Гаджиева Саида Горхмазовна

Методические разработки лабораторных работ

Материал опубликован 4 January

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение СОШ №2 им. Н.В. Богданченко

МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ

Учитель физики: Гаджиева С.Г.

Усть-Лабинск

2024г

Лабораторные и практические работы составляют важную часть процесса обучения будущих физиков, механиков и химиков.

При этом методическое пособие для проведения этих работ совершенно необходимо. Данное пособие содержит описание 3 лабораторных работ по разделам общей физики. Каждая работа, кроме описания экспериментальной установки и порядка проведения работ, содержит элементы теории, контрольные вопросы и задачи по изучаемой теме. В пособие включены также разделы посвященные единицам измерения физических величин, а также некоторые справочные материалы и полезные физические и математические формулы.

Методы исследования

Основным методом исследования в физике является опыт.

Опыт — основанное на практике чувственно эмпирическое познание объективной действительности, т. е. наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и многократно воспроизводить его при повторении этих условий. Для объяснения экспериментальных данных выдвигаются гипотезы.

Гипотеза — это научное предположение, позволяющее уяснить сущность происходящих явлений и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией. В результате обобщения экспериментальных данных, а также накопленного опыта учёных устанавливаются физические законы.

Законы — устойчивые, повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами. Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помощью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах.

Лабораторные и практические работы играют важную роль при изучении физики.

физики, инженеры, геологи и химики должны глубоко овладеть методами проведения экспериментов, математических расчетов и анализу полученных результатов.

Единицы физических величин

Единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возникнут трудности при их сравнении. Поэтому целесообразно ввести систему единиц, охватывающую единицы всех физических величин. Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга физических величин. Эти единицы называются основными.

В научной, а также учебной литературе применяют Систему интернациональную (СИ), которая строится на семи основных единицах — метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела — и двух дополнительных — радиан и стерадиан. Метр (м) — длина пути, проходимого светом в вакууме за (1/299 792 458) с (секунд). Килограмм (кг) — масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевого цилиндра, с высотой и диаметром равными 39 мм; это масса 1 литра воды при температуре 277 Кельвин), хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа. Секунда (с) — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия - 133. Ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным про- 6 водникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу, равную Н на каждый метр длины. Кельвин (К) — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Моль (моль) — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде массой 0,012 кг. Кандела (кд) — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила света, которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Стерадиан (ср) — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Остальные же единицы, называемые производными, выводятся из физических законов, связывающих их с вышеперечисленными основными единицами.

Лабораторная работа №1

СВОБОДНЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Цель работы: изучение свободных и вынужденных колебаний в системе с одной степенью свободы.

Идея эксперимента Используется пружинный маятник, тело которого обладает магнитными свойствами и движется в вязкой среде, а внешняя вынуждающая сила создается с помощью переменного магнитного поля. Для анализа движения маятника используется пьезоэлектрический датчик, управление экспериментом и обработка результатов производится с помощью ЭВМ. Теоретическое введение Колебания широко распространены в природе. В общем случае под колебаниями понимают движения, в той или иной степени повторяющиеся во времени. По физической природе колебательные процессы разделяют на механические, электромагнитные, электромеханические и т.д. Особую роль в физике играют механические и электромагнитные колебания. С помощью распространяющихся колебаний плотности и давления воздуха (воспринимаемых как звук) и с помощью распространяющихся электромагнитных колебаний (свет) мы получаем большую часть информации об окружающем мире. Несмотря на различную физическую природу колебаний, их можно описать одинаковыми уравнениями. Если физическая величина изменяется со временем x(t) по гармоническому закону:

x(t)= Acos (ωo +ϕ)

то колебания называют гармоническими. Здесь A— амплитуда колебаний; ω— круговая частота (T— период); t— время; ϕ— начальная фаза.

Функция из (1) представляет решение дифференциального уравнения

Если уравнения, описывающие колебания, имеют вид линейных дифференциальных уравнений, колебания называются линейными. В реальной системе это соответствуют тем случаям, когда все возникающие силы можно считать линейными функциями координат и скоростей. Физическую систему, выведенную из состояния равновесия и предоставленную самой себе, в которой изменение одного из параметров x описывается дифференциальным уравнением (2), называют классическим гармоническим осциллятором. Колебания можно разделить на собственные и вынужденные. В первом из них за счет внешней силы система выводится из состояния устойчивого равновесия, т.е. ей сообщается некоторое достаточное количество энергии, после чего внешние силы полностью отключаются. В этом случае возникают колебания, которые называются собственными колебаниями системы. Если же на систему постоянно действует внешняя сила, то происходят так называемые вынужденные колебания;

Рассмотрим колебания гармонического осциллятора на примере пружинного маятника. Собственные колебания пружинного маятника. Пружинный маятник состоит из тела массы m и легкой пружины с коэффициентом жесткости k (рис. 1, а). В общем случае движение пружинного маятника в поле силы тяжести довольно сложно и описывается большим числом степеней свободы.

