Физический практикум для 11 класса

Материал для проведения практикума переработан с учетом конкретного класса, наличия необходимого оборудования

​​​​​​​ Физический практикум в 10 - 11 классах

11 класс

1. Определение максимальной электроемкости воздушного конденсатора переменной емкости

Тренировочные задания и вопросы.

1. Изображение конденсаторов в схемах электрических цепей.
2. Способы соединения конденсаторов и их особенности.

Теоретическое обоснование работы:

Конденсатором называют систему двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские параллельные металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика (в частности воздуха), образуют плоский конденсатор. Воздушный конденсатор переменной емкости - это система из параллельно соединенных конденсаторов, число которых на единицу меньше числа пластин. Электроемкость такой системы можно вычислить по формуле:

где C – электроемкость конденсатора (), S – площадь каждой пластины (м2), 0 = 8,65 • 10–12 Ф/м – электрическая постоянная, n – число пластин, d – расстояние между соседними пластинами (м).

Оборудование: воздушный конденсатор переменной емкости; штангенциркуль.

Ход работы:

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

2. Внимательно изучите устройство воздушного конденсатора переменной емкости. Убедитесь, что его электроемкость максимальна в положении, когда пластины полностью задвинуты.

3. Измерьте штангенциркулем диаметр одной пластины D и вычислите ее площадь. 

4. Подсчитайте число пластин n.

5. Измерьте зазор d1 между двумя соседними пластинами штангенциркулем, затем измерьте еще четыре зазора d2, d3, d4, d5. Вычислите dср.

6. Вычислите электроемкость. 

7. Сравните вычисленную электроемкость с паспортными данными прибора. Как вы думаете, при каких измерениях допущена наибольшая погрешность? Как можно было бы избежать ошибки в измерениях?

Физический практикум в 10 - 11 классах

11 класс

2. Изучение колебаний математического маятника.

Тренировочные задания и вопросы.

1. Что такое математический маятник? Какими параметрами он характеризуется?
2. Какие факторы влияют на точность измерений в данной работе?

Теоретическое обоснование работы:

Физическая модель математического маятника после выведения ее из положения равновесия может совершать гармонические колебания.

Период колебаний математического маятника определяется по формуле  где l – длина нити математического маятника (м), g = 9,816 м/с2 – ускорение свободного падения для г. Чебоксары, T – период колебаний маятника (с).

В первой части работы необходимо экспериментально определить период колебаний маятника: длина нити не менее 1,5м, амплитуда не более 10см, количество колебаний по указанию учителя.

Рассчитать по формуле период колебаний маятника и сравнить с результатом эксперимента.

Во второй части работы необходимо записать уравнение гармонических колебаний с начальной фазой ноль и построить график зависимости х(t).

Оборудование: модель математического маятника, секундомер, рулетка, мел.

Ход работы:

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений, нарисуйте схему установки для опыта.

2. Соберите установку модели математического маятника.

3. Измерив длину математического маятника рассчитайте период.

4. По результатам N (по указанию учителя) колебаний рассчитайте средние значения периода, сравните с ранее рассчитанным периодом.

5. Напишите уравнение гармонических колебаний и постройте график зависимости х(t).

(Доп. Построить график изменения кинетической энергии груза с течением времени.)

Физический практикум в 10 - 11 классах

11 класс

3. Изучение колебаний пружинного маятника.

Тренировочные задания и вопросы.

1. Что такое пружинный маятник? Какими параметрами он характеризуется?
2. Какие факторы влияют на точность измерений в данной работе?

Теоретическое обоснование работы:

Груз, подвешенный на стальной пружине и выведенный из положения равновесия, совершает под действием сил тяжести и упругости гармонические колебания. Собственная частота колебаний такого пружинного маятника определяется по формуле:.

Первая часть данной работы заключается в том, чтобы экспериментально проверить полученную теоретически закономерность. Для решения этой задачи сначала необходимо измерить массу груза, определить жесткость пружины, применяемой в лабораторной установке и вычислить собственную частоту и период колебаний маятника. Затем, подвесив груз на пружину, экспериментально проверить полученный теоретически результат применив известные формулы частоты и периода колебаний.

Во второй части работы необходимо записать уравнение гармонических колебаний с начальной фазой ноль и построить график зависимости х(t).

Оборудование: набор грузов по механике; груз для маятника; держатель со специальной пружиной; электронные весы; штатив с лапкой и муфтой; линейка с миллиметровым делением; секундомер.

Ход работы:

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений, нарисуйте схему установки для опыта.

