Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Курганский технологический колледж

Государственное бюджетное профессиональное
образовательное учреждение
«Курганский технологический колледж
имени Героя Советского Союза Н.Я. Анфиногенова»
ПРАКТИКУМ
ПО ФИЗИКЕ
для студентов очного отделения специальностей
230701 Прикладная информатика
230401 Информационные системы (по отраслям)
230111 Компьютерные сети
210414 Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники
(по отраслям)
120714 Земельно-имущественные отношения
Курган 2014
УДК 373.1
ББК 22.3
Г 83
Практикум по физике для студентов очного отделения специальностей 230701,
230401, 230111,210414, 120714 / Составитель: Н.С. Григорьева. – Курган, КТК,
2014. - 56 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ИРОСТ
Автор - составитель:
Григорьева Наталья Сергеевна, преподаватель ГБПОУ «КТК»
Рецензенты:
Малахова Татьяна Михайловна, преподаватель
«КТК»
высшей категории ГБПОУ
Жунина Светлана Джуманазаровна, доцент кафедры ЕМО ИРОСТ
Практикум содержит технологические карты для проведения
лабораторных работ по физике для студентов средних специальных учебных
заведений, разработанные в соответствии с программой по физике для
технических специальностей СПО.
ББК 22.3
Г 83
© ГБПОУ «КТК», 2014
© Н.С.Григорьева, 2014
©ГАОУ ДПО «ИРОСТ», 2014
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………
4
1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1…………………………………………
11
2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2…………………………………………
14
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3…………………………………………
17
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4………………………………………...
20
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5…………………………………………
22
6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6…………………………………………
25
7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7…………………………………………
28
8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8…………………………………………
30
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9…………………………………………
33
10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10………………………………………..
35
11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11………………………………………..
39
12
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12……………………………………….
42
13
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13……………………………………….
44
ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………………
47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………….
56
3
Уважаемые студенты!
У вас в руках находится практикум по физике. Физика - фундаментальная
наука, изучающая строение и свойства окружающего нас мира.
В основе современных физических исследований лежит эксперимент; он
позволяет проверить уже существующие законы и установить новые
закономерности.
Умение
ставить
и
проводить
опыты,
анализировать
результаты измерений, устанавливать или проверять зависимости физических
величин необходимо для изучения физики. Развивать эти умения и навыки вы
сможете в процессе выполнения лабораторных работ. Вы также научитесь
грамотно обращаться с приборами, понимать для каких целей они служат,
оценивать пределы их измерений.
В данном пособии предлагается описание 13 лабораторных работ,
которые рекомендуется выполнить в соответствии с программой изучения
курса физики. Практикум поможет вам глубже вникнуть в суть физических
явлений и законов, правильно оформить результаты измерений, сделать
необходимые выводы.
4
ВВЕДЕНИЕ
Электроизмерительные приборы
Для измерения различных характеристик электромагнитного поля
используют электроизмерительные приборы. Например, силу электрического
тока
измеряют
амперметром,
напряжение
(разность
потенциалов)-
вольтметром, электрическое сопротивление -ваттметром и т.д.
В
отличие
от
длины,
непосредственно,
визуально
измеряемой
наблюдателем, характеристики электромагнитного поля не воспринимаются
органами чувств и поэтому должны быть преобразованы.
Электроизмерительные приборы – средства измерений характеристик
электромагнитного поля, вырабатывающие сигнал в форме, доступной для
восприятия наблюдателя.
По типу вырабатываемого сигнала электроизмерительные приборы
подразделяются на цифровые и аналоговые.
Цифровые приборы вырабатывают сигналы, представляемые в цифровой
форме на дисплее.
Аналоговые приборы представляют сигнал, являющийся непрерывной
функцией измеряемой физической величины. Например, в амперметре угол
отклонения стрелки на шкале прибора пропорционален силе тока.
В аналоговых приборах, наиболее часто используемых в школьной
лаборатории, энергия электрического или магнитного поля преобразуется в
механическую энергию перемещения подвижной части прибора. По способу
преобразования энергии и по конструктивным особенностям аналоговые
приборы подразделяют на следующие системы. (см. таблицу 1).
5
Таблица 1
1
Магнитоэлектрический с подвижной рамкой
2
Электромагнитный
3
Электродинамический
4
Электростатический
Условное
обозначение
системы
измерительного
прибора
схематически показывает принцип преобразования энергии электромагнитного
поля в механическую энергию перемещения подвижной части прибора.
Принцип действия прибора электростатической системы основан на
электростатическом взаимодействии электродов, между которыми существует
разность потенциалов (напряжение).
В
приборе
электродинамической
системы
магнитное
поле,
создаваемое током в неподвижной катушке, действует на ток, протекающий в
подвижной катушке. Взаимодействие токов приводит к повороту подвижной
катушки.
В приборе электромагнитной системы измеряемый ток протекает по
неподвижной катушке. Воздействие магнитного поля катушки на ферро
магнитный сердечник приводит к его повороту, угол которого зависит от силы
измеряемого тока.
6
Цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора
Точность измерения характеризуется ценой деления шкалы прибора.
Предположим, что шкала прибора, например, амперметра насчитывает 100
делений, а предел измерения силы электрического тока Imax=10А соответствует
максимальному отклонению стрелки прибора. Тогда отклонению стрелки на1
деление соответствует сила тока
10А
А
= 0,1
100дел
дел
Таким образом определяется цена деления прибора:
С=
𝐼𝑚𝑎𝑥
𝑁
.
Чем меньше эта величина, которая может быть измерена прибором, т.е.
чем меньше цена деления шкалы, тем выше точность измерения прибора.
Чувствительность прибора - величина, обратная его цене деления. Она
характеризует число делений, на которое отклоняется стрелка прибора
(амперметра) при изменении силы тока в 1А:
𝑆=
𝑁
𝐼𝑚𝑎𝑥
.
Чем больше чувствительность ,тем выше точность измерения прибора.
𝑆=
100дел
дел
= 10
10А
А
Класс точности, погрешность измерения электроизмерительного прибора
Измерение – это определение значения физической величины с помощью
приборов и измерительных инструментов.
Измерения могут быть прямыми и косвенными
7
Прямым называется измерение, при котором значение измеряемой
величины определяется непосредственно по шкале измерительного прибора
(линейки, динамометра, часов и т.д.).
Косвенным называется измерение, при котором значение измеряемой
величины определяют по формулам, в которые входят значения физических
величин, полученные с помощью прямых измерений.
Например, для измерения плотности вещества можно измерить массу и объем
тела и воспользоваться формулой:
𝜌=
𝑚
𝑉
Всякое измерение неизбежно производится с погрешностью. Мы можем
только
приблизиться
к
истинному
значению
измеряемой
величины,
совершенствуя методику измерения и приборы или многократно повторяя
опыты.
Погрешность измерения физической величины — это отклонение
измеренного значения величины от ее истинного значения. Погрешности
измерения обусловлены как ограниченной точностью измерительных приборов,
так и влиянием случайных факторов — трения, вибрации здания или
лабораторного стола, движения воздуха и т.д. Различают абсолютную и
относительную погрешности.
Абсолютная погрешность — это модуль отклонения измеренного
значения физической величины от ее истинного значения. Абсолютную
погрешность измерения величины А обозначают Δ А, а результат измерения
записывают в виде А = Аср ± Δ А. Такая запись означает, что истинное значение
измеряемой физической величины с большой вероятностью находится в
интервале от Аmin = Аср - Δ А до Аmax = Аср + Δ А.
Очевидно,
А=
А𝑚𝑎𝑥 + 𝐴𝑚𝑖𝑛
2
8
Относительная погрешность — это отношение абсолютной погрешности
измерения величины к измеренному значению этой величины, выраженное в
процентах. Относительная погрешность измерения
Относительная погрешность характеризует точность измерения лучше,
чем абсолютная. Например, если длина карандаша и длина комнаты измерены с
одной и той же абсолютной погрешностью ∆l = 1 см, то в первом случае
измерение является не очень точным (относительная погрешность составляет
несколько процентов), а во втором случае — довольно точным (относительная
погрешность — десятые доли процента). В школьных лабораторных работах
относительная погрешность составляет обычно от нескольких процентов до 2030%.