Практический интерес, однако, представляют колебания с одной степенью свободы, когда движение маятника происходит вдоль вертикальной оси. Для возбуждения таких колебаний можно немного растянуть пружину, а затем отпустить маятник (рис. 1 б, в). В этом случае для полного описания колебаний необходимо знать поведение только одной переменной, например, вертикальной координаты центра масс тела маятника. На тело, подвешенное на пружине в поле силы тяжести действуют две силы (без учета сил трения): сила тяготения и упругая сила. Начало координат выберем таким образом, чтобы при x=0 масса m находилась в равновесии. При этом сила тяжести mg будет скомпенсирована некоторым начальным растяжением пружины и в дальнейшем рассмотрении участвовать не будет.

Экспериментальная установка

Исследование колебаний маятника проводится на установке, схема которой приведена на рис. 6. Установка состоит из пружинного маятника, системы регистрации колебаний на основе пьезоэлектрического датчика, системы возбуждения вынужденных колебаний, а также системы обработки информации на персональном компьютере (ПК). Исследуемый пружинный маятник состоит из стальной пружины с коэффициентом жесткости k и тела маятника, в центре которого вмонтирован постоянный магнит. Движение маятника происходит в жидкости и при небольших скоростях колебаний возникающая сила трения может быть с достаточной точностью аппроксимирована линейным законом, т.е.

F= - hx'=- hV

Для регистрации колебаний используется пьезоэлектрический датчик, к которому подвешена пружина маятника. Во время движения маятника сила упругости пропорциональна смещению x.

Так как ЭДС, возникающая в пьезодатчике, в свою очередь пропорциональна силе давления, то сигнал, получаемый с датчика будет пропорционален смещению тела маятника от положения равновесия. Возбуждение колебаний осуществляется с помощью магнитного поля. Гармонический сигнал, создаваемый ПК, усиливается и подается на электромагнит, расположенный под телом маятника. В результате, этого вокруг электромагнита создаётся переменное во времени и неоднородное в пространстве магнитное поле. Это поле действует на постоянный магнит, вмонтированный в тело маятника и создает внешнюю периодическую силу. Система обработки информации состоит из блока сопряжения с ПК (аналого-цифрового преобразователя) и персонального компьютера. Аналоговый сигнал с пьезоэлектрического датчика с помощью аналого-цифрового преобразователя представляется в цифровом виде и подается на ПК. Установка снабжена также устройством для статических измерений жесткости пружины. На исследуемую пружину могут подвешиваться грузы различной массы. Для регистрации растяжения пружины используется измерительная линейка. Управление экспериментальной установкой с помощью ЭВМ После включения компьютера и загрузки программы на экране монитора появляется меню, общий вид которого показан на рис..7. Используя клавиши управления курсором →, ←, ↑, ↓, можно выбрать один из пунктов меню. После нажатия кнопки ENTER компьютер приступает к выполнению выбранного режима работы. Простейшие подсказки по выбранному режиму работы содержатся в выделенной строке внизу экрана. Рассмотрим возможные режимы работы программы: Статика — этот пункт меню используется для обработки результатов первого упражнения (см. рис. 7). После нажатия на кнопку ENTER компьютер запрашивает массу груза маятника После следующего нажатия кнопки ENTER на экране появляется новая картинка с мигающим курсором. Последовательно записывают на экране массу груза в граммах и, после нажатия пробела, величину растяжения пружины. Нажав на ENTER, переходят на новую строку и снова записывают массу груза и величину растяжения пружины. Допускается редактирование данных в пределах последней строки. Для этого, нажав клавишу Backspase, удаляют неправильное значение массы или растяжения пружины и записывают новое значение. Для изменения данных в других строках необходимо последовательно нажать Esc и ENTER, а затем повторить набор результатов.

После набора данных нажимают на функциональную клавишу F2. На экране появляются рассчитанные, с помощью метода наименьших квадратов, значения коэффициента жесткости пружины и частоты свободных колебаний маятника. После нажатия ENTER на экране появляется график зависимости упругой силы от величины растяжения пружины. Возврат в основное меню происходит после нажатия любой клавиши.

