Методические указания для выполнения лабораторных работ по физике

 

 

 

 

 

 

Методические указания для выполнения

лабораторных работ по дисциплине

 

ОДБ. 06. "физика"

____________________________________

(наименование учебной дисциплины)

 

программы подготовки специалистов среднего звена (ППССЗ)

программы подготовки квалифицированных рабочих служащих (ППКРС)

 

базовой подготовки

 

 

 

 

г. Нефтеюганск 2018 г.

Методические указания для выполнения лабораторных работ по учебной дисциплине ОДБ. 06. "физика" разработаны в соответствии с Письмом МИНОБРНАУКИ РФ от 17 марта 2015г. № 06-259 «Рекомендации по организации получения среднего общего образования в пределах освоения образовательных программ среднего профессионального образования на базе основного общего образования с учетом требований федеральных государственных образовательных стандартов и получаемой профессии или специальности среднего профессионального образования» с рабочим учебным планом, программой учебной дисциплины ОДБ. 06. "физика"

 

 

Пояснительная записка

Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов 1,2 курсов для выполнения лабораторных работ по физике.

Целями выполнения лабораторных работ является:

- обобщение, систематизация, углубление, закрепление полученных теоретических знаний по конкретным темам дисциплины;

- формирование умений применять полученные знания на практике, реализация единства интеллектуальной и практической деятельности;

-развитие интеллектуальных умений у будущих специалистов; аналитических, проектировочных, конструктивных и др.

- выработку при решении поставленных задач таких профессионально значимых качеств, как самостоятельность, ответственность, точность, творческая инициатива.

В процессе изучения физики очень большое значение имеет выполнение лабораторных работ, так как оно позволяет закрепить теоретический материал курса, разобраться в различных законах и границах их применения, способствует их запоминанию. Кроме того, при этом развиваются навыки использования этих законов для выяснения конкретных практических вопросов. Таким образом, выполнение лабораторных работ является проверкой степени усвоения студентами теоретического материала и может служить критерием знания курса.

Предлагаемое пособие содержит материал 20 лабораторных работ по физике (согласно рабочей программе), краткую теорию, предлагаемые студентам для теоретической подготовки к занятиям вопросы.

 

Лабораторная работа рассчитана на выполнение в течение одного учебного часа.

 

В процессе выполнения практической работы студенты в отчёт должны внести:

название практической работы;

цель работы;

решение выполненных заданий практической работы.

Оценка за выполнение лабораторных работ выставляется по пятибалльной системе и учитывается как показатель текущей успеваемости студентов.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Тема: Изучение движения тела по окружности

Количество часов 1

Цель:  определение центростремительного ускорения шарика при его равномерном движении по окружности.

Оборудование:

штатив с муфтой и лапкой;

лента измерительная;

циркуль;

динамометр лабораторный;

весы с разновесами;

шарик на нити;

кусочек пробки с отверстием;

лист бумаги;

линейка.

Ход работы

Изучить теоретическое обоснование.

Оформить отчет по практической работе.

Теоретическое обоснование

Эксперименты проводятся с коническим маятником. Небольшой шарик движется по окружности радиусом R. При этом нить АВ, к которой прикреплен шарик, описывает поверхность прямого кругового конуса. На шарик действуют две силы: сила тяжести mg и натяжение нити F (смотри рис а). Они создают центростремительное ускорение аn, направленное по радиусу к центру окружности. Модуль ускорения можно определить кинематически. Он равен:

an = ω2R = 4π2R/T2

Для определения ускорения надо измерить радиус окружности R и период обращения шарика по окружности Т. Центростремительное (нормальное) ускорение можно определить также, используя законы динамики. Согласно второму закону Ньютона ma = mg + F. Разложим силу Fна составляющие F1 и F2, направленные по радиусу к центру окружности и по вертикали вверх. Тогда второй закон Ньютона можно записать следующим образом:

ma = mg + F1 + F2.

Направление координатных осей выберем так, как показано на рисунке б. В проекции на ось O1Y уравнение движения шарика примет вид: 0 = F2 - mg. Отсюда F2 = mg. Составляющая F2 уравновешивает силу тяжести mg, действующую на шарик. Запишем второй закон Ньютона в проекции на ось О1Х: man = F1. Отсюда аn = F1/m. Модуль составляющей F1 можно определить различными способами. Во-первых, это можно сделать пользуясь подобием треугольников ОАВ и FBF1:

F1/R = mg/h

Отсюда F1 = mgR/h и an = gR/h.

Во-вторых, модуль составляющей F1 можно непосредственно измерить динамометром. Для этого оттягиваем горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу R окружности (рис. в), и определяем показание динамометра. При этом сила упругости пружины уравновешивает составляющую F1. Сопоставим все три выражения для аn:

an = 4π2R/T2, an = gR/h, an = F1/m

и убедимся, что числовые значения центростремительного ускорения, полученные тремя способами, близки между собой.

В данной работе с наибольшей тщательностью следует измерять время. Для этого полезно отсчитывать возможно большее число N оборотов маятника, уменьшая тем самым относительную погрешность.

Взвешивать шарик с точностью, которую могут дать лабораторные весы, нет необходимости. Вполне достаточно взвешивать с точностью до 1 г. Высоту конуса и радиус окружности достаточно измерить с точностью до 1 см. При такой точности измерений относительные погрешности величин будут одного порядка.

Порядок выполнения работы.

1. Определяем массу шарика на весах с точностью до 1 г.

2. Нить продеваем сквозь отверстие в пробке и зажимаем пробку в лапке штатива (смотри рис. в).

3. Вычерчиваем на листе бумаги окружность, радиус которой около 20 см. Измеряем радиус с точностью до 1 см.

4. Штатив с маятником располагаем так, чтобы продолжение нити проходило через центр окружности.

5. Взяв нить пальцами у точки подвеса, вращаем маятник так, чтобы шарик описывал такую же окружность, как и начерченная на бумаге.

6. Отсчитываем время, за которое маятник совершает заданное число оборотов (к примеру, N = 50).

7. Определяем высоту конического маятника. Для этого измеряем расстояние по вертикали от центра шарика до точки подвеса (считаем h ~ l).

8. Находим модуль центростремительного ускорения по формулам:

an = 4π2R/T2 и an = gR/h

9. Оттягиваем горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу окружности, и измеряем модуль составляющей F1. Затем вычисляем ускорение по формуле аn = F1/m.

 

 

 

10. Результаты измерений заносим в таблицу.

 

Сравнивая полученные три значения модуля центростремительного ускорения, убеждаемся, что они примерно одинаковы.

 

Лабораторная работа №2-3.

Тема: Изучение закона Ома для участка цепи, последовательного и параллельного соединения проводников.

Цель : Научиться экспериментально, определять полное сопротивление последовательное и последовательное соединённых проводников.

