениях в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с приборами для сохранения здоровья; различать границы применимости закона Ома для полной цепи, закон Джоуля – Ленца.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, два резистора, соединительные провода.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Закон Ома для полной цепи - сила тока прямо пропорциональна ЭДС цепи, и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и цепи , где ε – ЭДС, R- сопротивление цепи, r – внутреннее сопротивление источника.

    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 =  =   

 

Описание установки

Соберите экспериментальную установку по предложенной схеме.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Начертите в тетради схему работы.

2.    При разомкнутой цепи вольтметр,  подклю​ченный  к полюсам источника показывает значение ЭДС источника  ε = ___ В.

3.    При замыкании ключа снимите показания силы тока в цепи I =   и напряжения на полюсах источника U= ____ В.

4.   Вычислите сопротивление цепи: R= .

5.    Используя закон Ома для полной цепи ,  определите внутреннее сопротивление источника тока:

6.    Вычислите КПД электрической цепи по формуле: η =   .

7.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

         

Контрольные вопросы

1.    Что такое сторонние силы, каковы их природа и роль в электрической цепи?

2.    Чему равно ЭДС источника при разомкнутой цепи?

3.    Что понимают под ЭДС источника тока, разностью потенциалов и напряжением на участке цепи?

4.    Напишите закон Ома для полной цепи и поясните смысл выражения "сумма падений напряжений".

5.    Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?

6.    Чем определяется сила тока короткого замыкания батарейки?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

 

 

Лабораторная работа № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЧАЙНИКА

 

Цель работы: научиться определять КПД электроприборов на примере электрочайника.

 

Студент научится: распознавать электромагнитные явления и объяснять на основе имеющих знаний основные условия нагревания проводника с током; описывать изученные свойства и электромагнитные явления, используя физические величины: мощность, работа тока, коэффициент полезного действия, количество теплоты; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: использовать знания об электромагнитных явлениях в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с электрическим чайником для сохранения здоровья и соблюдения норм экологического поведения в окружающей среде; различать границы применимости закона Ома для полной цепи, закон Джоуля – Ленца.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: электрический чайник, термометр, часы с секундной стрелкой.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Электрическим током называют упорядоченное, направленное движение заряженных частиц.

    Действия электрического тока - тепловое, магнитное, химическое, механическое, физиологическое

    Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа. A = UIt.

    Закон Джоуля – Ленца: Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику. Q = I²Rt.

    Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока. P= I U.

 

Описание работы

    Электрический чайник отключен от электрической сети. Берем в руки пустой чайник, переворачиваем его, изучаем паспорт чайника, записываем значение мощности нагревательного элемента

 

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Рассмотрите электрочайник. По паспортным данным определите электрическую мощность электроприбора P.

2.    Налейте в чайник воду объѐмом V, равным 1 л (1 кг).

3.    Измерьте с помощью термометра начальную температуру воды t₁.

4.    Включите чайник в электрическую сеть и нагревайте воду до кипения.

5.    Определите по таблице температуру кипения воды t₂.

6.    Заметьте по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Δt.

7.    Используя данные измерений, вычислите:

а)      совершѐнную электрическим током работу, зная мощность чайника P и время нагревания воды Δt, по формуле A _{эл.тока} = P∙Δt.

б)     количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе,  Q _нагр. = cm(t₂ - t₁).

8.    Рассчитайте коэффициент полезного действия электрочайника по формуле:

          η =  = .

9.    Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

 

P, Вт	V, м 3	t1, 0С	Δt, с	t 2, 0С	Aэл.тока,Дж	Qнагр., Дж	ŋ,%

 

10.   Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Как рассчитать количество теплоты, выделяющегося в проводнике при протекании по нему тока, зная сопротивление этого проводника?

2.    Почему спираль электрочайника изготавливают из проводника большой площади сечения? Дайте развѐрнутый ответ.

3.    Приведите примеры других электроприборов, в которых нагревательным элементом является спираль. Чем эти приборы отличаются друг от друга?

4.    Почему маломощные приборы невыгодны? Почему при пользовании такими приборами неизбежен перерасход энергии?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НИТИ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

 

Цель работы: определить температуру светящейся нити лампы накаливания.