Погрешность измерения электроизмерительного прибора складывается
из погрешности отсчета и инструментальной погрешности. Например,
погрешность измерения силы тока амперметром ΔI равна сумме погрешности
отсчета и инструментальной погрешности. ΔI=ΔIот+ ΔIи
Предельное значение погрешности отсчета принимают равным ¼ цены
деления шкалы: ΔIот=
С
4
Инструментальная погрешность определяется классом точности прибора.
Класс точности электроизмерительного прибора - относительная
инструментальная погрешность, соответствующая пределу измерения
шкалы, выраженная в процентах. k=
∆𝐼и
𝐼𝑚𝑎𝑥
Imax
∙ 100%
9
Например, класс точности 1,5 обозначает относительную погрешность
1,5%. Как следует из формулы, инструментальная погрешность определяется
классом точности прибора: ΔI=Imax∙
𝑘
100
Предположим, что амперметр измеряет силу тока от 0 до 2А. Шкала имеет
40 делений, класс точности прибора 4%. Тогда цена деления амперметра:
𝐼
С= 𝑚𝑎𝑥 =
𝑁
2𝐴
40дел
= 0,05
А
дел
Предельное значение погрешности отсчета ΔIот =
Инструментальная погрешность: ΔIи = 2 ∙
4
100
0,05
4
= 0,0125 А
= 0,08А.
Абсолютная погрешность измерения силы тока
ΔI= ΔIот + ΔIи=(0,0125 +0,08)А = 0,0925 А≈ 0,1А
Округление результатов
Если ошибка округления больше абсолютной погрешности, округление
уменьшает фактически достигнутую точность измерения, а если ошибка
округления меньше абсолютной погрешности, последние цифры записи
результата будут недостоверными. Поэтому округлять результаты измерений и
вычислений надо так, чтобы последняя значащая цифра находилась в том же
десятичном разряде, что и абсолютная погрешность измеряемой величины. В
лабораторных работах по физике можно обычно ограничиваться двумя
значащими цифрами.
10
Лабораторная работа №1
Определение коэффициента трения скольжения для тела, находящегося на
наклонной плоскости
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.
Оборудование: деревянная доска, деревянный брусок, измерительная линейка,
секундомер.
Описание работы:
В данной работе предлагается измерить коэффициент трения скольжения
дерева о дерево.
Брусок Б соскальзывает по наклонной плоскости между двумя
фиксированными положениями А и В (рис.1) без начальной скорости. На него
действуют постоянно силы: сила тяжести F=mg, сила реакции опоры N и сила
трения Fтр.
Рисунок 1
Под действием постоянных сил брусок движется с постоянным
ускорением, которое можно вычислить из кинематического уравнения:
𝒂𝒕𝟐
L=
𝟐
где L- расстояние между А и В,
t - время движения между А и В,
а - ускорение бруска, тогда
11
а=
𝟐𝑳
𝒕𝟐
(1)
Разложим силу тяжести, действующую на брусок на две составляющие:
параллельно наклонной плоскости Fx и перпендикулярно ей Fу (рис. 2).
Рисунок 2
Сила Fу уравновешена силой нормальной реакции опоры N. По второму
закону Ньютона
𝑚𝑎 = 𝐹𝑥 − 𝐹тр
Где m-масса бруска,
Из рисунка 2 видно, 𝐹𝑥 = 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼, 𝐹𝑦 = 𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼.
Учитывая, что 𝐹𝑦 = 𝑁 = 𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼,
а
𝐹тр = 𝜇𝑁 = 𝜇𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼, получим
𝑚𝑎 = 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼 − 𝜇𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼,
Отсюда, сокращая m, получим для k:
𝜇=
𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼−𝑎
𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼
(2)
Вычисляя ускорение по формуле (1) и измеряя угол, который составляет
наклонная плоскость с поверхностью стола, можно вычислить коэффициент
трения по формуле (2).
Задание 1. Изменяя угол α от 300до 600 через каждые 50, постройте график
зависимости ускорения бруска от угла (рис.3)
12
а,
м
с2
α,0
Рисунок 3
Задание 2. Для каждого угла вычислите значение коэффициента трения и
заполните таблицу 1:
Таблица 1
Угол α
Ускорение а, м/c2
Коэффициент
трения μ
300
350
400
450
500
550
600
Задание 3. Определите по графику наименьшее значение угла(α min), при
котором начинается скольжение (для этого угла а=0). Тогда подставив в
формулу(2) а=0, получим 𝑘 = 𝑡𝑔𝛼𝑚𝑖𝑛 . Определите значение коэффициента
трения через значение αmin и сравните со средним значением коэффициента
трения для различных углов. Сделайте вывод.
Контрольные вопросы:
1 Объяснить причину возникновения внешнего трения?
2 От чего зависит коэффициент трения скольжения и как это согласуется с
результатами Вашего опыта?
3 Зависит ли коэффициент трения от угла наклона плоскости?
4 Какие превращения энергии наблюдаются при скольжении одного тел по
поверхности другого?
5 Объяснить причину возникновения внешнего трения?
13
Лабораторная работа №2
Определение ускорения свободного падения с помощью маятника
Цель работы: определить ускорение свободного падения при помощи
маятника, оценить возможность и точность измерения данным способом.
Оборудование: часы с секундной стрелкой, измерительная лента (Δl = 0,5 см),
металлический шарик, нить, штатив с муфтой и кольцом.
Порядок выполнения работы:
Целью данной лабораторной работы является экспериментальное
установление ускорения свободного падения с помощью маятника.
Математическим
маятником
называют
груз,
подвешенный
к
тонкой
нерастяжимой нити, размеры которого много меньше длины нити, а масса много больше массы нити. Отклонение этого груза от вертикали происходит на
бесконечно малый угол, а трение отсутствует. В реальных условиях формула
(1) имеет приблизительный характер. Зная формулу периода колебания
математического маятника можно вычислить ускорение свободного падения:
Т = 𝟐𝝅√
𝒍
𝒈
(1)
Для этого необходимо измерить период колебания T и длину подвеса l
маятника. Период колебаний маятника Т легко определить, измерив время t,
необходимое для совершения некоторого количества N полных колебаний
маятника. Тогда из формулы (1) можно вычислить ускорение свободного
падения:
𝒈=
𝟒𝝅𝟐
𝑻𝟐
𝒍
(2)
Для повышения точности измерения периода колебаний нужно
измерить время, за которое маятник совершит большое число полных
колебаний(40-60). Тогда период колебаний:
Т=
𝒕
𝑵
Окончательная формула для расчета ускорения свободного падения
будет иметь вид:
𝒈=
𝟒𝝅𝟐 𝒍𝑵𝟐
𝒕𝟐
(3)
14
Ход работы:
1 Установите на краю стола штатив (рис.1). У его верхнего конца
укрепите при помощи муфты кольцо и подвесьте к нему шарик
на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 3—5 см от пола.
2 Измерьте длину подвеса мерной лентой.(l)
3 Отклоните маятник от положения равновесия на 5—8 см и
отпустите его.
Рисунок 1
4 Измерьте время Δt 50 полных колебаний (N).
5 Повторите измерения Δt (не изменяя условий опыта) не менее
пяти раз и найдите среднее значение Δtср.
6 Вычислите среднее значение периода колебаний Tcр по
среднему значению Δtср. Тср =
∆𝒕ср
𝑵
7 Полученные результаты занесите в таблицу 1:
Таблица 1
№п/п
N
1
50
2
50
3
50
Δt,c
T,c
l,м
Tср,c
gср.
Все вычисления запишите под таблицей.
8 Вычислите значение gср по формуле:
4𝜋 2 𝑙𝑁 2
𝑔=
𝑡2
9 Сравните полученное среднее значение для gср со значением g = 9,8 м/с2 и
рассчитайте относительную погрешность измерения по формуле:
15
10 Вычислите абсолютную погршность измерения ускорения свободного
падения: ∆𝒈 = 𝜺𝒈 𝒈ср
11 Запишите окончательный результат поработе, учитывая погрешность.
𝒈𝒄р − ∆𝒈 < 𝒈 < 𝒈ср + ∆𝒈
Ускорение свободного падения на широте нашего города равно 9,8156 м/с2
. Попадает ли это значение в полученный вами интервал.Сделайте вывод о
целесообразности измерения ускорения свободного падения с помощью
математического маятника.
Контрольные вопросы:
1 От каких величин зависит значение ускорения свободного падения?
2 Одинаково ли значение для тел с различной массой?