Основные итоги работы: В результате работы должны быть определены собственная частота колебаний пружинного маятника, декремент затухания и получены его амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики.

Контрольные вопросы

1. Что такое классический гармонический осциллятор?

2. Показать, что постоянная сила тяжести не влияет на частоту колебаний пружинного маятника.

3. На какой частоте происходят колебания пружинного маятника при наличии затухания?

4. На какой частоте происходят вынужденные колебания маятника?

5. Что такое коэффициент затухания, добротность?

6. На каких частотах наблюдаются резонансы смещения и скоростей?

7. Получить дифференциальное уравнение второго порядка свободного колебания пружинного и математического маятника.

8. От чего зависят периоды колебаний физических, пружинных и математических маятников.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ВОЛЬТМЕТРА

Цель работы: Определение емкости конденсаторов и проверка законов последовательного и параллельного соединения конденсаторов

Описание лабораторной установки

Для определения емкости неизвестного конденсатора используется эталонный конденсатор, емкость которого известна.

Методика эксперимента

Эталонный конденсатор Сэт = 5000 мкФ и электронный вольтметр V1 подключаются через переключатель S2 к источнику регулируемого постоянного напряжения, состоящего из источника G1 и потенциометра R2 . Напряжение U0 на обкладках эталонного конденсатора измеряется вольтметром V1 и может регулироваться с помощью потенциометра R2. Для определения неизвестной емкости конденсатора Сх , пропускают известное количество электричества, накопленное на эталонном конденсаторе с известной емкостью Сэт через неизвестную емкость. При этом измеряют падение напряжения на Сэт – U1.

При параллельном соединении эталонного и исследуемого конденсатора заряд перераспределяется между ними эт эт x . Заряд на эталонном конденсаторе до подключения С U0 q  qq этqэт , после С U1 этqэт . Заряд на исследуемом конденсаторе после подключения С U1 xqx . Подставляя в CxU1 CэтU1 закон сохранения заряда соотношения для зарядов на конденсаторе, получим СэтU0 .

Отсюда емкость исследуемого конденсатора:

Сх= Сэт + Uo - U1/U1

Порядок выполнения работы

Установка собрана и готова к работе

. 1. Включите блок 1 в цепь

2. Проверьте установку электронного вольтметра 2 на нуль, при необходимости установите его на нуль с помощью корректора.

3. Определите цену деления шкалы вольтметра 2

. 4. Включите блок 1 переключателем S1.

5. С помощью кабеля 3 подключите исследуемый конденсатор Сх1

. 6. Замкните переключатель S2 на потенциометр R2.

7. Установите движком потенциометра R2 напряжение в пределах от 1 до 3 вольт, на эталонном конденсаторе Сэт. Запишите показание вольтметра

8. Переключателем S2 включите исследуемую емкость Сх1. При этом эталонная емкость Сэт отключается от источника тока и подключается к исследуемой емкости Сх1

Запишите показание вольтметра (U1) в таблицу

9. После каждого измерения исследуемый конденсатор обязательно разрядите на активное сопротивление R1 нажатием кнопки S3.

Внимание: Запрещается нажимать кнопку S2 при подаче напряжения на конденсаторы от источника питания.

10. Опыт повторите еще два раза (пп.6–9), изменяя напряжение U0 на обкладках эталонного конденсатора в пределах от 1 до 3 вольт

11. С помощью кабеля 3 подключите вместо конденсатора Сх1 конденсатор с неизвестной емкостью Сх2, конденсатор Сх2 и выполнить все измерения, указанные в пунктах 6-10. Результаты измерений занесите в таблицу . 12. Соедините конденсаторы с электрическими емкостями Сх1 и Сх2 параллельно (рис.211.1) с помощью кабеля 4 (замыкаются обкладки одного знака), и выполните все измерения, указанные в пунктах 6-10. Результаты измерений занесите в таблицу

2. 13. Соедините конденсаторы с электрическими емкостями Сх1 и Сх2 последовательно с помощью кабеля 4 (замыкаются обкладки разных знаков), и выполните все измерения, указанные в пунктах 6-10. Результаты измерений занесите в таблицу

2. 14. Переключателем S1 выключите блок 1 и отключите его от цепи.

5. Обработка результатов измерений

1. По формуле вычислите электрические емкости Сх1 и Сх2 для каждого опыта. Рассчитайте среднее арифметическое значение электроемкости для каждого конденсатора.

2. По формуле (211.2) рассчитайте относительную погрешность измерений ε, учитывая

3. По формуле (211.4) рассчитать абсолютную погрешность измерений ΔС.