 

Студент научится: определять температуру нити накаливания, находить зависимость электрического сопротивления металлов от температуры; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: приводить примеры практического использования знания об электромагнитных явлениях в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с электрической лампой для сохранения здоровья и соблюдения норм экологического поведения в окружающей среде.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: лампа накаливания, вольтметр, амперметр, реостат, источник электропитания, соединительные провода.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Зависимость электрического сопротивления R, металлов от температуры выражается формулой R=R₀(l+at), где R — электрическое сопротивление металлического образца при температуре t; R₀ — электрическое сопротивление его при 0°С; a — температурный коэффициент электрического сопротивления для данного вещества. Если известны значения электрического сопротивления образца R₀ при 0°С и R, в нагретом состоянии, а также температурный коэффициент электрического сопротивления α, то температуру t можно вычислить по формуле t=(R/R₀-1)/a.

    Сопротивление металлов зависит от температуры не совсем линейно. Особенно это становится заметно при больших перепадах температуры (как в данном случае). Поэтому, при измерении сопротивления в холодном состоянии выбирается a₁ = 5*10 ^{- 3} К^-1, а в горячем

 a₂ = 5,8*10 ^{– 3} К^-1.

Описание работы

    Соберите электрическую цепь в соответствии со схемой, представленной на рисунке.

    Подсоедините реостат как потенциометр, датчик тока, лампочку и источник напряжения соедините последовательно. Затем подключите датчик напряжения, параллельно – лампочку (следите, чтобы напряжение не превышало пределы измерения датчика напряжения).

 

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Соберите установку по рисунку.

2.    Снять показания  амперметра в начальный момент и спустя некоторое время.

3.    Снять  показания  вольтметра в начальный момент и спустя некоторое время.

4.    Найти сопротивление по формуле:

5.    Найти сопротивление спустя некоторое время по формуле:

 

6.    Вывести из формулы:

7.    Рассчитаем из формулы           температуру нити.

8.    Здесь   температурный коэффициент  α =0,006  К^-1.

9.    Результаты измерений запишите в таблицу:

 

 

10.   Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Как связана яркость свечения нити лампы с температурой нити накала?

2.    Как отражается рост температуры нити накала лампы на ее сопротивление и на выделяемую в ней мощность?

3.    Чем объясняется зависимость электрического сопротивления металлов от температуры?

4.    Каковы основные источники погрешностей измерений в данном эксперименте?

5.    Каким способом можно повысить точность измерений в данном эксперименте?

6.    Как определить мощность тока с помощью амперметра и вольтметра?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 17

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ

 

Цель работы: вычисление ЭДС и внутреннего сопротивление источника тока по результатам измерений силы тока в цепи и напряжения на участке цепи.

 

Студент научится: производить расчет электрических цепей при различных способах соединения потребителей и источников электрического тока, используя физические величины: сила тока, напряжение, сопротивление, ЭДС; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: использовать знания об электромагнитных явлениях в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с приборами для сохранения здоровья; различать границы применимости законов Ома для участка и полной цепи.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, два резистора, соединительные провода.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Закон Ома для полной цепи - сила тока прямо пропорциональна ЭДС цепи, и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и цепи , где ε – ЭДС, R- сопротивление цепи, r – внутреннее сопротивление источника.

    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.

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

           и       

Решая совместно эти уравнения, получим:

            или         

    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 =  =   

 

Описание установки

Экспериментальная установка изображена на рисунке 1. К источнику тока 1 подключается к резистору 2, амперметр 3 и ключ 4. ЭДС источника тока непосредственно измеряется вольтметром 5.

При разомкнутом ключе ЭДС источника тока равна напряжению на внешней цепи. В эксперименте источник тока замкнут на вольтметр, сопротивление которого должно быть много больше внутреннего сопротивления источника тока r. Обычно сопротивление источника тока мало, поэтому для измерения напряжения можно использовать вольтметр со шкалой 0—6 В и сопротивлением Rв = 900 Ом (см. надпись под шкалой прибора). Так как сопротивление источника обычно мало, то действительно RB>> г. При этом отличие Е от U не превышает десятых долей процента, поэтому погрешность измерения ЭДС равна погрешности измерения напряжения. Внутреннее сопротивление источника тока можно измерить косвенно, сняв показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе, рассчитать из закона Ома для полной цепи.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Соберите электрическую цепь с резистором  R1 по схеме, представленной на рисунке 2. Измерьте силу тока.

              и   

          Решая совместно эти уравнения, получим:

                    или         

2.    Замените резистор R1 на резистор R2 (удобнее просто подсоединить второй резистор параллельно первому, так как они одинаковы) и измерьте новую силу тока.

3.    Вычислите внутреннее сопротивление источника тока и его ЭДС.