3 С помощью какого математического маятника, длинного или короткого,
можно измерить значение с более высокой точностью? Ответ обоснуйте.
4 Можно ли измерить ускорение свободного падения, если вместо
математического маятника использовать пружинный?
16
Лабораторная работа №3
Изучение изотермического процесса в газе
Цель: Опытным путем доказать справедливость закона Бойля - Мариотта для
изотермического процесса
Оборудование: стеклянный цилиндр высотой 50 см, стеклянная трубка длиной
50—60 см, закрытая с одного конца, стакан, пластилин, термометр, линейка,
барометр-анероид (один на класс), штатив с лапкой, холодная и горячая вода
Описание работы:
Для проверки закона Бойля-Мариотта необходимо
измерить давление и объем постоянной массы газа в
двух состояниях и подтвердить, что
P1V1 = P2V2. Возьмем стеклянную трубку
воздухом
объемом
V1,
находящуюся
с
при
атмосферном давлении Р1.(Рис.1) Если опустить ее
открытым концом в сосуд с водой, то давление
Рисунок 1
Давление
воздуха
в
трубке
станет
воздуха в ней увеличиться.
равно
сумме
атмосферного
и
гидростатического давления столба воды высотой h.
Запишем закон Бойля-Мариотта для двух состояний воздушного столба:
P1V1 = P2V2,
где Р1 - давление атмосферного воздуха (определяется барометром),
V1 - первоначальный объем воздуха в трубке V1= S∙l,
где l-длина трубки, S- площадь сечения трубки.
P2 – это давление воздуха в трубке, опущенной в сосуд с водой, P2=P1+ρgh, где
ρ-плотность воды, g- ускорение свободного падения, h-высота подъема
жидкости в трубке (см. рисунок 1).
V2 - объем воздуха в трубке, опущенной в сосуд с водой, V2=S∙(l-h). Таким
образом, мы имеем следующее равенство:
P1 ∙S∙l =(P1 + ρgh)∙S∙(l-h)
17
В трубке заключена постоянная масса воздуха, который можно считать
находящимся при постоянной (комнатной) температуре. Объем и давление
воздуха, заключенного в трубке, можно изменять, изменяя глубину погружения
трубки.
Итак, если соотношение P1 ∙S∙l/(P1 + ρgh)∙S∙(l-h)~1,то можно сделать вывод,
что закон Бойля – Мариотта выполняется.
Ход работы:
1 Соберите установку, изображенную на рисунке.
2
Измерьте барометром атмосферное давление в мм рт. ст. и переведите
в Паскали.
3 Погружая в воду трубку открытым концом вниз, измерьте h и l
(повторите опыт не менее трех раз).
4 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.
5 Запишите вывод: что вы измеряли, и какой получен результат.
Таблица 1
№ опыта
P1, Па
l, м
h, м
l-h,м
P1 ∙S∙l/(P1 +
ρgh)∙S∙(l-h)
1.
2.
3.
Контрольные вопросы:
1 Как изменится давление идеального газа при увеличении температуры и
объема газа в 4 раза?
2 Какому процессу соответствует график, изображенный на рисунке 2?
3 Во сколько раз изменится давление воздуха в цилиндре, если поршень
переместить на l/3 влево? (см. рисунок 3
18
Рис.2
Рис.3
19
Лабораторная работа №4
Проверка уравнения состояния идеального газа
Цель: экспериментально подтвердить уравнение состояния идеального газа
Оборудование: стеклянная трубка, закрытая с одного конца, два стеклянных
цилиндрических сосуда, термометр, линейка, барометр-анероид (один на
класс), холодная и горячая вода
Описание работы:
Сначала трубку опускают в сосуд с горячей водой
запаянным концом вниз, а затем — в сосуд с холодной
водой открытым концом вниз (см. рисунок1).Обозначим
температуру горячей воды Т1 а холодной — Т2. Тогда
два состояния воздуха в трубке Рисунок 1
описываются параметрами p1, V1, T1 и p2, V2, T2.
В первом состоянии давление воздуха равно атмосферному давлению, во
втором — сумме атмосферного давления и давления водяного столба высотой
h: р1 = ратм; р2 = ратм +pgh.
Объем воздуха в трубке в первом состоянии V1 = l • S, где l — длина
трубки, S — площадь ее поперечного сечения. Во втором состоянии объем
воздуха V2=(l - Δl) • S, где Δl — длина столба воды в трубке.
В
работе
нужно
проверить
выполнение
равенства:
или
Ход работы:
1 В сосуд с горячей водой опустите трубку закрытым концом вниз. Когда
трубка нагреется, и температура воздуха в ней станет равной температуре T1
воды в сосуде, измерьте температуру горячей воды.
2 Закройте трубку резиновой пробкой на нити и опустите пробкой вниз в сосуд
с холодной водой. Под водой выдерните пробку за нитку и опустите трубку
20
до дна сосуда (см. рисунок). Измерьте температуру холодной воды Т 2 и
длину столбика воды в трубке Δl.
3 Определите давление воздуха p1 в первом состоянии по показаниям
барометра и давление воздуха в трубке во втором состоянии по формуле:
р2 = ратм +pgh.
4 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.
5 Сделайте вывод: что вы измеряли, и какой получен результат.
Таблица 1
T1, К
T2,К
l,м
Δl, м
р1,Па
р2,Па
Контрольные вопросы:
1 Как изменится давление идеального газа при увеличении температуры
и объема газа в 4 раза? Ответ обоснуйте.
2 В одинаковых сосудах при одинаковой температуре находятся водород
(Н2) и углекислый газ (СО2). Массы газов одинаковы. Какой из газов и
во сколько раз оказывает большее давление на стенки сосуда?
21
Лабораторная работа №5
Определение удельной теплоёмкости твёрдого тела
Цель работы: Измерение теплоемкости твердого тела, закрепление ряда
понятий
термодинамики,
Оборудование:
связанных
со
способами
2 калориметра, 2 термометра, твердое тело массой 100 грамм
из стандартного набора, горячая и холодная вода,
300мл,
теплопередачи
лопатка
для
сосуд объемом не менее
перемешивания
воды.
Содержание работы:
Для сравнения теплоемкостей разных тел пользуются калориметром.
Калориметр представляет собой металлический
сосуд с крышкой, имеющий форму стакана (Рис.1).
Сосуд ставят на пробки, помещенные в другой,
больший сосуд так, что между обоими сосудами
остается
слой
воздуха
(рис.).
Все
эти
предосторожности уменьшают отдачу теплоты
окружающим телам. Сосуд наполняют известным
количеством воды массой
mв, температура которой до опыта измеряется
Рисунок 1
(пусть она равна t1). Теплоемкость воды при комнатных
температурах берем из таблиц: Св=4,19 Дж/(кг∙К). Затем берут тело массы m,
теплоемкость которого хотят измерить, и нагревают до известной температуры
t2 (например, помещают в пары кипящей воды, так что температура t 2=100°С).
Нагретое тело опускают в воду калориметра, закрывают крышку и, помешивая,
ждут, пока в калориметре установится тепловое равновесие (это произойдет,
когда вода и тело примут одинаковую температуру).Тогда отмечают эту
температуру
t.
Из результатов опытов можно найти удельную теплоемкость тела С2,
пользуясь тем, что уменьшение энергии охлаждающегося тела (цилиндра)
равно увеличению энергии нагревающейся при этом воды и калориметра, т. е.
применяя закон сохранения энергии запишем уравнение теплового баланса:
,
(1)
Где Ск – полная (не удельная, а для всей массы) теплоемкость калориметра .
Эта величина неизвестна, и определить ее можно в ходе следующего
простого эксперимента:
22
Нальем в калориметр некоторое количество воды (массы m) при
комнатной температуре t1, а затем такое же количество воды при температуре
t2. Через некоторое время измерим установившуюся температуру t.
Запишем уравнение теплового баланса:
(2)
Выразим из него неизвестную Ск:
(3)
Теперь выразим из (1) искомую теплоемкость С2:
(4)
Ход работы:
Опыт 1
1 Налить в калориметр 100г воды комнатной температуры t1;
2 Налить в калориметр 100г кипящей воды при t2=1000C.
3 Измерить в калориметре температуру воды в состоянии теплового
равновесия t.
4 Рассчитать
теплоемкость
калориметра
Ск.
Опыт 2
1 Налить в калориметр 100 г воды комнатной температуры t12.