4. Определить по формуле (211.6) количество теплоты Q, которое выделяется в цепи. Результаты расчетов запишите в табл.211.1.

5. По формуле (211.1) вычислите электрические емкости батарей конденсаторов для каждого опыта.

Рассчитайте среднее арифметическое значение электроемкости для каждого случая подключения.

6. Контрольные вопросы

1. Дайте определение электростатической индукции

. 2. Электроемкость уединенного проводника.

3. Что такое конденсатор?

4. Как классифицируют конденсаторы?

5. Чему равна энергия заряженного проводника, конденсатора?

6. В чем заключается физический смысл диэлектрической восприимчивости и проницаемости среды?

7. Емкость и заряд при параллельном и последовательном соединении конденсаторов.

8. Чему равна энергия и плотность энергии электрического поля?

9. Выведите формулы энергии и емкости заряженного шара.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

«Определение выталкивающей силы,

действующей на погруженное в жидкость тело»

Под водой мы можем легко поднять камень, который с тудом поднимаем в воздухе. Если погрузить пробку под воду и выпустить её из рук, то она всплывет.

Рассмотрим силы, которые действуют со стороны жидкости на погруженное в нее тело (рис. 1). Силы, действующие на боковые грани тела, попарно равны и уравновешивают друг друга. Под действием этих сил тело только сжимается. А вот силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани тела, неодинаковые. На верхнюю грань давит сверху силой F1 столб жидкости высотой h1.

На уровне нижней грани тела давление производит столб жидкости высотой h2.

Это давление передается внутри жидкости во все стороны. Следовательно, на нижнюю грань тела снизу вверх с силой F2 давит столб жидкости h2. Но h2 больше h1, следовательно, и модуль силы F2 больше модуля силы F1. Поэтому тело выталкивается из жидкости с силой Fвыт, равной разности сил F2-F1, т.е.

Fвыт = F2 - F1

Существование силы, выталкивающей тело из жидкости, легко обнаружить на опыте. На рис. 2 изображено тело, подвешенное к пружине со стрелкой –указателем на конце.

Растяжение пружины отмечает на штативе стрелка. При опускании тела в воду пружина сокращается (рис. 3) . Такое же сокращение пружины получается, если действовать на тело снизу вверх с некоторой силой, например нажать рукой.

Следовательно, опыт подтверждает, что на тело, находящееся в жидкости, действует сила, выталкивающая это тело из жидкости.

Сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, направлена противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу.

Поэтому если какое-либо тело взвесить в жидкости или газе, то его вес окажется меньше веса в вакууме (пустоте). Именно этим объясняется, что в воде мы иногда легко поднимаем тела, которые с трудом удерживаем в воздухе.

Практическая часть

Цель работы: Обнаружить на опыте выталкивающее действие жидкости на погруженное в нее тело и определить выталкивающую силу.

Приборы и материалы: динамометр, штатив с муфтой и лапкой, два тела разного объема, стаканы с водой и насыщенным раствором соли в воде

Ход работы:

Повторили по учебнику § 50. Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.

Укрепили динамометр на штативе и подвесили к нему на нити тело. Отметили и записали в показание динамометра. Это будет вес тела в воздухе (V1 –объем первого тела).

РV1 = Н

Подставляю стакан с водой и опускаю муфту с лапкой и динамометром, пока все тело не окажется под водой. Отмечаю и записываю показания динамометра. Это будет вес тела в воде.

P1V1 = Н – в воде

По полученным данным вычисляем выталкивающую силу, действующую на тело.

Выталкивающая сила в воде Fv1 = РV1 - P1V1 =

Готовим насыщенный раствор соли и снова определяем выталкивающую силу, действующую на то же тело. (Раствор нужно готовить так чтобы на дне стакана остались кристаллы не растворившейся соли. Для сведений: в 100 г воды при температуре 20°С может раствориться приблизительно 35 г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт. 1 чайная ложка соли без горки/с горкой = 7/10 г, 1 столовая ложка соли без горки/ с горкой = 25/30 г)

Подвесьте к динамометру тело другого объема (V2 – объем второго тела) и определите указанным способом выталкивающую силу, действующую на него в воде и насыщенном растворе соли.

P1V2 = Н – в насыщенном растворе соли

Выталкивающая сила в воде Fv2 = РV2 - P1V2 =

Результаты измерений записываем в таблицу.

Вывод: Я опытным путем установил выталкивающее действие жидкости на погруженное в нее тело и определил выталкивающую силу.