4.    Отключите от источника тока резистор и амперметр. Подключите вольтметр к источнику тока и снимите его показания.

5.    Сделайте вывод, согласуется ли между собой результаты прямых измерений напряжения на выходе источника. Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу. Оцените границы погрешностей измерений.

 

I, А	U, B	R1, Ом	R2, Ом	r, Ом	e, В	Dr,Ом	De, В

 

6.    Ответьте на контрольные вопросы.

 

 

Контрольные вопросы

1.    Что такое сторонние силы, каковы их природа и роль в электрической цепи?

2.    Чему равно ЭДС источника при разомкнутой цепи?

3.    Что понимают под ЭДС источника тока, разностью потенциалов и напряжением на участке цепи?

4.    Напишите закон Ома для полной цепи и поясните смысл выражения "сумма падений напряжений".

5.    Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?

6.    Чем определяется сила тока короткого замыкания батарейки?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 18

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

 

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции,  проверить правило Ленца.

 

Студент научится: определять направление линий магнитной индукции; направление силы, действующей на проводник в магнитном поле; графически изображать магнитные поля прямого проводника с током, постоянного магнита; определять направления индуктивного тока, используя правило Ленца; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: понимать физическую сущность магнитной индукции; силы Лоренца; действие магнитного поля на рамку с током; приводить примеры практического использования знания об электромагнитной индукции.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: миллиамперметр, источник питания, катушки с сердечниками, магнит дугообразный или полосовой, реостат, ключ, соединительные провода, магнитная стрелка

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Явление возникновения электрического тока при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый  контур, называется электромагнитной индукцией.

Рисунок 1

Ток, возникающий при этом явлении, называют индукционным.  ЭДС индукции, возникающая в каком либо замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, взятую с обратным знаком (рис. 1).

 = - ,   где dФ – изменение магнитного потока за время dt.

Закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Знак «-» в  формуле отражает правило Ленца: индукционный ток всегда направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызывающей ток. Опыт, подтверждающий правило Ленца (рис. 2)                                                                   Рисунок 2

Индукционный ток  наблюдается  и при усилении внешнего магнитного поля в плоскости витка без его перемещения. Например, при вдвигании полосового магнита в виток возрастет  внешнее магнитное поле и магнитный поток, его пронизывающий. Это приведет к возникновению индукционного тока (рис. 3).

 

        

                                                                                                                           Рисунок 3

 

Описание работы

    Соберите экспериментальную установку по рисунку 3.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.      Подключите катушку к зажимам миллиамперметра.

2.      Выполните следующие действия:

     а) введите северный () полюс магнита в катушку;

     б) остановите магнит на несколько секунд;

     в) удалите магнит из катушки (модуль скорости движения магнита приблизительно одинаков).

3.      Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток и каковы его особенности в каждом случае.

4.      Повторите действия пункта 2 с южным (S) полюсом магнита и сделайте соответствующие выводы.

5.      Сформулируйте, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.

6.      Объясните различие в направлении индукционного тока с точки зрения правила Ленца.

7.       Зарисуйте схему опыта.

8.      Начертите схему, состоящую из источника тока, двух катушек на общем сердечнике, ключа, реостата и миллиамперметра (первую катушку соедините с миллиамперметром, вторую катушку через реостат соедините с источником тока).

9.      Соберите электрическую цепь по данной схеме.

10.  Замыкая и размыкая  ключ, проверьте, возникает ли в первой катушке индукционной ток.

11.  Проверьте выполнения правила Ленца.

12.  Проверьте, возникает ли индукционный ток при изменении силы тока реостата.

13.  Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Как определяется направление индукционного тока?

2.    Как формулируется закон  электромагнитной индукции?

3.    Почему в законе электромагнитной индукции стоит знак «-»?

4.    Как можно быстро разделить смешавшиеся на полу мастерской железные и цинковые опилки?

5.    Предохранители у радиоприемников и телевизоров плавятся в основном не во время работы, а в начале или в конце ее. Почему?

6.    Почему полярные сияния наблюдаются в основном в полярных районах земного шара?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 19

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДА КОЛЕБАНИЙ НИТЯНОГО (ИЛИ ПРУЖИННОГО) МАЯТНИКА ОТ ДЛИНЫ НИТИ (ИЛИ МАССЫ ГРУЗА)

 

Цель работы: выяснить, как зависит период и частота свободных колебаний нитяного маятника от его длины.