2
Тело массой 100 г, теплоемкость которого хотят измерить, помещают в
стакан с кипящей водой, так что температура t2=100°С.
3
Осторожно погружайте нагретое тело в калориметр. Помешивая воду
лопаткой, дождитесь установления равновесной температуры t, запишите
все значения в таблицу 1.
Таблица 1
23
№
п/п
t1, 0C
t2, 0C
t, 0C
c2 ,
кДж/(кг К)
Среднее
значение
<с2>
4 Рассчитайте значение теплоемкости тела С2.
Контрольные вопросы:
1
Что такое теплота?
2
Какие
виды
теплопередачи
вы
знаете?
Какие
из
них
осуществлялись в рассматриваемой работе? Выделите из них
основные.
3 Опишите устройство калориметра. Какова роль воздушной
прослойки между наружным и внутренним стаканами прибора?
4
Что изменилось бы в ходе эксперимента, если бы мы не
перемешивали ложечкой воду в калориметре? Как это сказалось
бы на результатах?
5 Что нужно было бы сделать, чтоб уменьшить потери тепла на
излучение?
6
Если к твердым телам с одинаковой массой и начальной
температурой подвести одинаковое количество теплоты (все
материалы остаются твердыми), то температура вещества с
большей теплоемкостью будет больше, меньше или равна
температуре тела с меньшей теплоемкостью?
7
Из наблюдений известно, что в летний день суша нагревается и
остывает быстрее, чем вода в озере. Что можно сказать про
удельные
теплоемкости
суши
и
воды?
24
Лабораторная работа №6
Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным
натяжением жидкости
Цель работы: измерить средний диаметр капилляров.
Оборудование: сосуд с подкрашенной жидкостью, полоска фильтрованной
бумаги
размером 120×10мм, полоска хлопчатобумажной ткани размером
120×10мм, линейка измерительная.
Содержание работы:
Смачивающая жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъем жидкости в
капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила, действующая на
жидкость вверх Fв, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости
высотой h:
Fв=mg
По третьему закону Ньютона сила Fв, действующая на жидкость, равна
силе поверхностного натяжения Fпов, действующей на стенку капилляра по
линии соприкосновения ее с жидкостью:
F пов= Fв (1)
Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре (рис. 1)
F пов= mg (1)
Рисунок 1
Будем считать, что мениск имеет форму полусферы,
радиус которой равен радиусу капилляра. Длина контура,
ограничивающего поверхность жидкости, равна длине
окружности: l=2πr
Тогда сила поверхностного натяжения равна: F пов=σ2 πr, (2)
Где σ- коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Массу столба жидкости найдем из формулы : m=ρV,
где V-объем столба жидкости, V=πr2h,
h- высота подъема жидкости в капилляре, таким образом
масса жидкости равна m=ρ πr2h, (3)
Подставляя выражение (2) и (3) в условие равновесия
жидкости в капилляре, получим:
25
σ2 πr= ρg πr2h,
откуда найдем радиус капилляра: r=
а затем и диаметр капилляра: D=2r=
1 Полосками
2𝜎
𝜌𝑔ℎ
, (4)
4𝜎
(5)
𝜌𝑔ℎ
Ход работы:
фильтрованной бумаги и
хлопчатобумажной
ткани
одновременно прикоснитесь к поверхности подкрашенной воды в
стакане, наблюдая поднятие воды в полосках.
2
Как только прекратится подъем воды, полоски выньте и измерьте
линейкой высоты h1 и h2 поднятия в них воды.
3
Абсолютные погрешности измерения Δh1 и Δh2 принимают равными
удвоенной цене деления линейки. Δh1 =2мм, Δh2=2мм.
4
Рассчитать диаметр капилляров по формуле (5):
D1 =
4σ
D2 =
ρgh1
4𝜎
𝜌𝑔ℎ 2
,
Для воды коэффициент поверхностного натяжения, посмотреть в таблице
Н
σ ± Δσ =(7,3±0,05)×10-2 .
м
5 Рассчитайте абсолютные погрешности ΔD1 и ΔD2 при косвенном
измерении диаметра капилляров.
𝛥𝜎
ΔD1 =D1(
𝜎
𝛥𝜎
ΔD2= D2(
𝜎
+
+
𝛥ℎ1
ℎ1
𝛥ℎ2
ℎ2
),
),
Погрешностями Δρ и Δg можно пренебречь.
6 Все результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1:
Таблица 1
σ,
Н
м
Δσ,
Н
м
ρ,
кг
м3
g,
м
с2
h1,м h2,м D1,м
D2,м
Δh1,м Δh2,м
ΔD1,м
ΔD2,м
26
7 Окончательный результат измерений диаметра капилляров представьте в
виде : D1±ΔD1 =,
D2±ΔD2=
Контрольные вопросы:
1 Почему смачивающая жидкость образует в капиллярах вогнутый мениск,
а не смачивающая – выпуклый?
2 Как высота подъема в капилляре зависит от его диаметра?
3 Какую функцию несет тонкий жировой слой на перьях водоплавающих
птиц?
27
Лабораторная работа № 7
Определение электрической емкости конденсатора
Цель работы: соблюдать правила по технике безопасности при выполнении
опыта; применять полученные знания на практике для расчета электроемкости
конденсатора.
Оборудование: электрощит, миллиамперметр, набор конденсаторов, ключ,
соединительные провода.
Ход работы:
1 Составить электрическую цепь по схеме:
мА
2
Конденсатор известной емкости зарядить, соединив его на короткое
время с источником электрической энергии.
3
Сосредоточив внимание на миллиамперметре, быстро замкнуть
конденсатор на измерительный прибор и определить число делений,
соответствующее максимальному отклонению стрелки.
4
Опыт повторить 3 раза для более точного определения числа делений
и найти отношение числа делений n к емкости взятого конденсатора
C:
k = n/C
5 Опыт повторить с конденсатором неизвестной емкости Сх. Определить
в этом случае число делений nx и найти емкость конденсатора из
соотношения:
Сх = nx/k
6 Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1:
28
Таблица 1
№
Емкость
Число делений
Отношение
Найденная
Относительная
конденсатора
по шкале
числа
емкость
погрешность
миллиамперметра
делений
конденсатора
п/п
к емкости
С,мкФ
n
Cx,мкФ
k
δ,%
1
2
7 Узнав у преподавателя емкость исследуемого конденсатора, и приняв
ее за табличное значение, определить относительную погрешность по
формуле:
δ=
C x  Cт
Ст
 100%
Контрольные вопросы:
1 Отчего и как зависит емкость плоского конденсатора?
2 Какую опасность представляют обесточенные цепи с имеющимися в них
конденсаторами? Что следует сделать после размыкания такой цепи?
29
Лабораторная работа №8
Изучение последовательного и параллельного соединения
проводников
Цель работы: Проверить
законы последовательного и параллельного
соединения проводников
Оборудование: источник тока, два проволочных резистора, реостат, ключ,
соединительные провода, амперметр, вольтметр.
Примечание: амперметр и вольтметр во время измерений поочередно подключают к нужным точкам
цепи.
1
Ход работы:
Соберите электрическую цепь по схеме:
2 Меняя положения амперметра в цепи убедитесь, что сила тока в цепи не
изменяется.(I=)
3
Измерьте вольтметром напряжение на резисторе R1.(U1)
4
Измерьте вольтметром напряжение на резисторе R2.(U2)
5 Измерьте вольтметром напряжение на резисторе R1 и R2.(U).
6 Рассчитайте по закону Ома для участка цепи величины сопротивлений:
𝑈
𝑈2
𝐼
𝐼
R1= 1, 𝑅2 =
, 𝑅3 =
𝑈3
𝐼
7 Проверьте справедливость формул:
а) 𝑈 = 𝑈1 + 𝑈2
б) 𝑅 = 𝑅1 + 𝑅2
в)
𝑈1
𝑈2
𝑅
= 𝑅1
2
30
8 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1:
Таблица 1
I,A
U1,B
U2,B
U,B
U1 +U2,
B
R1,Ом
R2,Ом
R,Ом
R1+R2,
Ом
𝑈1
𝑈2
𝑅1
𝑅2
9 Сделайте вывод.
10 Соберите электрическую цепь по схеме:
11 Измерьте вольтметром напряжение на участке цепи.
12
Измерьте амперметром силу тока в первой ветви I1.
13 Измерьте амперметром силу тока во второй ветви I2.