2. Соберите установку для определения жесткости пружины и измерьте удлинение пружины под действием силы тяжести грузов из набора.

3. По результатам измерений определите среднее значение жесткости пружины.

4. Измерьте на весах массу груза для маятника, подвесьте к пружине, запустите маятник, отметив амплитуду колебаний.

5. По результатам N (по указанию учителя) колебаний рассчитайте средние значения периода и частоты.

6. Напишите уравнение гармонических колебаний и постройте график зависимости х(t).

(Доп. Построить график изменения кинетической энергии груза с течением времени.)

Физический практикум в 10 - 11 классах

11 класс

4. Определение высоты предмета с помощью плоского зеркала

Тренировочные задания и вопросы.

1. Объяснить закон отражения света.

2. Чем отличается плоское зеркало от сферического?

Теоретическое обоснование работы:

В
солнечную погоду, измерив длины теней от высокого дерева и от предмета известной высоты и используя закон прямолинейного распространения света, можно рассчитать высоту дерева без ее непосредственного измерения. Аналогично можно использовать и законы отражения света. Если положить недалеко от своих ног плоское зеркало так, чтобы видеть в нем ребро пространственного угла между потолком и стеной классной комнаты, то (см. рисунок), поскольку в соответствии с законом отражения углы a и a1 равны, равны и углы 1 и 2. Из подобия треугольников АВС и CDE можно записать откуда высота классной комнаты

Оборудование: плоское и сферические зеркала; рулетка; мел.

Ход работы:

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

2. Измерьте расстояние h от пола до своих глаз. Для этого подойдите к доске и сделайте мелом отметку на уровне своих глаз. Затем измерительной лентой измерьте расстояние от пола до этой отметки.

3. Положите плоское зеркало недалеко от своих ног и отойдите от него на такое расстояние, чтобы в центре зеркала увидеть ребро пространственного угла между потолком и стеной. Сделайте отметку на полу, у центра своей подошвы. Измерьте расстояние l2 от центра зеркала до отметки на полу.

4. Измерьте расстояние l1 от стены до центра зеркала.

5. Подставьте результаты в формулу (1) и вычислите высоту H классной комнаты.

6. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности измерений высоты кабинета.

7. Измерьте высоту потолка в классной комнате непосредственно измерительной лентой. Сравните результаты и сделайте вывод.

Физический практикум в 10 - 11 классах

11 класс

5. Нахождение ярких звезд и некоторых созвездий осеннего, зимнего и весеннего неба в данной местности.

Тренировочные задания и вопросы:

1. Назовите причину изменения видимой картины звездного неба в течение суток.

2. Назовите причину изменения видимой картины звездного неба в течение года.

Теоретическое обоснование работы:

Подвижная карта позволяет быстро определять вид звёздного неба в любой момент времени любого дня года. На карте изображены звёзды вплоть до четвёртой звёздной величины, а также самые яркие и известные туманные объекты неба, переменные и двойные звёзды.

Подвижная карта состоит из двух частей: накладного круга и карты звёздного неба. Вырез в накладном круге делают в соответствии с географической широтой места наблюдения. (Чебоксары 56020' с.ш.)

Для того, чтобы определить вид неба в интересующий момент времени, необходимо наложить накладной круг на карту и совместить интересующее нас время на накладном круге с датой по внешней окружности карты. Во внутреннем вырезе накладного круга будет вид звёздного неба на эту дату.

Оборудование: карта звездного неба, подвижная карта звездного неба.

Ход работы:

1. Найдите на звездной карте и зарисуйте в тетради очертания следующих созвездий: Большой и Малой Медведицы, Кассиопеи, Лебедя, Льва, Пегаса, Волопаса и Ориона.

2. На подвижной карте приведите в соответствии положение карты с датой и временем проведения по указанию учителя. Определите и запишите, какие из перечисленных в пункте 1 созвездий находятся выше горизонта, какие из них восходят, заходят и находятся в кульминации в данный момент времени.

3. Определите и запишите, какие из перечисленных в пункте 1 созвездий находятся к востоку, западу, югу и северу от Полярной звезды.

Физический практикум в 10 - 11 классах

11 класс

6. Определение длины волны светового излучения с помощью дифракционной решётки.

Тренировочные задания и вопросы:

1. Как определяют период дифракционной решетки?

2. В чём разница в дифракционных картинах решёток с 50 и 300 штрихами на одном миллиметре?

Теоретическое обоснование работы:

Дифракционная решетка – это оптический прибор, представляющий собой поверхность, на которую нанесено большое число параллельных, равноотстоящих друг от друга микроскопических штрихов (щелей или выступов). Уже из самого названия прибора понятно, что он работает по принципу дифракции света – явления отклонения света от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.