 

Студент научится: формулировать понятие колебательного движения и его видов; изображать графически гармоническое колебательное движение; описывать изученные свойства и электромагнитные явления, используя физические величины: амплитуда, период, частота, циклическая частота; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы связывающие данную величину с другими величинами; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: использовать знания о механических колебаниях в повседневной жизни; различать границы применимости математического и пружинного маятников.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: штатив с муфтой и лапкой, шарик с прикреп­ленной к нему нитью длиной 130 см, протянутой сквозь кусочек резины, часы с секундной стрелкой или метроном.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Рассмотрим колебания нитяного маятника, т.е. небольшого тела (например, шарика), подвешенного на нити, длина которой значительно превышает размеры самого тела. Если шарик отклонить от положения равновесия и отпустить, то он начнет колебаться. Сначала маятник движется с нарастающей скоростью вниз. В положении равновесия скорость шарика не равна нулю, и он по инерции движется вверх. По достижении наивысшего положения шарик снова начинает двигаться вниз. Это будут свободные колебания маятника.

Свободные колебания – это колебания, которые возникают  в системе под действием внутренних сил, после того, как система была выведена из положения устойчивого равновесия.

Колебательное движение характеризуют амплитудой, периодом и частотой колебаний.

Амплитуда колебаний - это наибольшее смещение колеблющегося тела от положения равновесия. Обозначается А. Единица измерения - метр [1м].

Период колебаний - это время, за которое тело совершает одно полное колебание. Обозначается Т. Единица измерения - секунда [1с].

Частота колебаний - это число колебаний, совершаемых за единицу времени. Обозначается ν. Единица измерения - герц [1Гц].

Тело, подвешенное на невесомой нерастяжимой нити называют математическим маятником.

Период колебаний математического маятника определяется формулой:  

где l – длина подвеса, а g – ускорение свободного падения.

 

Тело, подвешенное на пружине называют пружинным маятником.

Период колебаний пружинного маятника определяется формулой где m - масса тела, k - жесткость пружины.

В работе мы исследуем колебания математического маятника. Из формулы  следует, что период колебаний изменится вдвое при изменении длины подвеса в четыре раза.

Это следствие и проверяют в работе. Поочередно испытывают два маятника, длины подвесов которых отличаются в четыре раза. Каждый из маятников приводят в движение и измеряют время, за которое он совершит определенное количество колебаний. Чтобы уменьшить влияние побочных факторов, опыт с каждым маятником проводят несколько раз и находят среднее значение времени, затраченное маятником на совершение заданного числа колебаний. Затем вычисляют периоды маятников и находят их отношение.

 

Описание работы

    Соберите экспериментальную установку по рисунку.

    Укрепите кусочек резины с висящим на нем маятником в лапке штатива, как показа­но на рисунке. При этом длина маятника должна быть равна 5 см, как указано в таб­лице  для первого опыта. Длину l маятника измеряйте так, как показано на рисунке, т. е. от точки подвеса до середины шарика.

   

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

 

№ опыта   Физическая величина	1	2	3	4	5
l, см	5	20	45	80	125
N	30	30	30	30	30
t, c
T, c
ν, Гц

 

2.    Для проведения первого опыта откло­ните шарик от положения равновесия на небольшую амплитуду (1—2 см) и отпусти­те. Измерьте промежуток времени t, за ко­торый маятник совершит 30 полных коле­баний. Результаты измерений запишите в таб­лицу.
4. Проведите остальные четыре опыта так же, как и первый. При этом длину l маятника каждый раз устанавливайте в соответствии с ее значением, указан­ным в таблице  для данного опыта.

3.    Для каждого из пяти опытов вычислите и запишите в таблицу  значения периода Т колебаний маятника. T_эксп = t/N.

4.    Вычислите теоретическое значение T нитяного маятника по формуле  T = 2π√ℓ/g , Ускорение g = 9,8 м/с².

5.    Для каждого из пяти опытов рассчитайте значения частоты ν колебаний маятника по формуле: ν = 1/Т или ν = N/t. Полученные ре­зультаты внесите в таблицу.

6.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Что называют периодом колебаний маятника?

2.    Что называют частотой колебаний маятника? Какова единица частоты колебаний?

3.    От каких величин и как зависит период колебаний математического маятника?

4.    От каких величин и как зависит период колебаний пружинного маятника?

5.    Какие колебания называют собственными?

6.    Какие колебания называются свободными?