14 Измерьте амперметром силу тока в неразветвленной части цепи I.
15 Рассчитайте по закону Ома для участка цепи величину сопротивлений:
а) 𝑅1 =
𝑈1
б)𝑅2 =
𝑈2
в) 𝑅 =
𝑈
𝐼
𝐼
𝐼
16 Проверьте справедливость формул:
а) 𝐼 = 𝐼1 + 𝐼2 ;
б)
1
𝑅
в)
𝐼1
𝐼2
1
1
= 𝑅 + 𝑅 или 𝑅 =
1
2
𝑅1 𝑅2
𝑅1 +𝑅2
;
𝑅
= 𝑅2.
1
17 Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2:
31
Таблица 2
I,A
I1,A
I2,A
U,B
I1 +I2,
R1,Ом
R2,Ом
R,Ом
A
𝑅1 𝑅2
𝑅1 +𝑅2
Ом
,
𝐼1
𝐼2
𝑅2
𝑅1
18 Сделайте вывод.
Контрольные вопросы:
1 Определите общее сопротивление резисторов для каждого из соединений,
если R1=R2=R3=1Ом.
2 Три резистора сопротивлениями R1=1Ом, R2=2Ом,R3=4Ом соединены в
электрическую цепь, как показано на рисунке. Найдите общее
напряжение в цепи, силу тока вцепи, общее сопротивление цепи, если
напряжение на R3 равно 2,4 В.
32
Лабораторная работа №9
Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока
Цель работы: Проверить закон Ома для полной цепи, измерить ЭДС и
внутреннее сопротивление источника
Оборудование: источник тока, реостат, амперметр, вольтметр, соединительные
провода, ключ
Ход работы:
1 Соберите электрическую цепь по схеме:
2 Проверьте работу ползунка реостата.
3
Проверьте работу цепи при разомкнутом и замкнутом ключе, при
перемещении ползунка реостата.
4 При разомкнутом ключе измерьте ЭДС источника тока.
5 При замкнутом ключе измерьте силу тока и напряжение во внешней
цепи.
6 Результаты измерений запишите в таблицу 1:
Таблица 1
Iпр,A
Uпр,B
Ԑпр,B rпр,Ом ΔU,B
ΔԐ,В
ΔI,A
Δr,Ом ԐԐ,%
Ԑr,%
33
7 Вычислите внутреннее сопротивление источника тока по формуле:
Ԑпр − 𝑈пр
𝑟пр =
𝐼пр
8 Вычислите абсолютную погрешность измерения ЭДС источника тока:
𝛥Ԑ ≈ 𝛥𝑈(т.к. R>>r),
𝛥𝑈 = 𝛥и 𝑈 + 𝛥0 𝑈,
ΔиU=0,15B, Δ0U=0,1B.
9 Вычислите относительную погрешность измерения ЭДС источника
тока:
ԐԐ =
10 Вычислите
𝛥Ԑ
Ԑпр
∙ 100%
относительную
сопротивления: Ԑ𝑟 =
2𝛥𝑈
Ԑпр −𝑈пр
погрешность
+
𝛥𝐼
𝐼пр
измерений
внутреннего
измерения
внутреннего
,
ΔI=DиI+Δ0I,ΔI=0,05A+0,05A=0,1A
11 Вычислите
абсолютную
погрешность
сопротивления: Δr=Ԑrrпр.
12 Результаты измерений занесите в таблицу 1.
13 Запишите результаты измерений ЭДС и внутреннего сопротивления в
виде: Ԑ = Ԑпр ± 𝛥Ԑ и r = 𝑟пр ± Δr
Контрольные вопросы:
1 Определите сопротивление внешней части цепи, пользуясь результатами
произведенных измерений.
2 Как изменится сопротивление батарейки для карманного фонаря, если
три ее элемента соединить не последовательно, а параллельно?
34
Лабораторная работа № 10
Взаимодействие постоянного тока с магнитным полем
Цель работы: исследовать взаимодействие тока с постоянным магнитом
Оборудование: источник тока, реостат, ключ, проволока, катушка, штатив,
магнитный стержень, динамометр, амперметр
Содержание работы:
Постоянные магниты взаимодействуют таким образом, что одноименные
магнитные
полюсы
отталкиваются
друг
от
друга,
разноименные
притягиваются.
Проволочный виток по которому течет ток, создает вокруг себя магнитное
поле, которое взаимодействует с постоянным магнитом. Взаимодействие
зависит от расположения витка и магнита, а также от направления и значения
силы тока в витке.
Если вместо одного витка взять проволочную катушку, то магнитное поле
станет больше, взаимодействие катушки с постоянным магнитом усилится, и,
следовательно, его обнаружить будет проще.
Ход работы:
Опыт 1
1 На штативе подвесьте динамометр, к динамометру прикрепите магнит,
под магнитом расположите катушку (рис.1)
Рисунок 1
35
2 Соберите электрическую схему согласно рисунку 2.
Рисунок 2
Установите бегунок реостата в положение, соответствующее
максимальному сопротивлению.
4 Замкните цепь.
5 Изменяйте силу тока, уменьшая сопротивление реостата, и записывайте
показания динамометра в таблицу 1.
Таблица 1
3
№ опыта
I
F
1
2
3
4
5
6
6 Измените направление тока в катушке. Проведите аналогичные
измерения, записывая результаты измерений в таблицу 2. Отметьте
изменения показаний динамометра.
Таблица 2
№ опыта
I
F
1
2
3
4
5
6
36
Опыт 2
1 На штативе повесьте моток из проволоки (рисунок 3).
Рисунок 3
2 Соберите электрическую цепь согласно рисунку 4.
Рисунок 4
3 Поднесите к проволоке магнит, как показано на рисунке 3. Что
происходит? Свои наблюдения запишите ниже.
4 Поверните магнит и поднесите его к проволоке другим полюсом.
Запишите наблюдения.
5 Измените направление тока в мотке проволоки и поднесите к нему
магнит сначала одним полюсом, затем другим.
Наблюдения:
1 (пункт 3)
2 (пункт 4)
3 (пункт 5)
37
Результаты и выводы:
Опыт 1
1 Нарисуйте катушку и покажите направления полюсов ее магнитного
поля.
2 Постройте график зависимости силы взаимодействия катушки с
магнитом от силы тока, сделайте вывод.
Опыт 2
1 Покажите направление тока в мотке проволоки (пункт 3).
2 Объясните результаты опыта.
Контрольные вопросы:
1 Виток проволоки, по которой идет ток, находится в постоянном
магнитном поле. Вектор индукции магнитного поля перпендикулярен
плоскости, в которой расположен виток. Действует ли магнитное поле
на виток?
2 Как зависит сила, действующая на проводник с током, находящийся в
магнитном поле, от силы тока?
3 На прямой проводник с током, помещенный в магнитное поле, не
действует сила. Как расположен это проводник в поле?
4 Постоянный магнит и катушка с током, как вы убедились,
взаимодействуют. Можно ли измерить силу взаимодействия, если
вместо магнита к динамометру прикрепить катушку, по которой течет
ток?
38
Лабораторная работа № 11
Определение показателя преломления стекла
Цель работы: экспериментально определить показатель преломления стекла.
Оборудование: стеклянная плоскопараллельная пластинка, 4 булавки, линейка,
транспортир.
Содержание работы:
Пересекая границу раздела двух сред с разными оптическими
свойствами, свет преломляется, т.е. меняет направление распространения /
Это объясняется изменением скорости света при переходе из одной среды в
другую. Максимальная скорость света в вакууме: 3 108 м/с.
Показатель преломления характеризует изменение скорости света в среде.
Абсолютный показатель преломления определяется отношением скорости света
𝑐
С в вакууме к скорости света V в данной среде: n= . Из этого определения
𝑣
следует, что абсолютный показатель преломления всегда больше единицы.
Закон преломления света: отношение синуса угла падения к синусу угла
преломления
равно
обратному
отношению
абсолютных
показателей
преломления соответствующих сред
𝒔𝒊𝒏𝜶
𝒔𝒊𝒏𝜷
В свою очередь ,
=
𝒏𝟐
𝒏𝟏
(1)
𝑛2 𝑣1
= , т.е. отношение показателей преломления равно
𝑛1 𝑣2
обратному отношению скоростей света впервой и второй средах.
Это отношение называется относительным показателем преломления
второй среды относительно первой.