Оборудование: амперметр, вольтметр, выключатель, два резистора, соединительные провода.

Теоретическое обоснование:

Закон Ома для участка цепи: I=,

Последовательным соединением проводников называют такое соединение, при котором нет разветвлений в цепи.

При последовательном соединении проводников сила тока на всех участках цепи одинакова: I=I1=I2=…=In

При последовательном соединении проводников общее напряжение цепи равно сумме напряжений на каждом участке: U=U1+U2+…+Un

При последовательном соединении общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений на каждом участке: Rобщ. =R1+R2+…+Rn

Параллельным соединением проводников называют такое соединение, при котором в цепи есть разветвление.

При параллельном соединении проводников сила тока в цепи равна сумме токов на каждом участке:I=I1+I2+…+In

При последовательном соединении проводников напряжение одинаково во всей цепи: U=U1=U2=…=Un

При последовательном соединении общее сопротивление цепи равно:

.= ++…+, для двух проводников: Rобщ.=

План выполнения задания.

1.1.Собрать цепь по схеме.

1.2.Измерьте силу тока и напряжение. (Опыт повторить 2 раза).

1.3.Проверте выполнение законов последовательного соединения.

1. 4.Результаты показаний приборов и расчеты занесите в таблицу.

2. 1.Собрать цепь по схеме.

2. 2.Измерьте силу тока и напряжение. (Опыт повторить 2 раза).

2. 3.Проверте выполнение законов параллельного соединения.

2. 4.Результаты показаний приборов и расчеты занесите в таблицу.

 

 

2.5.Сделайте вывод.

Контрольные вопросы.

1.Как подключается в электрическую цепь амперметр, вольтметр?

2.Как соединены лампочки в ёлочной гирлянде? Почему?

Внимание!!! Без разрешения преподавателя в сеть электрическую цепь не подключать!!!

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Тема: Определение ускорения свободного падения

Количество часов: 1

Цель: определить ускорение свободного падения при помощи маятника, оценить возможность и точность измерения ускорения данным способом.

Оборудование:

часы с секундной стрелкой;

измерительная лента с погрешностью Δл = 0,5 см;

шарик с отверстием;

нить;

штатив с муфтой и кольцом.

Ход работы

Изучить теоретическое обоснование.

Решить задания работы по варианту указанному преподавателем.

Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

Оформить отчет по практической работе.

Теоретическое обоснование

Для измерения ускорения свободного падения применяются разнообразные гравиметры, в частности маятниковые приборы. С их помощью удается измерить ускорение свободного падения с абсолютной погрешностью порядка 10-5 м/с2.

В работе используется простейший маятник - шарик на нити. При малых размерах шарика по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях от положения равновесия период колебаний равен периоду колебаний математического маятника Т = 2π√l/g. Для увеличения точности измерения периода нужно измерить время t достаточно большого числа N полных колебаний маятника. Тогда период Т = t/N, и ускорение свободного падения может быть вычислено по формуле g = 4π2lN2/t2.

Указания к работе

1. Установите на краю стола штатив. У его верхнего конца укрепите с помощью муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 1-2 см от пола.

2. Измерьте лентой длину l маятника (длина маятника должна быть не менее 50 см).

3. Возбудите колебания маятника, отклонив шарик в сторону на 5-8 см и отпустив его.

4. Измерьте в нескольких экспериментах время t 50 колебаний маятника и вычислите tср: tср = (t1 + t2 + t3 + ...)/n, где n - число опытов по измерению времени.

5. Вычислите среднюю абсолютную погрешность измерения времени Δtср = (|t1-tср| + |t2-tср| + |t3-tср| + ...)/n и результаты занесите в таблицу.

 

 

 

6. Вычислите ускорение свободного падения по формуле

7. Определите относительную погрешность измерения времени еt

8. Определите относительную погрешность измерения длины маятника еl = Δl/l. Значение Δl складывается из погрешности мерной ленты и погрешности отсчета, равной половине цены деления ленты: Δl = Δlл + Δlотсч.

9. Вычислить относительную погрешность измерения g по формуле еg = el + 2eπ + 2et учитывая, что погрешностью округления π можно пренебречь, если π = 3,14; также можно пренебречь el, если она в 4 раза (и более) меньше 2et.

10. Определите Δg = еggср и запишите результат измерения в виде gср - Δg ≤ g ≤ gср + Δg

Убедитесь в достоверности измерений и проверьте принадлежность известного значения g полученному интервалу.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Тема: проверка закона Ома для цепи переменного тока

Количество часов: 1

Цель: Проверить выполнение закона Ома, т. е. прямой пропорциональности между током I и напряжением U для цепей с различными нагрузками, а также определить параметры L (индуктивность) и С (емкость) этих цепей.

Оборудование: источник переменного напряжения, катушка конденсаторы, активное сопротивление, реостат, мультиметр, миллиамперметры и вольтметры переменного тока, соединительные провода, ключ. 

Ход работы

1.выполнить задания работы

2.Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

3.Оформить отчет по практической работе.

Упражнение 1

Закон Ома для RL-цепи и измерение индуктивности катушки

Измерения. Для измерения напряжения в данной работе применен электронный вольтметр, который обладает значительно большим входным сопротивлением по сравнению с традиционными электроизмерительными, что благотворно сказывается на точности получаемых результатов.

1.Подготовьте к работе электронный милливольтметр В3-38 – поставьте переключатель на наибольший предел измерения.

2.Соберите электрическую цепь .

Предложите преподавателю или лаборанту проверить правильность сборки цепи.

3.Включите установку и вольтметр в сеть 220 В.

4.Установите с помощью переменного резистора R ток в цепи поочередно 20; 25; 30; 35; 40 мА и запишите в табл.1 соответствующие показания милливольтметра UL.

5.Измерьте входное напряжение U, присоединив измерительные провода вольтметра к клеммам u.

6.Запишите сопротивление катушки постоянному току R0 (его величина, указанная в омах, написана около ее клемм). Отметьте в табл.1, какие клеммы катушки задействованы.

7.Выключите установку и вольтметр из сети.

Обработка результатов измерений. 1.Из формулы вычислите полное сопротивление катушки Z1

.

2.Из формулы (20) определите индуктивность L для каждого измерения

.

3.Найдите среднее значение и полуширину доверительного интервала по Стьюденту. Результат запишите в виде

 при р=0,95.

4.Вычислите полное сопротивление всей цепи Z=U/I. Сравните между собой Z1, Z, XL. Что означает каждая величина?

Упражнение 2

Закон Ома для RС-цепи и измерение емкости конденсатора

Измерения. 1.Соберите новую электрическую цепь по схеме, приведенной на рис.10. Предел измерения вольтметра – наибольший. Отметьте в табл.2, какой из конденсаторов С1 или С2 включен.