 

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 20

ИНДУКТИВНЫЕ И ЕМКОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

Цель работы: изучить зависимость емкостного и индуктивного сопротивления от частоты переменного тока при постоянных параметрах  элементов.

 

Студент научится: производить расчеты индуктивного и емкостного сопротивления при различных способах соединения потребителей и источников электрического тока, используя физические величины: активное, емкостное и индуктивное сопротивления, индуктивность электроемкость циклическая частота, сила тока, напряжение, частота; правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: собирать схему закрытого колебательного контура и объяснить основные энергетические процессы, происходящие в нем; использовать знания о переменном токе в повседневной жизни для обеспечения безопасности при обращении с приборами для сохранения здоровья.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: амперметр, вольтметр, источник тока, резистор, катушка индуктивности, конденсатор, генератор.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Произведение циклической частоты ω на индуктивность L называют индуктивным сопротивлением:  X _L = ω · L.

    Величину, обратную произведению циклической частоты ω  на электроемкость С, называют емкостным сопротивлением: Xc = 1/ ωC.

 

Описание работы

    Соберите экспериментальные установки по следующим схемам:

   

Схема катушки в цепи переменного тока	Схема конденсатора в цепи переменного тока

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

    Катушка в цепи переменного тока

1.    Собрать цепь, задать параметры → резистор R = 100 Ом;  мощность Р = 500 Вт;  индуктивность катушки L = 100мГн = 0,1Гн;  напряжение на генераторе  U = 100В.

2.    Изменяя частоту генератора, записать показания вольтметров (напряжения на резисторе U_R и напряжение на катушке  U_L) в таблицу 1.

3.    Рассчитать значение токов, текущих в цепи, в зависимости от частоты (для этого надо напряжение    на резисторе разделить на его сопротивление I = U_R /R). Запишите полученные данные в таблицу 1.

4.    Определите индуктивные  сопротивления для соответствующих частот (для этого надо  напряжение на катушке разделить на силу тока Х_L  = U_L /I). Запишите данные в таблицу 1.

5.    Построить график зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока.

6.    Сформулируйте вывод. (Индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте переменного тока).

 

     Конденсатор  в цепи переменного тока

7.    Собрать цепь, задать параметры → рабочее напряжение U = 400В; емкость конденсатора  С = 10 мкФ; резистор сопротивлением R = 100 Ом.

8.    Изменяя частоту генератора, записать показания вольтметров (напряжения на резисторе U_R и напряжение на конденсаторе U_С) в таблицу 2.

 

9.    Рассчитать значение токов, текущих в цепи, в зависимости от частоты (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление I = U_R /R). Запишите полученные данные в таблицу 2.

10.   Определите емкостные сопротивления  для соответствующих частот (для этого надо  напряжение на конденсаторе  разделить на силу тока Х_С  = U_С /I). Запишите данные в таблицу 2.

11.   Построить график зависимости емкостного  сопротивления от частоты переменного тока.

12.   Сформулируйте вывод. (Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте переменного тока)

 

Контрольные вопросы

1.    Почему емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного ток а, индуктивное сопротивление – увеличивается?

2.    Каковы разницы фаз между током и напряжением для катушки и конденсатора?

3.    В каких единицах измеряются емкостное и индуктивное сопротивления?

4.    Как записывается аналог закона Ома для максимальных (эффективных) значений тока и напряжения для реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности?

 

5. 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 21

ИЗУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРЕДМЕТОВ В ТОНКОЙ ЛИНЗЕ

 

Цель работы: измерить оптическую силу и фокусное расстояние собирающей линзы одним из способов.

 

Студент научится: анализировать электромагнитные явления используя законы прямолинейного распространения света, отражения и преломления света; изображать падающий, отраженный и преломленный лучи и обозначать соответствующие углы; изображать ход лучей через плоскопараллельную пластину; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: разрешать проблему на основе имеющих знаний об электромагнитных явлениях с использованием математического аппарата и оценивать реальность полученного знания.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: источник света, линейка, линза собирающая, лампочка на стойке, экран, соединительные провода, выключатель.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Формула тонкой линзы имеет вид: ₌ D  (1), где d – расстояние от линзы до объекта, f – расстояние от линзы до изображения, F – фокусное расстояние линзы, D – оптическая сила линзы.

Для того, чтобы убедиться в пригодности формулы  тонкой линзы, для вашего случая необходимо измерить с помощью этой формулы оптическую силу этой линзы D при различных значениях d и f, найти абсолютные погрешности измерения D и убедиться, что в пределах точности наших измерений оптическую силу линзы можно считать величиной постоянной, т.е. формула работает.