Среда с большим абсолютным показателем преломления считается
оптически более плотной средой. Если свет падает из среды оптически менее
плотной на границу раздела со средой оптически более плотной, то угол
падения больше, чем угол преломления (α>β).
Для определения относительного показателя преломления двух сред
достаточно, согласно формуле(1), измерить угол падения α на границу раздела
сред и угол преломления β.
39
Таким же способом можно определить и абсолютный показатель
преломления, если одна из двух сред – воздух, т.к. скорость света в воздухе
практически равна скорости света в вакууме.
Ход работы:
1 На середину листа положить пластинку и обвести ее карандашом.
2 Перед верхней параллельной гранью пластинки вколоть булавки А и В
так, чтобы прямая, проходящая через них, не была бы перпендикулярна к
поверхности пластинки.
3 Вколоть булавки С и Д под нижней гранью пластинки таким образом,
чтобы видимые через пластинку нижние части 4-х булавок казались
расположенными на одной прямой.
4 Вынуть булавки и отметить их положение.
5 Снять пластинку, через точки А, В, С и Д (рис.1) провести прямые ВЕ, ДF
и EF.
6 Через точку Е провести перпендикуляр к передней грани пластинки,
вдоль него отложить равные отрезки ЕМ и ЕР.
7 Из точек Р и М опустить перпендикуляры МN на ВЕ и РО на ЕF.
8 Измерить транспортиром угол падения i (МЕN) и угол преломления β
(РЕО).
sin 𝑖
9 Вычислить 𝑛1 =
,
𝑠𝑖𝑛𝛽
10 Измерить катеты NM и РО, вычислить 𝑛2 =
11 Вычислить 𝑛𝑐р =
𝑁𝑀
𝑃𝑂
𝑛1 +𝑛2
2
12 Данные измерений и вычислений занести в таблицу 1:
40
Таблица 1
NM
РО
i
β
n1
n2
nср
Рисунок 1
13 Сделайте вывод.
Контрольные вопросы:
1 Почему изменяется направление луча света при его переходе из одной
прозрачной среды в другую?
2 Во сколько раз скорость распространения света в воде меньше, чем в
воздухе?
3 Что называется абсолютным и относительным показателем преломления?
4 Как изменится относительный показатель преломления, если стеклянную
пластинку поместить в воду?
5 За счет чего возникают погрешности измерений?
6 Зная показатель преломления среды, какую физическую величину,
характеризующую данную среду, можно вычислить?
7 Что характеризует оптическую плотность среды?
41
Лабораторная работа №12
Наблюдение явлений интерференции и дифракции света
Цель работы: провести наблюдение явлений интерференции световых волн,
дифракции и поляризации света
Оборудование: стаканы с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой,
капроновая ткань, компакт-диск, лампа накаливания, штангенциркуль, две
стеклянные пластины, лезвие, пинцет, капроновая ткань
Ход работы:
а) Наблюдение интерференции.
Опыт1:
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.
Ответьте на вопросы:
1 Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
2 Какую форму имеют радужные полосы?
3 Почему окраска пузыря все время меняется?
Опыт 2 : Тщательно протрите стеклянные пластинки, сложите их вместе
и сожмите пальцами. Из-за не идеальности 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.
42
Ответьте на вопросы:
1 Почему в отдельных местах соприкосновения пластин
наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной
формы полосы?
2 Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение
полученных интерференционных полос?
Опыт 3: Положите горизонтально на уровне глаз компакт-диск. Что вы
наблюдаете?
Объясните
наблюдаемые
явления.
Опишите
интерференционную картину.
б) Наблюдение дифракции
Опыт 4: Возьмите с помощью пинцета лезвие безопасной бритвы и
нагрейте его над пламенем горелки. Зарисуйте наблюдаемую картину.
Ответьте на вопросы:
1 Какое явление вы наблюдали?
2 Как его можно объяснить?
3 Какие цвета, и в каком порядке появляются на поверхности лезвия
при его нагревании?
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.
Запишите выводы. Укажите, в каких из проделанных вами опытов
наблюдалось явление интерференции? Дифракции?
Контрольные вопросы:
1 Каковы условия максимума и минимума интенсивности света при
интерференции?
2 Почему крылья стрекоз имеют радужную окраску?
3 При каких условиях наблюдается дифракция света?
43
Лабораторная работа №13
Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки.
Цель работы: экспериментальное определение длины
световой волны с
помощью дифракционной решетки.
Оборудование: Дифракционная решётка с периодом 1/100 мм, экран, линейка,
источник света.
Содержание работы:
В работе для определения длины световой волны используется
дифракционная решетка с периодом 1/100мм
или 1/150мм. Она является
основной частью измерительной установки, показанной на рисунке 1. Решетка
1 устанавливается в держатель 2, который прикреплен к концу линейки 3. На
линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5
посередине. 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 штатив 6.
Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света, то на черном
фоне экрана можно наблюдать по обе стороны от щели дифракционные
спектры 1-го , 2-го и т.д. порядков.
Схема установки:
Рисунок 1
44
Расчетные формулы:
Максимум света
в экран
φ
решетка
Длина волны определяется по формуле: 𝝀 =
𝒅𝒔𝒊𝒏𝝋
,
𝒌
Где d- период решетки, к- порядок спектра, φ-угол под которым
наблюдается максимум света.
Так как углы максимумов первого и второго порядков не превышают 50 , можно
синусы заменить тангенсами.
в
𝑡𝑔𝜑 = ,
а
Расстояние а-отсчитывается по линейке от решетки до экрана, в-по шкале
экрана до выбранной линии спектра.
Окончательная формула имеет вид:
𝜆=
𝑑в
𝑘𝑎
В данной работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за
некоторой неопределенности выбора середины части спектра.
Ход работы:
1 Подготовить бланк отчета с таблицей 1 для записи результатов измерений
и вычислений.
45
свет
d
k
a
в
слева
в
справа
Таблица 1
вср
λ
красный
фиолетовый
2 Собрать измерительную установку, установить экран на расстоянии 50 см
от решетки.
3 Глядя сквозь дифракционную решетку, и щель в экране на источник
света и перемещая решетку в держателе, установить ее так, чтобы
дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.
4 Вычислить длину волны красного света в спектре 1-го и 2-го порядка
справа и слева от щели в экране, определить среднее значение
результатов измерений.
5 Проделать то же для фиолетового света.
6 Сравнить полученные результаты с длинами волн красного
и
фиолетового цвета с табличными значениями.
7 Сделать вывод.
Контрольные вопросы:
1 Зависит ли положение максимумов освещенности, создаваемых
дифракционной решеткой, от числа щелей?
2 Чем отличается спектр, даваемый призмой, от дифракционного
спектра?
46
ПРИЛОЖЕНИЕ
Тепловые свойства твердых тел
Таблица 1
Вещество
Удельная
теплоемкость,
кДж/(кг • °С)
Температура
плавления,
°С
Удельная теплота
плавления,
кДж/кг
Алюминий
0,90
660
390
Вольфрам
0,13
3387
185
Дерево
2,50
Железо
0,45
1535
270
Золото
0,13
1064
67
Кирпич
0,88
Латунь
0,40
1000
370
Лед
2,10
0
330
Магний
1,10
650
370
Медь
0,38
1085
210
Натрий
1,34
97,8
113
Олово
0,23
232
58
Песок
0,80
Платина
0,14
1772
113
Свинец
0,13
327
24
Серебро
0,24
962
87
Сталь
0,46
1400
82
Стекло
0,80
Цинк
0,40
419
112,2
Чугун
0,54
1200
96
47
Тепловые свойства жидкостей
Таблица 2
Вещество
Удельная
теплоемкость,
кДж/(кг • °С)
Температура
кипения *),
°С
Удельная теплота
парообразования,**)
МДж/кг
Вода
4,2
100
2,3
Масло подсолнечное
1,8
Ртуть
0,14
357
0,29
Спирт
2,5
78
0,90
Эфир
3,34
35
0,40
*) При нормальном атмосферном давлении.