2
.После проверки лаборантом или преподавателем правильности сборки включите установку и вольтметр в сеть.

3.Установите поочередно ток в цепи 20; 25; 30; 35; 40 мА и запишите соответствующие ему показания вольтметра UC.

4.Измерьте входное напряжение U.

5.Выключите установку и вольтметр из сети.

Обработка результатов измерения.

1.Исходя из формулы (17), определите сопротивление конденсатора переменному току Z2

.

Можно считать, что полное сопротивление конденсатора есть емкостное сопротивление, так как его активное сопротивление RC, как правило, значительно меньше емкостного (почему?) и им можно пренебречь. Какова физическая природа активного сопротивления конденсатора?

 

2.Вычислите емкость конденсатора для всех измерений по формуле

.

3.Найдите среднее значение емкости С и полуширину доверительного интервала C. Результат запишите в виде

 при р=0,95.

4.Кроме конденсатора С цепь содержит резистор R, поэтому найдите полное сопротивление цепи Z для всех измерений по формуле

,

где .

Сравните между собой Z2, Z. Что дают результаты сравнения?

5.Из формулы (24) найдите сопротивление резистора R.

Упражнение 3

Проверка закона Ома для RCL-цепи

Из мерения. 1.Соберите электрическую цепь по схеме (рис.11), используя при этом ту же катушку и тот же конденсатор, что и в упр. 1 и 2.

2.После проверки лаборантом или преподавателем правильности сборки включите установку и вольтметр в сеть.

3.Измерьте напряжение на указанном участке цепи при 5-6 значениях тока. Результаты запишите в табл.3.

4.Измерьте входное напряжение U.

Обработка результатов. 1.Найдите полное сопротивление Z3 участка цепи, cодержащего L и C, для каждого измерения по формуле

.

Назовем его измеренным сопротивлением нагрузки L, C.

2.Найдите среднее значение (измеренное) и Z3 по Стьюденту.

3.Используя значения , найденные ранее в упр. 1, 2, вычислите сопротивление данного участка цепи по формуле

.

Будем называть найденное значение сопротивления вычисленным.

4.Сравните между собой измеренное и вычисленное значения сопротивления. Их совпадение с точностью до погрешностей измерения свидетельствует о Ваших правильных и безошибочных действиях

измеренное 

вычисленное .

5.Постройте графики зависимости тока от действующего напряжения на катушке, конденсаторе и на участке цепи L-C, т.е. по результатам всех упражнений, в одних осях координат. Продлите линии графиков до пересечения с осями. Какой вид имеют графики? Сходятся ли графики в начало координат? Какой вывод из этого результата следует – см. формулу (17)?

6.На примере собственного опыта Вы видите, что между током и напряжением во всех рассмотренных случаях существует линейная связь. Следовательно, закон Ома (8), (13), (17) для цепей переменного тока, содержащих элементы R,C,L, выполняется. За это качество указанные элементы и составленные из них цепи называются линейными.

В ходе выполнения других лабораторных работ Вам встретятся и такие случаи, в которых закон Ома не имеет места, например, 1)в электрическую цепь входит катушка с ферромагнитным сердечником, 2)цепь содержит вакуумный или полупроводниковый диод.

Контрольные вопросы:

1. Являются ли токи квазистационарными в условиях данной лабораторной работы?

2.Что такое активное сопротивление в цепи переменного тока? Какие элементы цепи обладают активным сопротивлением? Будут ли они его иметь в цепи постоянного тока?

3.Что такое индуктивное сопротивление? От чего оно зависит? По какой формуле оно вычисляется в работе? Что такое индуктивность, от чего она зависит? Обладает ли цепь индуктивностью, если в ней нет катушки?

4.Докажите, что напряжение на индуктивности опережает ток по фазе. Изобразите векторную диаграмму для данного случая.

5.Докажите, что колебания напряжения на емкости отстают по фазе от тока. Нарисуйте векторную диаграмму в этом случае.

6.Что такое емкостное сопротивление? От чего оно зависит? Как находится в данной работе? Что такое емкость, от чего она зависит? Обладает ли электрическая цепь емкостью при отсутствии в ней конденсатора?

7.Сформулируйте закон Ома для цепей переменного тока. Как производится проверка выполнения этого закона и каков ее результат?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Тема: Изучение явления резонанса в электомагнитном колебательном контуре

Количество часов: 1

Цель: изучение установившихся вынужденных колебаний в цепях переменного тока. Исследование явления резонанса.

 

Ход работы

Изучить теоретическое обоснование.

Выполнить задания работы.

Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

Оформить отчет по практической работе.

Теоретическое обоснование

Рассмотрим электрическую схему ,в которой последовательно соединенные конденсатор, резистор и катушка индуктивности подключены к генератору переменного напряжения.

В этой цепи возникают вынужденные колебания силы тока и напряжения на отдельных её элементах. Амплитуда колебаний силы тока в цепи будет зависеть от частоты  приложенного постоянного напряжения генератора, так как сопротивления реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности зависят от частоты.

При низкой частоте  переменного тока емкостное сопротивление конденсатора будет очень большим, поэтому сила тока в цепи будет мала. В обратном предельном случае большой частоты  переменного тока большим будет индуктивное сопротивление катушки , и сила тока в цепи опять будет мала.

Полное сопротивление Z цепи, изображенной на рис.1., определяется формулой:

.

Ясно, что максимальная сила тока в цепи будет соответствовать такой частоте 0 приложенного переменного напряжения, при которой индуктивное и ёмкостное сопротивления будут одинаковы:

(1)

При равенстве реактивных сопротивлений катушки и конденсатора, амплитуды напряжений на этих элементах также будут одинаковыми UC = UL. Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому их сумма при выполнении условия (1) будет равна нулю. В результате напряжение UR на активном сопротивлении R будет равно полному напряжению генератора U, а сила тока в цепи достигает максимального значения . Циклическая частота  колебаний силы тока и Э.Д.С. при этом равна

(2)

и совпадает с циклической частотой свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре.

Рис.2.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре при приближении циклической частоты  внешней переменной Э.Д.С. к частоте 0 свободных незатухающих колебаний в контуре называется резонансом в электрической цепи переменного тока. Частота  = 0 называется резонансной циклической частотой. Резонансная циклическая частота не зависит от активного сопротивления R. График зависимости Im от  называется резонансной кривой. Резонансные кривые имеют тем более острый максимум, чем меньше активное сопротивление R:

2. Порядок выполнения работы.

2.1. Соберите на монтажном столе схему, показанную на рис. 1., предварительно выбрав значения параметров элементов следующими:

Генератор: Uэф = 100 В;  = 10 Гц;

Резистор: R = 200 Ом; Р = 500 Вт;

Конденсатор: С = 10 мкФ; Uраб = 400 В;

Катушка: L = 1 Гн.