Это можно сделать, измерив расстояния d от предмета до линзы и расстояния f от линзы до реального изображения на экране. Реальное перевернутое изображение на экране для собирающей линзы получается, если предмет расположить от линзы на расстоянии большем фокусного.  При этом если расстояние  f<d< 2f, то изображение будет увеличенным (рис.1), если расстоянии 2f<d, то уменьшенным (рис. 2). Наблюдаемым предметом может служить светящаяся спираль лампочки.

    Простейший способ измерения оптической силы и фокусного расстояния собирающей линзы основан на использовании формулы линзы:

                                           (1)  или   (2)

В качестве предмета используется светящаяся лампочка. Действительное изображение нити накала лампочки получают на экране.

 

Описание работы

    Собрать электрическую цепь, подключив лампочку к источнику тока через выключатель.

 

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1.    Соберите установку по рисунку.

2.    Поставить лампочку  и экран по краям стола, между ними поместить линзу. Перемещая линзу, получить резкое изображение светящейся нити лампочки.

3.    Измерить расстояния d и f, обратите внимание на точность измерения расстояний.

4.    Рассчитать по формулам  (1) и (2) оптическую силу и фокусное расстояние линзы.

 

Вид изображения	Расстояние от лампы до линзы d, м	Расстояние от линзы до экрана f, м	Оптическая сила линзы D, дптр	Фокусное расстояние линзы F, м
Уменьшенное
Увеличенное

 

5.    Исходя из цели работы, запишите вывод и ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.    Сформулировать основные правила распространения лучей через тонкую линзу, используемые при построении изображений.

2.    Запишите формулу тонкой линзы, укажите все входящие в нее величины и их единицы измерения.

3.    Главное фокусное расстояние собирающей линзы равно F. На каком расстоянии d от линзы нужно поместить предмет, чтобы увеличение было больше 2, но меньше 3?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

 

Лабораторная работа № 22

ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ И ДИФРАКЦИИ СВЕТА

 

Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.

 

Студент научится: анализировать состав электромагнитных излучений; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: использовать знания о явлениях интерференции, дифракции, поляризации и дисперсии света в повседневной жизни; различать границы применимости принципа Гюйгенса.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: стаканы с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой, капроновая ткань, компакт-диск, лампа накаливания, штангенциркуль, две стеклянные пластины, лезвие, пинцет, капроновая ткань.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    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 и постоянную разность фаз. условия максимумовусловия минимумов, 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» - фазы колебаний - разность фаз А = 2Хmax – амплитуда результирующей волны., 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 ее в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников).

    Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий. Условие проявления дифракции: d < , где d – размер препятствия, - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны. Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов. Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки.

 

Описание работы

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).

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

    Опыт 1. Опустите проволочную рамку в мыльный раствор. Пронаблюдайте и зарисуйте интерференционную картину в мыльной пленке. При освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникает окрашивание светлых полос: вверху – синий цвет, внизу – в красный цвет. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь. Пронаблюдайте за ним. При освещении его белым светом наблюдают образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения толщины пленки кольца, расширяясь, перемещаются вниз.

    Опыт 2. Тщательно протрите стеклянные пластинки, сложите их вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты, дающие яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы. При изменении силы, сжимающей пластинки, расположение и форма полос изменяются как в отраженном, так и в проходящем свете. Зарисуйте увиденные вами картинки.

    Опыт 3. Положите горизонтально на уровне глаз компакт-диск. Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.

    Опыт 4. Возьмите с помощью пинцета лезвие безопасной бритвы и нагрейте его над пламенем горелки. Зарисуйте наблюдаемую картину.

    Опыт 5. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос. Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест.

    Опыт 6. Пронаблюдайте две дифракционные картины при рассмотрении нити горящей лампы через щель, образованную губками штангенциркуля (при ширине щели 0,05 мм и 0,8 мм). Опишите изменение характера интерференционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси (при ширине щели 0,8 мм). Этот опыт повторите с двумя лезвиями, прижав их друг к другу. Опишите характер интерференционной картины.

1.    Запишите выводы. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции? дифракции?