Число штрихов современной дифракционной решетки может доходить до 3600 на один миллиметр, и процесс изготовления такого устройства требует очень высокой точности. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решетка будет забракована. Нарезание решетки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 3 секунды.

Существуют два вида дифракционных решеток: прозрачные и отражательные. Прозрачная решетка – это стеклянная тонкая пластинка или пластинка из прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи дифракционной решетки являются препятствием для света, через них он не может пройти. Оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры играют роль щелей. При выполнении лабораторных работ чаще используют этот вид решеток.

Отражательная решетка – это металлическая или пластиковая отполированная пластинка, на которую вместо штрихов нанесены бороздки определенной глубины.

Формула дифракционной решетки: d·sinφ=k·λ, где k=0; ± 1; ± 2; ± 3..., d - период дифракционной решётки, φ - угол, под которым виден световой максимум k-го порядка на расстоянии а от нулевого максимума, а λ - длина волны. Так как углы дифракции малы, то для них можно принять: sinφ ≈ tgφ, а tgφ=a/b.

Поэтому:  , и искомая длина световой волны равна  (2)

Оборудование: штатив с муфтой, оптическая скамья, экран с прорезью, дифракционная решетка 1:100.

Описание установки: оптическая скамья, по которой может передвигаться ползушка-экран с прорезанной в ней щелью; под щелью укреплена шкала с делениями; щель освещается лампой накаливания; на конце скамьи закреплена неподвижная рамка, в которую вставлена дифракционная решетка.

Ход работы:

1. Подготовить таблицу для записи результатов измерений:

2. Установить расстояние от решётки до экрана 40 см (b). Результат записать в таблицу.

3. Смотря через дифракционную решётку, направить прибор на источник света. Пронаблюдать спектр, нарисовать картинку с указанием цветов.

4. Измерить на экране расстояние а между нулевым максимумом и максимумом 1-го порядка для красного света.  Результат записать в таблицу.

5. Измерить на экране расстояние а между нулевым максимумом и максимумом 2-го порядка для красного света. Результат записать в таблицу.

6.Повторить опыт, измерив на экране расстояние а между нулевым максимумом и максимумом 1-го и 2-го порядка для фиолетового света. Результат записать в таблицу.

7. По формуле   рассчитать длину волны излучения.

Найти среднее значение длины волны светового излучения для красного λкр ср=( λкр1+λкр2)/2
 и фиолетового света λф ср=( λф1+λф2)/2 

 8. Зная истинное значение длины волны лазерного излучения, рассчитать относительную погрешность измерений:

δ=( λкр ср - λкр табл)/λкр табл *100%       и δ=( λф ср - λф табл)/λф табл *100%

Диапазон длин волн, нм

Красный 625—740нм (λкр табл= 680нм)

Фиолетовый 380—440нм (λф табл = 410нм)

7. «Измерение влажности воздуха»

Тренировочные задания и вопросы:

1. Опишите устройство гигрометра. Почему при продувании воздуха через эфир, на полированной поверхности стенки камеры гигрометра появляется роса? В какой момент появляется роса?

2. Опишите устройство психрометра. Почему показания «влажного» термометра меньше показаний «сухого» термометра?

Теоретическое обоснование работы:

Н
а рисунке аспирационный психрометр Ассмана.

Он состоит из двух термометров: «сухого» и «влажного». Оба термометра скрыты в корпусе, защищающем их от повреждения и теплового воздействия от окружающих поверхностей. Они принудительно обдуваются воздухом с помощью встроенного вентилятора, что гарантирует одинаковый фиксированный поток. Это исключает зависимость показаний от порывов ветра, и выравнивает условия. Работающий вентилятор двигает воздух со скоростью 2 м/сек. Это самый точный вид психрометров.

В их конструкции используются термометры со стеклянной колбой, поэтому устройство требует аккуратного обращения.

Оборудование: аспирационный психрометр Ассмана, психрометрическая таблица.

Ход работы: 

1. Подготовить таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

2. Измерить влажность воздуха с помощью аспирационного психрометра Ассмана:

а) открутить правую ножку психрометра, намочить рабочее тело термометра и закрутить обратно;

б) завести вентилятор на один оборот, через 2 минуты записать показания «сухого» и «влажного» термометров;

в) рассчитать разность показаний термометров:

Δt = tсухого - tвлажного

Δt =

г) по психрометрической таблице определите влажность воздуха φ:

φ=