2.2. Изменяя частоту генератора от 10 Гц до 100 Гц через 10 Гц, с помощью вольтметров измерьте напряжения на катушке, конденсаторе, резисторе и занесите измеренные значения в таблицу. В наборе конструктора имеется лишь два мультиметра, поэтому придется , изменяя частоту генератора, провести измерения дважды – сначала подключив вольтметры к катушке и конденсатору, а второй раз – подключив вольтметр к резистору.

2.3. Постройте графики зависимости напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке в зависимости от частоты генератора.

2.4. Рассчитайте по формуле (2) частоту резонанса и сравните полученное значение с экспериментальным.

2.5. Измените параметры элементов и повторите измерения и расчеты.

2.6. Попытайтесь объяснить экспериментальные графики зависимости напряжений на элементах от частоты переменного тока в цепи.

Контрольные вопросы.

3.1. Как зависят реактивные сопротивления конденсатора и катушки индуктивности от частоты переменного тока?

3.2. Почему сила тока в последовательной цепи с конденсатором, катушкой и резистором имеет максимум при определенной частоте и стремится к нулю при очень малой и очень большой частоте.

3.3. Почему при резонансе напряжение на резисторе равно напряжению источника переменного тока?

3.4. При каком условии наступает резонанс в последовательной цепи переменного тока?

3.5. Как используется явление резонанса в быту, технике, науке?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Тема: Измерение показателя преломления стекла

Количество часов: 1

Цель: измерение показателя преломления стеклянной пластины, имеющей форму трапеции.

Оборудование: источник электропитания, лампа, ключ, соединительные провода, экран со щелью, плоскопараллельная стеклянная пластина в форме трапеции, лист бумаги, линейка и карандаш.

Теоретическое обоснование

Перед выполнением лабораторной работы необходимо произвести небольшую подготовку.

Так как будет определяться показатель преломления стекла относительно воздуха, то закон преломления света будет иметь вид:

где a — это угол падения пучка света на грань пластинки, b — угол преломления светового пучка в стеклянной пластине.

Для того, чтобы определить отношение синусов, поступают следующим образом. В самом начале, пластину необходимо разместить на листе бумаги и с помощью карандаша обвести ее малую и большую грани. Затем, не смещая пластины, на ее малую грань необходимо направить узкий световой пучок под любым углом к грани. После этого, вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее световых пучков, карандашом проставляются 4 точки.

Сняв пластину с листа бумаги, с помощью линейки прочерчивают входящий, преломленный и выходящий лучи. Затем, через точку раздела двух сред — воздух-стекло — опускается перпендикуляр к границе раздела и отмечаются углы падения и преломления. После этого, с помощью циркуля, рисуется окружность произвольного радиуса с центром в точке раздела двух сред воздух-стекло, и строятся два прямоугольных треугольника, например, ABE и CBD.

Тогда, исходя из определения синуса угла, можно записать, что

Длины отрезков АЕ и DC, стоящих в формуле, измеряют при помощи линейки с миллиметровыми делениями. Их значения подставляются в расчетную формулу и высчитывают показатель преломления стекла.

Если в кабинете не хватает оборудования, то можно воспользоваться булавками. Для этого нужно на стол положить кусок поролона, для того чтобы было удобнее воткнуть булавки, и накрыть его белым листом бумаги. Сверху, на него, положить плоскопараллельную стеклянную пластину и, как и в предыдущем случае, обвести карандашом ее малую и большую грани. Затем возле малой грани воткнем первую булавку, вторую булавку воткнем под некоторым углом к первой, но так, чтобы у нас был ярко выраженный угол падения. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга. Снимаем оборудование и с помощью линейки достраиваем падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к точке падения луча на пластину. Далее все делается точно так же, как и в выше описанном нами способе.

А теперь приступим непосредственно к работе.

Для удобства записей результатов измерений и вычислений составим следующую таблицу.

Практические задания

1. Установите источник света на столе. В окно прибора вставьте рамку со щелью так, чтобы щель располагалась вертикально.

2. Соберите электрическую цепь, присоединив лампочку к источнику постоянного тока через выключатель. Замкните цепь и получите яркую, тонкую полосу света на бумаге — световой луч.

3. Наблюдайте явление преломления света при различных углах паления, а затем зафиксируйте ход лучей.

4. Выполните построения в соответствии с рисунком и измерьте длины отрезков АЕ и DC Результаты измерений занесите в таблицу.

5. По формуле рассчитайте значение показателя преломления стекла и занесите его в таблицу.

6. Проделайте данный эксперимент еще не менее двух раз, меняя угол падения луча на пластинку, не забывая заносить все полученные данные в таблицу.

7. После проделанной работы рассчитайте абсолютные погрешности измерения отрезков.

8. Далее вычислите относительную и абсолютную погрешности измерения показателя преломления стекла.

9. Сравните результаты, полученные по формулам, и сделайте вывод о зависимости или независимости показателя преломления от угла падения светового луча.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит показатель преломления вещества?

2. В чем заключается явление полного отражения света на границе раздела двух сред?

3. Запишите формулу для вычисления скорости света в веществе с показателем преломления n.

Дополнительное задание:

Попробуйте, используя стеклянную пластинку, наблюдать явление полного отражения. Запишите, как вы осуществляли этот эксперимент.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Тема: «Исследование движения тела под действием постоянной силы»

Количество часов: 1

Цель: убедиться в равноускоренном характере движения тела по наклонной плоскости и определить его ускорение и мгновенную скорость.

Оборудование: штатив, направляющая рейка, брусок, секундомер, измерительная лента

Ход работы

Установить направляющую рейку при помощи штатива под углом 300

( h=22 см).

Брусок устанавливаем на направляющую рейку

Отпустить брусок и измеряем перемещение бруска за определенные промежутки времени . Результаты измерений записать в таблицу

 

 

2.Производим вычисления:

3.Проверяем закономерность:

4.Сравниваем полученную закономерность с теоретической , делаем вывод о характере движения

5. Определить ускорения движения бруска по формуле

Результаты заносим в таблицу.

6.Находим среднее значение ускорения аср.=

7.Определить мгновенную скорость бруска в разные моменты времени по формуле

Расчеты провести для любых трех значений времени и соответствующих ему ускорений

8.Построить график зависимости мгновенной скорости от времени.

9.По графику сделать вывод о характере движения

10. Построить график зависимости координаты х бруска от времени.

11.По графику сделать вывод о характере движения

Контрольные вопросы

1. Что такое ускорение и для чего его нужно знать?

2. Что такое равноускоренное движение?

3. Чем отличается график скорости равномерного прямолинейного

движения от графика скорости равноускоренного движения?

4. При аварийном торможении автомобиль, движущийся со скоростью 72 км/ч, остановился через 5 с. Найти тормозной путь. Почему нельзя переходить дорогу перед близко идущим транспортом?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Тема: Изучение закона сохранения импульса

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

Оборудование: 1. Два металлических шарика разной массы.