 

Контрольные вопросы

1.    Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску? (Опыт 1)

2.    Какую форму имеют радужные полосы? (Опыт 1)

3.    Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение полученных интерференционных полос? (Опыт 2)

4.    Какие цвета, и в каком порядке появляются на поверхности лезвия при его нагревании? (Опыт 4)

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

Лабораторная работа № 23

ГРАДУИРОВКА СПЕКТРОСКОПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

 

Цель работы: научиться пользоваться спектроскопом, провести градуировку, исследовать линейчатые спектры поглощения и излучения, ознакомиться с элементами качественного спектрального анализа.

 

Студент научится: анализировать состав электромагнитных излучений; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

Студент получит возможность научиться: пользоваться спектроскопом.

 

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: спектроскоп, спектральные трубки, индукционная катушка, источник постоянного тока на 6 – 12 В, таблица длин волн спектральных линий газа в трубках (гелий, ртуть, водород и т.д.), источник света (лампа накаливания), спиртовая горелка, пробирка с раствором КМО₄.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

 

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

    Спектральным анализом называется метод определения химического состава вещества по его спектру. Различают спектры испускания и спектры поглощения.  

Сплошной спектр, излучаемый раскаленными твердыми и жидкими телами, представляет собой цветную полосу с непрерывным переходом одного спектрального цвета в другой.    Линейчатый спектр дают светящиеся пары и газы. Он состоит из определенного сочетания цветных линий, характерных для каждого химического элемента. Полосатый или молекулярный спектр излучается возбужденными молекулами и имеет вид системы широких полос.  

Спектры поглощения возникают при прохождении белого света сквозь различные вещества, которые поглощают из белого света отдельные участки сплошного спектра. Таким образом, на фоне сплошного спектра видны темные полосы или линии, характеризующие это вещество.

     Для качественного исследования видимой части спектра служат специальные приборы – спектроскопы.

В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке. Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посредине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой. На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6.

Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана молено наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков.

Длина волны λ определяется по формуле λ = dsinφ/k, где d - период решетки; k - порядок спектра; φ - угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета.

Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка видно, что tgφ = b/a. Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние Ь - по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.

Окончательная формула для определения длины волны имеет вид λ = db/ka

 

 

 

Описание работы

Простейшим прибором, позволяющим проводить спектральный анализ, является спектроскоп (рис.1).

    Спектроскоп состоит из призмы 1, трубы 2, называемой коллиматором, зрительной трубы 3. На одном конце коллиматорной трубы находится собирающая линза 4, удаленная от щели 5 на фокусное расстояние. Лучи света выходят из коллиматора параллельным пучком.

    Дисперсия света осуществляется в призме 1. Дисперсией света называется явление зависимости показателя преломления n вещества от частоты света или от длины волны λ в вакууме: n = f(ν) = φ(λ), где ν – частота световой волны.

    Лучи одного цвета будут выходить из призмы параллельными пучками и попадать в зрительную трубу 3. В фокальной плоскости линзы 6 собираются лучи одинаковых длин волн, образуя спектр, увеличенное изображение которого наблюдается через окулярную линзу 7.

    Если в спектроскопе, имеющим коллиматорную и зрительную трубы, в фокальной плоскости линзы 6 поместить щелевую диафрагму, то передвигая щель вдоль спектра, можно выделить из спектра свет определенной длины волны. Такой спектральный прибор называется монохроматором.

    Вместо линзы 7 можно расположить фотоприставку так, чтобы изображение спектра фокусировалось на нее. Спектральный прибор, предназначенный для фотографирования спектров, называется спектографом. Если после щели монохрамотора расположить фотоприемник, то получится спектрофотометр, позволяющий анализировать интенсивность спектральных линий (точнее участков спектра в узком диапазоне длин волн).

    Для того чтобы с помощью спектроскопа можно было определить длину волны линий исследуемого спектра, спектроскоп необходимо проградуировать, т.е. установить зависимость между длинами волн спектральных линий наблюдаемых в поле зрения возле указателя (маркера) в виде линий или треугольного острия и делениями шкалы nотсчетного устройства спектроскопа.

    Для градуировки используются линии спектров многих газов, которые хорошо известны, например, водорода. Проградуировать спектроскоп – значит построить график у которого на оси Yотложена длина волны, а на оси Х показания шкалыnотсчетного механизма спектроскопа.