**) При нормальном атмосферном давлении и температуре кипения.
Плотность некоторых твердых тел
Таблица 3
Вещество
ρ, кг/м3
ρ, г/см3
Алюминий
2700
2,7
Бетон
2200
Береза(сухая)
Вещество
ρ, кг/м3
ρ, г/см3
Никель
8900
8,9
2,2
Олово
7300
7,3
700
0,7
Парафин
900
0,9
Гранит
2600
2,6
Песок (сухой)
1500
1,5
Дуб (сухой)
800
0,8
Платина
21500
21,5
Ель (сухая)
600
0,6
Пробка
240
0,24
Железо
7800
7,8
Свинец
11300
11,3
Золото
19300
19,3
Серебро
10500
10,5
Кирпич
1600
1,6
Сосна (сухая)
400
0,4
Латунь
8500
8,5
Сталь
7800
7,8
48
Лед
900
0,9
Стекло
2500
2,5
Медь
8900
8,9
Фарфор
2300
2,3
Мрамор
2700
2,7
Цинк
7100
7,1
Чугун
7000
7
Плотность некоторых жидкостей
Таблица 4
Вещество
ρ, кг/м3
ρ, г/см3
Ацетон
790
0,79
Бензин
710
Вода
Вещество
ρ, кг/м3
ρ, г/см3
Молоко
1030
1,03
0,71
Масло машин
900
0,90
1000
1,00
Нефть
800
0,80
Вода морская
1030
1,03
Ртуть
13600
13,60
Глицерин
1260
1,26
Серная кислота
1800
1,80
Керосин
800
0,80
Спирт
800
0,80
Плотность некоторых газов
При 0°C и давлении 760 мм рт. ст.
Вещество
ρ, кг/м3
Вещество
Таблица 5
ρ, кг/м3
Азот
1,25
Неон
0,9
Воздух
1,29
Кислород
1,43
Водород
0,09
Оксид углерода
1,98
Гелий
0,18
Природный газ
0,8
49
Удельное сопротивление некоторых веществ
(при температуре 200С и давлении 760 мм.рт.ст)
Таблица 6
Вещество
Удельное
сопротивление
ρ, Ом•мм2/м
Вещество
Удельное
сопротивление
ρ, Ом•мм2/м
Алюминий
0,028
Никелин
0,42
Вольфрам
0,055
Нихром
1,1
Железо
0,098
Свинец
0,21
Латунь
0,071
Серебро
0,016
Константан
0,50
Сталь
0,12
Медь
0,017
Уголь
40
Золото
0,024
Графит
13
Манганин
0,43
Фарфор
1019
Ртуть
0,96
Эбонит
1020
Фехраль
1,3
Психрометрическая таблица
Таблица 7
Показания
сухого
термометра, °С
Разность показаний сухого и влажного термометров, °С
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Относительная влажность воздуха , %
0
100
81
63
45
28
11
—
—
—
—
2
100
84
68
51
35
20
—
—
—
—
4
100
85
70
56
42
28
14
—
—
—
6
100
86
73
60
47
35
23
10
—
—
8
100
87
75
63
51
40
28
18
7
—
50
10
100
88
76
65
54
44
34
24
14
5
12
100
89
78
68
57
48
38
29
20
11
14
100
90
79
70
60
51
42
34
25
17
16
100
91
81
71
62
54
46
37
30
22
18
100
91
82
73
65
56
49
41
34
27
20
100
92
83
74
66
59
51
44
37
30
22
100
92
83
76
68
61
54
47
40
34
24
100
92
84
77
69
62
56
49
43
37
26
100
92
85
78
71
64
58
51
46
40
28
100
93
85
78
72
65
59
53
48
42
30
100
93
86
79
73
67
61
55
50
44
51
Фундаментальные физические постоянные
Постоянная
Гравитационная
постоянная
Скорость света в
вакууме
Магнитная постоянная
Таблица 8
Числовое значение
Обозначение
G
6,6720·10-11 Н·м2·кг-2
с
2,99792458·108 м·с-1
μ0
4π·10-7Гн·м-1 =
1,25663706144·10-6Гн·м1
Электрическая
постоянная
Постоянная Планка
Масса покоя электрона
Энергия покоя
электрона
Масса покоя протона
ε0
8,85418782·10-12 Ф·м-1
h
6,626176·10-34 Дж·с
9,109534·10-31 кг
5,4858026·10-4 а.е.м.
me
mec2
mp
Энергия покоя протона
mpc2
Масса покоя нейтрона
mn
Энергия покоя нейтрона
Заряд электрона
Атомная единица
массы (10-3 кг·моль1
)/NA
Массы атомов
водород
дейтерий
гелий-4
Постоянная Авогадро
Постоянная Фарадея
Молярная газовая
постоянная
Постоянная Больцмана
Постоянная Ридберга
Радиус первой боровской
орбиты
Энергетические
эквиваленты:
а.е.м.
1 электронвольт
mnc2
e
а.е.м.
1
H
H
4
He
NA
F = NAe
2
0,5110034 МэВ
1,6726485·10-27 кг
1,007276470 а.е.м.
938,2796 МэВ
1,6749543·10-27 кг
1,008665012 а.е.м.
939,5731 МэВ
1,6021892·10-19 Кл
1,6605655(86)·10-27 кг
1,007825036 а.е.м.
2,014101795 а.е.м.
4,002603267 а.е.м.
6,022045·1023 моль-1
96484,56 Кл·моль-1
R
8,31441 Кл·моль-1·K-1
k = R/NA
R∞
1,380662·10-23 Дж·К-1
10973731,77 м-1
a0
0,52917706·10-10 м
931,5016 МэВ
1,6021892·10-19 Дж
52
Таблица синусы – косинусы
Таблица 9
sin
0'
6'
12'
18'
24'
30'
36'
42'
48'
54'
60' cos 1' 2' 3'
0.0000 90°
0° 0.0000 0017 0035 0052 0070
0087
0105
0122
0140
0157
0175 89° 3 6 9
1°
0175 0192 0209 0227 0244
0262
0279
0297
0314
0332
0349 88° 3 6 9
2°
0349 0366 0384 0401 0419
0436
0454
0471
0488
0506
0523 87° 3 6 9
3°
0523 0541 0558 0576 0593
0610
0628
0645
0663
0680
0698 86° 3 6 9
4°
0698 0715 0732 0750 0767
0785
0802
0819
0837
0854 0.0872 85° 3 6 9
5° 0.0872 0889 0906 0924 0941
0958
0976
0993
1011
1028
1045 84° 3 6 9
6°
1045 1063 1080 1097 1115
1132
1149
1167
1184
1201
1219 83° 3 6 9
7°
1219 1236 1253 1271 1288
1305
1323
1340
1357
1374
1392 82° 3 6 9
8°
1392 1409 1426 1444 1461
1478
1495
1513
1530
1547
1564 81° 3 6 9
9°
1564 1582 1599 1616 1633
1650
1668
1685
1702
1719 0.1736 80° 3 6 9
10° 0.1736 1754 1771 1788 1805
1822
1840
1857
1874
1891
1908 79° 3 6 9
11°
1908 1925 1942 1959 1977
1994
2011
2028
2045
2062
2079 78° 3 6 9
12°
2079 2096 2113 2130 2147
2164
2181
2198
2215
2233
2250 77° 3 6 9
13°
2250 2267 2284 2300 2317
2334
2351
2368
2385
2402
2419 76° 3 6 8
14°
2419 2436 2453 2470 2487
2504
2521
2538
2554
2571 0.2588 75° 3 6 8
15° 0.2588 2605 2622 2639 2656
2672
2689
2706
2723
2740
2756 74° 3 6 8
16°
2756 2773 2790 2807 2823
2840
2857
2874
2890
2907
2924 73° 3 6 8
17°
2942 2940 2957 2974 2990
3007
3024
3040
3057
3074
3090 72° 3 6 8
18°
3090 3107 3123 3140 3156
3173
3190
3206
3223
3239
3256 71° 3 6 8
19°
3256 3272 3289 3305 3322
3338
3355
3371
3387
3404 0.3420 70° 3 5 8
20° 0.3420 3437 3453 3469 3486
3502
3518
3535
3551
3567
3584 69° 3 5 8
21°
3584 3600 3616 3633 3649
3665
3681
3697
3714
3730
3746 68° 3 5 8
22°
3746 3762 3778 3795 3811
3827
3843
3859
3875
3891
3907 67° 3 5 8
23°
3097 3923 3939 3955 3971
3987
4003
4019
4035
4051
4067 66° 3 5 8
24°
4067 4083 4099 4115 4131
4147
4163
4179
4195
4210 0.4226 65° 3 5 8
25° 0.4226 4242 4258 4274 4289