                        2. Рама для подвеса шариков.

                        3. Измерительная линейка.

 

Ход работы

1.Изучить теоретическое обоснование.

2.Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

3.Оформить отчет по лабораторной работе.

Теоретическое обоснование

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:

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

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 шарв 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 , отсюда .

   Высоту подъёма шара можно определить по его максимальному отклонению s от положения равновесия (рис.3,а).

рис. 3

Треугольник АВС прямоугольный (опирается на диаметр). Катет АВявляется средней пропорциональной величиной между гипотенузой АС=2l и своей проекцией на гипотенузу АD  (рис.3,б):  АВ2=АС·AD то есть , откуда . Следовательно, величины скоростей можно выразить так: 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:

   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 S2можно заменить соответствующими величинами, отсчитанными по горизонтальной шкале.

Практические задания

1. Перенесите рисунок 2 в отчет по работе.

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

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

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

5. Отклоните шар большей массы на 3 см от положения расновесия (S0) и затем отпустите его. Заметьте максимальное отклонение шара большей массы после удара (S1). Повторите опыт 5 раз и найдите среднее значение отклонения S1ср. Запишите его в таблицу (S1).

6. Повторите опыт, но теперь заметьте после удара максимальное отклонение шара с меньшей массой (S2). Повторите опыт 5 раз, и найдите среднее значение отклонения S2ср. Запишите его в таблицу (S2).

7. Повторите опыт, отклоняя шар большей массы на 4 см и 5 см. Результаты измерений запишите в таблицу.

8. 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.

9. Сравните импульс шара до удара с суммой импульсов шаров после удара. Запишите вывод по полученным результатам работы.

10. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Что называется импульсом материальной точки? По какой формуле он находится? В каких единицах он измеряется?

2. Импульс – величина векторная или скалярная?

3. Запишите формулу и формулировку закона сохранения импульса.

4. При каких условиях выполняется закон сохранения импульса?

5. Какое соударение называется абсолютно упругим?

6. Для каких видов соударений выполняется закон сохранения импульса?

Лабораторная работа № 10

   Тема: "Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости"

   Цель: сравнить две величины—уменьшение потенциальной энергии прикрепленного к пружине тела при его падении и увеличение потенциальной энергии растянутой пружины.

   Приборы и материалы: 1) динамометр, жесткость пружины которого равна 40 Н/м; 2) линейка измерительная; 3) груз из набора по механике; масса груза равна (0,100 ±0,002) кг; 4) фиксатор; 5) штатив с муфтой и лапкой.

Ход работы

1.Изучить теоретическое обоснование.

2. Оформить отчет по лабораторной работе.

3.Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

Теоретическое обоснование:

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:

   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:

   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 землёй).

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

, 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 5 Х 7 X 1,5 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

Практические задания:

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

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

3. Отпустите груз. Падая, груз растянет пружину. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное удлинение хпружины.

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

5. Подсчитайте Е1ср=mgh  и  Е2ср=kx2/2  

6. Результаты занесите в таблицу:

 7. Сравните отношение Е1ср/ Е2ср с единицей и сделайте вывод о погрешности, с которой был проверен закон сохранения энергии.

8. 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.Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

5.Каковы границы применения закона сохранения механической энергии?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

Тема: «Изучение закона Ома для полной цепи».

Количество часов : 1

Цель: Измерить  ЭДС  и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование: Источник питания (выпрямитель). Реостат (30 Ом, 2 А). Амперметр. Вольтметр. Ключ. Соединительные  провода.

Ход работы

Изучить теоретическое обоснование.

Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

Оформить отчет по практической работе.

Теоретическое обоснование

Экспериментальная установка показана на фото 1.

К источнику тока 1  подключаем реостат 2, амперметр 3, ключ 4.

Непосредственно  к источнику  тока подключаем вольтметр  5.

Электрическая  схема данной цепи  приведена на  рисунке 1.

Согласно закону Ома,  сила  тока в замкнутой  цепи  с одним источником тока  определяется  выражением

У  нас  IR=U – падение  напряжения на внешнем участке цепи, которое  измеряется  вольтметром  при включённой цепи.

Формулу  (1) запишем так

Тогда

Можно  найти ЭДС  и внутреннее сопротивление  источника  тока  используя  значения тока  и напряжения  двух опытов ( например 2 и 5).

Запишем формулу  (2)  для двух опытов.

Из уравнения (4) находим 

И для любого опыта  по формуле  (2)  находим  Э. Д.С.

Если вместо реостата взять резистор  сопротивлением  порядка 4 Ом, то внутреннее сопротивление  источника  можно найти  используя  формулу (1)

Практические задания:

Собрать электрическую цепь. Измерить  вольтметром  ЭДС  источника  тока  при  разомкнутом  ключе  К. Замкните  ключ К.  Устанавливая  с помощью  реостата  силу тока  в цепи: 0,3; 0,6; 0,9; 1,2; 1,5; 1,8 А. Запишите  показания вольтметра  для каждого  значения  силы тока. Рассчитайте внутреннее  сопротивление  источника тока  по формуле (3).

Найдите  среднее значение  rср. 
Значения ε, I, U, r, rср. запишите  в таблицу.

Класс точности школьных приборов  4%, (т. е.  к=0,04.) Таким образом абсолютная погрешность  при измерении напряжения  и  ЭДС  равна .
погрешность при измерении  силы тока 

Запишите окончательный результат  измерения  ε 
Найдите относительную погрешность  измерения  внутреннего  сопротивления  источника тока,

Найдите абсолютную  погрешность  измерения  внутреннего  сопротивления 
Запишите окончательный  результат  измерения  r

  rср ±Δr=….. 

Найдите внутреннее  сопротивления источника  по формуле (5) Заменив в цепи реостат на резистор, и  используя формулу  (6),  найдите  внутреннее  сопротивление  источника тока.

Контрольные вопросы:

1. Сформулировать закон Ома для полной цепи.

2. Что такое ЭДС?

3. От чего зависит КПД цепи?

4. Как определить ток короткого замыкания?

5. В каком случае КПЛ цепи имеет максимальное значение?

6. В каком случае мощность на внешней нагрузке максимальна?

7.  В проводнике сопротивлением 2 Ом, подключенном к элементу с ЭДС 2,2 B, идет ток силой 1 A. Найдите ток короткого замыкания элемента.

8. Внутреннее сопротивление источника 2 Ом. Сила тока в цепи 0,5 А.  Напряжение на внешнем участке цепи 50 В. Определите ток короткого  замыкания.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

Тема: «Изучение явления электромагнитной индукции».

Количество часов: 1

Цель: наблюдать явление электромагнитной индукции, проверить выполнение правила Ленца.