    Для исследования линейчатого спектра какого-либо вещества с помощью спектроскопа получают спектр этого вещества и записывают в таблицу положение линий спектра на шкале спектроскопа. Для исследования спектров поглощения перед коллиматором необходимо поставить осветитель. В окуляр спектроскопа будет виден сплошной спектр. Между щелью коллиматора и осветителем помещается исследуемое вещество, например, кювета с раствором крови. Те участки, которые поглощаются этим веществом, не будут видны. Записав границы поглощенных участков спектра или положение темных линий (линии поглощения) по шкале спектроскопа, с помощью градировочной кривой определяют длины волн поглощения.

    Спектральный анализ можно производить как по линейчатым спектрам испускания, так и по линейчатым спектрам поглощения. Существует каталог спектров испускания и поглощения всех элементов. Сравнивая полученный спектр с табличным, можно определить состав вещества (качественный анализ).

Количественный спектральный анализ проводится путем фотометрирования (определение интенсивности) спектральных линий: яркость линий пропорциональна количеству соответствующего элемента в исследуемом образце.

 

Инструкция по выполнению лабораторной работы

    Градуировка спектроскопа

1.    Ознакомиться с устройством спектроскопа.

2.    Определить цену деления отсчетного устройства спектроскопа.

3.    Установить осветитель (лампу накаливания) перед трубой коллиматора спектроскопа с помощью окуляра добиться четкого изображения спектра и маркера (пилообразный выступ или нить) в поле зрения окуляра. Научиться снимать отсчет с отсчетного устройства в любом месте наблюдения спектра.

4.    Перед коллиматором вместо осветителя поставить спектральную трубу с газом с известным спектром. Подключить высокое напряжение к спектральной трубке.

ВНИМАНИЕ! Соблюдать осторожность – высокое напряжение опасно для жизни!

5.    Определить положение всех спектральных линий на шкале спектроскопа и данные наблюдений занести в таблицу:

Цвет	Длина волны λ, нм	Положение наблюдаемой спектральной линии по шкале спектроскопа n, мм

6.    Выключить спектральную трубку.

7.    Построить градуировочную кривую спектроскопа в координатах λ, n.

 

     Исследование спектров испускания

1.    Спектральную трубку (гелий, неон) поместить перед щелью коллиматора, включить в сеть.

2.    Определить положение линий спектра по шкале спектроскопа, данные занести в таблицу:

Вещество	Линии спектра (цвет или номер)	Положение линий на шкале спектроскопа n, мм	Длина волны λ, нм

 

3.    С помощью полученной ранее градуировочной кривой определить длины волн в спектре исследуемого источника излучения.

4.    Сопоставить полученные данные с табличными, если таковые имеются.

5.    Проделать то же самое для спектра излучения вещества, например, поваренная соль, помещенного в пламя спиртовой горелки.

 

     Исследование спектров поглощения

1.    Между осветителем (лампой накаливания) и щелью коллиматора поместить исследуемое вещество (раствор КмnО₄).

2.    По шкале спектроскопа определить положение поглощенных участков спектра. Данные занести в таблицу:

Вещество	Расположение поглощенных участков спектра по шкале спектроскопа n, мм	Длины волн и участки спектра, поглощенные данным веществом, нм

 

  С помощью градуировочной кривой определить поглощенные длины волн и границы поглощенных участков спектра (нм). Результаты занести в таблицу.

 

Контрольные вопросы

1.    Из каких составных частей состоит спектроскоп и каково их назначение?

2.    Что такое спектральный анализ?

 

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в тетрадях для лабораторных работ и должен содержать:

1.    название работы;

2.    цель работы;

3.    оборудование;

4.    ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин);

5.    расчеты - окончательная запись результатов работы;

6.    вывод.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

       1.       Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования. — М., 2019.

       2.       Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач: учеб. пособие для образовательных учреждений сред. проф. образования. — М., 2019.

       3.       Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Лабораторный практикум: учебное пособие для студ.учреждений сред.проф.образования/В.Ф.Дмитриева, А.В.Коржуев, О.В.Муртазина. – М.: Издательский центр «Академия», 2018. – 160с.

       4.       Л.А.Кирик, Л.Э. Генденштейн «Физика-11. Тетрадь для лабораторных работ», М., «ИЛЕКСА», 2007г.

       5.       Тарасов, О.М. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями. Учебное пособие. Профессиональное образование. М. «Форум» – ИНФРА-М, 2011г.

       6.       В.В. Губанов, Физика. 11 класс. Лабораторные работы и контрольные задания, «Лицей»,2007г.

       7.       В.В. Губанов, Физика. 10 класс. Лабораторные работы и контрольные задания, «Лицей»,2005г.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скачано с www.znanio.ru