4305
4321
4337
4352
4368
4384 64° 3 5 8
53
26°
4384 4399 4415 4431 4446
4462
4478
4493
4509
4524
4540 63° 3 5 8
27°
4540 4555 4571 4586 4602
4617
4633
4648
4664
4679
4695 62° 3 5 8
28°
4695 4710 4726 4741 4756
4772
4787
4802
4818
4833
4848 61° 3 5 8
29°
4848 4863 4879 4894 4909
4924
4939
4955
4970
4985 0.5000 60° 3 5 8
30° 0.5000 5015 5030 5045 5060
5075
5090
5105
5120
5135
5150 59° 3 5 8
31°
5150 5165 5180 5195 5210
5225
5240
5255
5270
5284
5299 58° 2 5 7
32°
5299 5314 5329 5344 5358
5373
5388
5402
5417
5432
5446 57° 2 5 7
33°
5446 5461 5476 5490 5505
5519
5534
5548
5563
5577
5592 56° 2 5 7
34°
5592 5606 5621 5635 5650
5664
5678
5693
5707
5721 0.5736 55° 2 5 7
35° 0.5736 5750 5764 5779 5793
5807
5821
5835
5850
5864 0.5878 54° 2 5 7
36°
5878 5892 5906 5920 5934
5948
5962
5976
5990
6004
6018 53° 2 5 7
37°
6018 6032 6046 6060 6074
6088
6101
6115
6129
6143
6157 52° 2 5 7
38°
6157 6170 6184 6198 6211
6225
6239
6252
6266
6280
6293 51° 2 5 7
39°
6293 6307 6320 6334 6347
6361
6374
6388
6401
6414 0.6428 50° 2 4 7
40° 0.6428 6441 6455 6468 6481
6494
6508
6521
6534
6547
6561 49° 2 4 7
41°
6561 6574 6587 6600 6613
6626
6639
6652
6665
6678
6691 48° 2 4 7
42°
6691 6704 6717 6730 6743
6756
6769
6782
6794
6807
6820 47° 2 4 6
43°
6820 6833 6845 6858 6871
6884
6896
8909
6921
6934
6947 46° 2 4 6
44°
6947 6959 6972 6984 6997
7009
7022
7034
7046
7059 0.7071 45° 2 4 6
45° 0.7071 7083 7096 7108 7120
7133
7145
7157
7169
7181
7193 44° 2 4 6
46°
7193 7206 7218 7230 7242
7254
7266
7278
7290
7302
7314 43° 2 4 6
47°
7314 7325 7337 7349 7361
7373
7385
7396
7408
7420
7431 42° 2 4 6
48°
7431 7443 7455 7466 7478
7490
7501
7513
7524
7536
7547 41° 2 4 6
49°
7547 7559 7570 7581 7593
7604
7615
7627
7638
7649 0.7660 40° 2 4 6
50° 0.7660 7672 7683 7694 7705
7716
7727
7738
7749
7760
7771 39° 2 4 6
51°
7771 7782 7793 7804 7815
7826
7837
7848
7859
7869
7880 38° 2 4 5
52°
7880 7891 7902 7912 7923
7934
7944
7955
7965
7976
7986 37° 2 4 5
53°
7986 7997 8007 8018 8028
8039
8049
8059
8070
8080
8090 36° 2 3 5
54°
8090 8100 8111 8121 8131
8141
8151
8161
8171
8181 0.8192 35° 2 3 5
55° 0.8192 8202 8211 8221 8231
8241
8251
8261
8271
8281
8290 34° 2 3 5
56°
8290 8300 8310 8320 8329
8339
8348
8358
8368
8377
8387 33° 2 3 5
57°
8387 8396 8406 8415 8425
8434
8443
8453
8462
8471
8480 32° 2 3 5
58°
8480 8490 8499 8508 8517
8526
8536
8545
8554
8563
8572 31° 2 3 5
59°
8572 8581 8590 8599 8607
8616
8625
8634
8643
8652 0.8660 30° 1 3 4
54
60° 0.8660 8669 8678 8686 8695
8704
8712
8721
8729
8738
8746 29° 1 3 4
61°
8746 8755 8763 8771 8780
8788
8796
8805
8813
8821
8829 28° 1 3 4
62°
8829 8838 8846 8854 8862
8870
8878
8886
8894
8902
8910 27° 1 3 4
63°
8910 8918 8926 8934 8942
8949
8957
8965
8973
8980
8988 26° 1 3 4
64°
8988 8996 9003 9011 9018
9026
9033
9041
9048
9056 0.9063 25° 1 3 4
65° 0.9063 9070 9078 9085 9092
9100
9107
9114
9121
9128
9135 24° 1 2 4
66°
9135 9143 9150 9157 9164
9171
9178
9184
9191
9198
9205 23° 1 2 3
67°
9205 9212 9219 9225 9232
9239
9245
9252
9259
9256
9272 22° 1 2 3
68°
9272 9278 9285 9291 9298
9304
9311
9317
9323
9330
9336 21° 1 2 3
69°
9336 9342 9348 9354 9361
9367
9373
9379
9383
9391 0.9397 20° 1 2 3
70°
9397 9403 9409 9415 9421
9426
9432
9438
9444
9449 0.9455 19° 1 2 3
71°
9455 9461 9466 9472 9478
9483
9489
9494
9500
9505
9511 18° 1 2 3
72°
9511 9516 9521 9527 9532
9537
9542
9548
9553
9558
9563 17° 1 2 3
73°
9563 9568 9573 9578 9583
9588
9593
9598
9603
9608
9613 16° 1 2 2
74°
9613 9617 9622 9627 9632
9636
9641
9646
9650
9655 0.9659 15° 1 2 2
75°
9659 9664 9668 9673 9677
9681
9686
9690
9694
9699
9703 14° 1 1 2
76°
9703 9707 9711 9715 9720
9724
9728
9732
9736
9740
9744 13° 1 1 2
77°
9744 9748 9751 9755 9759
9763
9767
9770
9774
9778
9781 12° 1 1 2
78°
9781 9785 9789 9792 9796
9799
9803
9806
9810
9813
9816 11° 1 1 2
79°
9816 9820 9823 9826 9829
9833
9836
9839
9842
9845 0.9848 10° 1 1 2
80° 0.9848 9851 9854 9857 9860
9863
9866
9869
9871
9874
9877 9° 0 1 1
81°
9877 9880 9882 9885 9888
9890
9893
9895
9898
9900
9903 8° 0 1 1
82°
9903 9905 9907 9910 9912
9914
9917
9919
9921
9923
9925 7° 0 1 1
83°
9925 9928 9930 9932 9934
9936
9938
9940
9942
9943
9945 6° 0 1 1
84°
9945 9947 9949 9951 9952
9954
9956
9957
9959
9960
9962 5° 0 1 1
85°
9962 9963 9965 9966 9968
9969
9971
9972
9973
9974
9976 4° 0 0 1
86°
9976 9977 9978 9979 9980
9981
9982
9983
9984
9985
9986 3° 0 0 0
87°
9986 9987 9988 9989 9990
9990
9991
9992
9993
9993
9994 2° 0 0 0
88°
9994 9995 9995 9996 9996
9997
9997
9997
9998
9998 0.9998 1° 0 0 0
89°
9998 9999 9999 9999 9999 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 0° 0 0 0
90° 1.0000
sin
60'
54'
48'
42'
36'
30'
24'
18'
12'
6'
0' cos 1' 2' 3'
55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1 Касьянов, В. А. Физика 10кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб.
заведений.- М.: Дрофа, 2009.
2 Касьянов, В. А. Физика 11кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб.
заведений.- М.: Дрофа, 2009.
3 Мякишев, Г.Я., Буховцев,Б.Б., Сотский, Н.Н. Физика: учебник для 10
класса общеобразовательных учреждений.- М.: Просвещение, 2009.
4 Мякишев, Г.Я., Буховцев, Б.Б., Сотский, Н.Н. Физика: учебник для 11
класса общеобразовательных учреждений.- М.: Просвещение, 2009.
5 http://physics-lab.ucoz.ru/publ/laboratory_work/laboratory_work_10/17
6 http://nsportal.ru/shkola/fizika/library/laboratornye-raboty-po-fizike
7 http://your-physics.ru/load/laboratornye_raboty/7
8 http://for-gdz.ru/publ/belarusskie_laboratornye_raboty/fizika/
56