Оборудование: гальванометр, катушка, соединительные провода, магнит.

Ход работы:

Оформить отчет по практической работе.

Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

Практические задания

1. Подсоединить катушку к гальванометру.

2. Передвигать магнит через полость катушки, как показано на рисунках а)-г); отметить в каждом случае отклонение стрелки гальванометра (направление тока).

 

3. Для одного из четырех случаев (полюса магнита и направление его движения задает преподаватель) определить направление тока в катушке по правилу Ленца, используя п. 1 – 3. Для катушки указать: полюса N и S , направление вектора В, направление тока I.

 

4. Вывод.

Контрольные вопросы:

1. Что характеризует магнитная индукция В? Как вычисляется магнитная индукция? Какие величины входят в эту формулу?

 

2. Объясните по рисунку, как возникает ЭДС индукции в проводнике, который движется в магнитном поле?

Как рассчитать ЭДС индукции для этого случая? Какие величины входят в формулу?

 

3. При каком условии появляется вихревое электрическое поле? Каковы свойства вихревого электрического поля (объяснит его, опираясь на рисунок).

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

Тема: «Изучение зависимости периода колебаний нитяного (или пружинного) маятника от длины нити (или массы груза)».

Количество часов: 1

Цель: экспериментально проверить формулы, связывающей период колебаний маятника с длиной его подвеса.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой; метровая линейка (погрешность 5 мм);  

Ход работы

1.Изучить теоретическое обоснование.

2.выполнить практическое задание.

3.Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

4.Оформить отчет по практической работе.

Теоретическое обоснование:

Нитяным маятником называют тело на невесомой нерастяжимой нити, совершающее колебания.

Период колебаний маятника выражается формулой: Т = 2π √ l / g

период математического маятника зависит только от ускорения свободного падения и от длины маятника , т. е. расстояния от точки подвеса до центра тяжести груза. Из полученной формулы следует, что период маятника не зависит от его массы и от амплитуды (при условии, что она достаточно мала). Другими словами, мы получили путем расчета те основные законы, которые были установлены ранее из наблюдений.

 

Практические задания:

Рассчитать период математического маятника по формуле Т = 2π при длинах 50 см., 80см., 120см. и записать таблицу.

Отклонить маятник, от положения равновесия на 5-8 см и отпустить его, измерить время 10 полных колебаний и рассчитать период Т= t\n

Повторить опыт при других длинах маятника, результаты занести в таблицу.

 

Контрольные вопросы

Какой маятник называется математическим?

От чего зависит период колебаний математического маятника?

Что такое колебания? Какие колебания называются гармоническими?

Дать определение и раскрыть физический смысл следующих понятий: амплитуда, период, частота, фаза.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

Тема: Изучение изображения предметов в тонкой линзе

Количество часов1

Цель: получить изображения с помощью собирающей линзы, измерить фокусное расстояние и оптическую силу линзы. Сделать вывод об условии получения различных видов изображений.

Оборудование: собирающая линза, лампа на подставке, экран, источник напряжения, соединительные провода, линейка.

Ход работы

лампа d f экран

 

Соберите электрическую цепь, подключив лампочку к источнику напряжения.

Поместите экран на отметку «0» линейки.

Поместите линзу между лампой и экраном на линейке.

Перемещая линзу, получите на экране чёткое уменьшенное изображение нити накаливания лампы.

Измерьте расстояния от лампы до линзы d и от линзы до экрана f. Результаты занесите в таблицу.

Повторите опыт с получением чёткого увеличенного изображения. Результаты занесите в таблицу.

Рассчитайте оптическую силу линзы по формуле: . Полученное значение округлите до 2-х значащих цифр. Результат занесите в таблицу.

Рассчитайте фокусное расстояние линзы: . Результат занесите в таблицу:

 

 

Сравните расстояние от лампы до линзы с двойным фокусным расстоянием.

Сделайте вывод.

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ/ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

Тема: Изучение интерференции и дифракции света.

Количество часов: 1

Цель: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.

Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала, две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., компакт-диск, капроновая ткань, светофильтр.

 

Ход работы

Изучить теоретическое обоснование.

Оформить отчет по практической работе.

Ответить на контрольные вопросы

Теоретическое обоснование:

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.

   Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.

   Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

   Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.  

Условие максимума

, (Δd=d2-d1 )

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(разность хода волн равна четному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.

φА=φБ - фазы колебаний

Δφ=0 - разность фаз

А=2Хmax – амплитуда результирующей волны.

Условие минимума

, (Δd=d2-d1)

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.

φА≠φБ - фазы колебаний

Δφ=π - 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.

   Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).

   Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

   Условие проявления дифракции: d < λ, где d – размер препятствия, λ - 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.

   Условие наблюдения дифракционного максимума:

d·sinφ=k·λ, где k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d - период решетки, φ - угол, под которым наблюдается максимуи, а λ - длина волны.

   Из условия максимума следует sinφ=(k·λ)/d .

   Пусть k=1, тогда sinφкр=λкр/d и sinφф=λф/d.

   Известно, что λкр>λф , следовательно sinφкр>sinφф. Т.к. y= sinφф - функция возрастающая, то φкр>φф

   Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.

   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 её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Ход работы:

Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.

Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки

   Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки. 

Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

 

   Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос от длины волн падающего цвета.

 

   Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

  Если вос­поль­зо­вать­ся све­то­филь­тра­ми и осве­щать мо­но­хро­ма­ти­че­ским све­том, то кар­ти­на ин­тер­фе­рен­ции ме­ня­ет­ся (ме­ня­ет­ся че­ре­до­ва­ние тем­ных и свет­лых полос)

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

   Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.

Ответьте на вопросы:

Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?

Какую форму имеют радужные полосы?

Почему окраска пузыря все время меняется?

Опыт 3  . Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.

   Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl

Ответьте на вопросы:

Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?

Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?

   Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).

  Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.

   Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

   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.

   Объяснение: В центре креста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета. Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.

   Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест. Объясните наблюдаемые явления.

Опыт 6. 

Ди­фрак­ция на малом от­вер­стии

Чтобы про­на­блю­дать такую ди­фрак­цию, нам по­тре­бу­ет­ся плот­ный лист бу­ма­ги и бу­лав­ка. С по­мо­щью бу­лав­ки де­ла­ем в листе ма­лень­кое от­вер­стие. Затем под­но­сим от­вер­стие вплот­ную к глазу и на­блю­да­ем яркий ис­точ­ник света. В этом слу­чае видна ди­фрак­ция света

   Запишите вывод. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких дифракции. Приведите примеры интерференции и дифракции, с которыми вы встречались.

Контрольные вопросы:

Что такое свет?

Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?

Какова скорость света в вакууме?

Кто открыл интерференцию света?

Чем объясняется радужная окраска тонких интерференционных пленок?

Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?

Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски?

Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?

Почему видимая радужная окраска мыльной пленки все время меняется?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16

Тема: Изучение одного из изопроцессов (Экспериментальное подтверждение уравнения Менделеева - Клапейрона).

Количество часов: 1

Цель: на опыте проверить изотермический, изохорический и изобарного процессов в газах.

Оборудование: пластиковый сосуд, Медицинский манометр, шприц, зажимы, тройник, трубка ПВХ, термометр, барометр, стакан.

 

Ход работы

Изучить теоретическое обоснование.

Выполнить задания работы

Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

Оформить отчет по практической работе.

Теоретическое обоснование

Давление (p), объем (V) и температура (T) являются основными параметрами состояния газа. Всякое изменение состояния газа называется термодинамическим процессом. Термодинамические процессы, протекающие в газе постоянной массы при неизменном значении одного из параметров состояния газа, называются изопроцессами. Изопроцессы являются идеализированной моделью реального процесса в газе.

Изотермический процесс (T = const)

Изотермическим процессом называются изменения состояния газа, протекающие при постоянной температуре. Изотермический процесс в идеальном газе подчиняется закону Бойля-Мариотта: Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется. 

Формулу закона можно записать иначе где - параметры газа в разные моменты времени

Изобарный процесс (p =const)

Из обарным процессом называются изменения состояния газа, протекающие при постоянном давлении. Изобарный процесс в идеальном газе подчиняется закону Гей-Люссака:

 

 

Для газа данной массы отношение объема газа к его температуре постоянно, если давление газа не меняется. Формулу закона можно записать иначе где - параметры газа в разные моменты времени.

 

Изохорный процесс (V = const)

Изохорным процессом называются изменения состояния газа, протекающие при постоянном объеме. Изохорный процесс в идеальном газе подчиняется закону Шарля:

Для газа данной массы отношение давления газа к его температуре постоянно, если объем газа не меняется. Формулу закона можно записать иначе где - параметры газа в разные моменты времени

Схема установки

Ход работы:

1.Изучение изотермического процесса

Открыть зажимы 1,2 и вывести поршень шприца в положение полного объема(10 мл). В этом случае воздух в сосуде сообщается с атмосферой, его температура и давление равны атмосферному.

Зафиксировать по барометру анероиду в кабинете атмосферное давление, а по показаниям термометра температуру воздуха.

Закрыть зажим 2 и, постепенно вводя поршень, зафиксировать показания приборов, занося их в таблицу

После определения объема воздуха и его давления в каждом опыте рассчитайте их произведения.

Сравните результаты расчетов и сделайте вывод о выполнении закона Бойля-Мариотта

2.Изучение изобарного процесса

Открыть зажимы 1,2 установить поршень на делении 2мл, и закрыть зажим 2. Плавным перемещением поршня установить на манометре давление , например 30 мм.рт.ст.

Измерьте температуру окружающей среды и объем воздуха в замкнутой системе, заполните таблицу:

Поместите в стакан с горячей водой сосуд и термометр, снять показание термометра когда воздух в сосуде достаточно прогреется. Следить за показанием манометра, что бы показания оставались постоянными (регулируя штоком шприца).

По данным таблицы сделайте расчеты и убедитесь в справедливости закона Гей-Люссака.

3. Изучение изохорного процесса

Выжать воздух из шприца и пережать трубку зажимом 1. Убедится в нулевых показаниях монометра, пережать трубку зажимом 2.

Измерить температуру окружающей среды, а барометром атмосферное давление.

Поместить в стакан с горячей водой сосуд и термометр. Снять показания термометра и манометра после прогрева воздуха в сосуде, занести результаты в таблицу.

По данным таблицы и расчетам, проделанным по формуле, убедитесь в справедливости закона Шарля

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17

Тема: «Определение модуля упругости резины»

Количество часов: 1

Цель: научиться экспериментально определять модуль упругости (модуль Юнга) резины.

Оборудование: штатив, набор грузов, резиновый шнур, линейка, динамометр.

Ход работы:

Допуск к выполнению лабораторной работы

Выполните тест:

1. Деформация – изменение…

А.формы и положения в пространстве; Б.формы и размеров тела;

В.Объема и положения в пространстве; Г.нет верного ответа.

2. Деформация, при которой происходит смещение слоев тела относительно друг друга, называется деформацией….

А.сдвига; Б.растяжения; В.изгиба; Г.нет верного ответа.

3. Деформация, которая полностью исчезает после прекращения действия внешних сил, называется….

А.упругой; Б.неупругой; В.пластичной; Г.нет верного ответа.

4. Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла, называется…

А.анизотропией;Б.энтропией; В.изотропией;Г.нет верного ответа.

1. 

 На рисунке представлена диаграмма растяжения материала. Укажите область текучести.

Теоретическая часть:

Выведем формулу для вычисления модуля Юнга: закон Гука σ=Е·|ε|, где Е – модуль Юнга. Отсюда  (1). Зная, что  (2) и  (3) и подставив формулы (2) и (3) в формулу (1) получим:  (4), где: Е – модуль Юнга, Па; F – вес груза, Н;

х0 – длина между метками на недеформированном шнуре, м;

S – площадь поперечного сечения шнура в растянутом состоянии, м2;

Δх – абсолютное удлинение шнура, м.

Вычисления и измерения

 

1.Закрепите резиновый шнур в штативе и нанесите на шнуре две метки А и В. Не растягивая шнур, измерьте расстояние между метками.

2. Подвесьте груз к нижнему концу резинового шнура, предварительно определив его вес. Измерьте расстояние между метками на шнуре и размеры сечения шнура в растянутом состоянии.

3. Выполните те же измерения, подвесив два и три груза.

4. Вычислите модуль Юнга по формуле (4) для каждого опыта.

5. Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу 1

 

Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений

 

Е1 = =___________Па,

Е2 = =___________Па,

Е3 = =___________Па,

Еср = =___________Па.

 

5. Проанализируйте полученный результат Еср, сравнив его с табличным значением модуля Юнга резины Етабл.=7МПа. Обобщите результаты своей работы. Сделайте вывод по проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое деформация? Какие виды деформации вам известны?

2. Зависит ли модуль упругости от сечения резинового шнура и его длины?

3. Какая величина измеряется в этой работе с наименьшей погрешностью?

4. Как влияет изменение температуры резинового шнура на величину модуля упругости?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18

Тема: «Измерение работы и мощности тока»

Количество часов: 1

Цель: научиться определять мощность и работу тока в лампе, используя амперметр, вольтметр, часы

 

Ход работы
Соберите цепь из источника тока, лампы, амперметра и ключа, соединив всё последовательно.
Измерьте вольтметром напряжение на лампе.
Начертите в тетради схему собранной цепи и запишите показания приборов.

U = ______________I = _______________
Вычислите мощность тока в лампе. P = 
Замерьте время включения и выключения лампы. По времени её горения и мощности определите работу тока в лампе. A = ____________________________________________
Проверьте, совпадает ли полученное значение мощности с мощностью, обозначенной на лампе. Если значения не совпадают, объясните причину этого.
ВЫВОД
Контрольные вопросы:
Два проводника одинакового сопротивления соединены сначала последовательно, а потом параллельно и в обоих случаях включены под напряжение 4 В. В каком случае работа тока за 1с будет больше и во сколько раз? 
В цепь напряжением 120 В включена электрическая лампа, сила тока в которой 0,5 А. Найдите мощность тока в лампе. 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

Тема: «Определение удельного сопротивлений проводника»

Количество часов 1

Цель научиться опытным и расчетным путем определять удельное сопротивление проводника.

Оборудование 1. Источник тока. 2. Амперметр. 3. Вольтметр. 4. Реостат. 5. Ключ. 6. Соединительные провода. 7. Линейка. 8. Штангенциркуль.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Задание 1. Выберите правильную формулу для расчета удельного сопротивления:

а) = б) = в)=

Задание 2. Соотнесите физическую величину и единицу измерения в системе СИ (для каждой физической величины только одна единица измерения) ответ занесите в рабочую тетрадь:

 

Задание 3. Из предложенных вариантов выберите те, от которых зависит сопротивление проводника:

Длина проводника;

Температура;

Площадь поперечного сопротивления;

Напряжение;

Вещество, из которого изготовлен проводник.

 

Задание 4. Вставьте пропущенные слова в определение:

Удельное электрическое сопротивление – физическая , характеризующая  вещества препятствовать  электрического тока.

 

Задание 5. Вспомните основные правила техники безопасности и обратите особое внимание, что необходимо:

1. Приступать к выполнению задания можно только после разрешения преподавателя.

2. Собранная электрическая цепь должна быть проверена преподавателем и замыкается по его разрешению.

3. После окончания работы следует привести в порядок рабочее место, сдать все приборы и принадлежности.

 

Задание 6. Опытным и расчетным путем определите удельное сопротивление проводника.

 

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА

ШАГ 1. Составить электрическую цепь согласно схеме.

ШАГ 2. Поставить ползунок реостата примерно в среднее положение.

Замкнуть электрическую цепь, снять показания амперметра и вольтметра.

I=

u =

ШАГ 3. Рассчитать сопротивление проводника по формуле:

=

ШАГ 4. Штангенциркулем измерить диаметр реостата.

D =

ШАГ 5. Подсчитать число витков проволоки, введенных в электрическую цепь.

n=

ШАГ 6. Определить длину провода, по которому течет ток по формуле:

ℓ=π·D·n =

π=3,14

ШАГ 7. Измерить линейкой длину части реостата, введенной в электрическую цепь.

ШАГ 8. Найти диаметр проволоки по формуле:

=

ШАГ 9. Определить площадь поперечного сечения проволоки по формуле:

ШАГ 10. Рассчитать удельное сопротивление проводника по формуле:

=

ШАГ 11. Ползунок реостата передвинуть в другое положение.

Опыт повторить, начиная с шага № 2.

I =

u =

D =

n=

ℓ = π·D·n;

=

ШАГ 12. Рассчитать удельное сопротивление по формуле: = =

ШАГ 13. По результатам двух опытов найдите среднее значение удельного сопротивления проводника. =

ШАГ 14. Найти абсолютную погрешность по формулам:

=

ШАГ 15. Рассчитать относительную погрешность по формуле:

Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

 

 

ШАГ 16. Сделайте вывод. Удалось ли вам определить удельное сопротивление проводника. Объясните почему.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20

Тема: «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»

Количество часов :1

Цель: сформировать умение определения ЭДС и внут­реннего сопротивления источника тока с помощью амперметра и вольтметра.

Оборудование: выпрямитель ВУ-4М, амперметр, вольтметр, соединительные провода, элементы планшета №1: ключ, ре­зистор R1.

 

Ход работы

Изучить теоретическое обоснование.

Решить задания работы по варианту указанному преподавателем.

Ответить на контрольные вопросы письменно или устно по указанию преподавателя.

Оформить отчет по практической работе.

Теоретическое обоснование

Внутреннее сопротивление ис­точника тока.

При прохождении тока по замкнутой цепи, электрически заряженные ча­стицы перемещаются не только внутри проводников, соединяющих полюса источника тока, но и внутри самого источ­ника тока. Поэтому в замкнутой электрической цепи раз­личают внешний и внутренний участки цепи. Внешний уча­сток цепи составляет вся та совокупность проводников, которая подсоединяется к полюсам источника тока. Вну­тренний участок цепи — это сам источник тока. Источник тока, как и любой другой проводник, обладает сопротивле­нием. Таким образом, в электрической цепи, состоящей из источника то­ка и проводников с электриче­ским сопротивлением R, элек­трический ток совершает работу не только на внешнем, но и на внутреннем участке цепи. Напри­мер, при подключении лампы накаливания к гальванической батарее карманного фонаря элек­трическим током нагреваются не только спираль лампы и под­водящие провода, но и сама ба­тарея. Электрическое сопротивле­ние источника тока называется внутренним сопротивлением. В электромагнитном генераторе внутренним сопротивлением яв­ляется электрическое сопротивле­ние провода обмотки генератора. На внутреннем участке электри­ческой цепи выделяется коли­чество теплоты, равное

(1)

где r — внутреннее сопротивле­ние источника тока.

Полное количество теплоты, выделяющееся при протекании постоянного тока в замкнутой цепи, внешний и внутренний участки которой имеют сопротивления, соответственно равные R и r , равно

. (2)

Всякую замкнутую цепь можно представить как два последовательно соединенных резистора с эквивалентными сопротивлениями R и r. Поэтому сопротивление полной це­пи равно сумме внешнего и внутреннего сопротивлений:  . Поскольку при последовательном соединении сила тока на всех участках цепи одинакова, то через внеш­ний и внутренний участок цепи проходит одинаковый по величине ток. Тогда по закону Ома для участка цепи паде­ние напряжений на ее внешнем и внутреннем участках бу­дут соответственно равны:

и   (3)

 

Электродвижущая сила.

Пол­ная работа сил электростати­ческого поля при движении за­рядов по замкнутой цепи по­стоянного тока равна нулю. Сле­довательно, вся работа электри­ческого тока в замкнутой элек­трической цепи оказывается со­вершенной за счет действия сто­ронних сил, вызывающих разде­ление зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока. Отношение работы , совершаемой сторонними силами по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей си­лой источника (ЭДС) :

, (4)

где   — переносимый заряд.

ЭДС вы­ражается в тех же единицах, что и напряжение или разность по­тенциалов, т. е. в вольтах:  .

 

Закон Ома для полной цепи.

 

Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического то­ка в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источни­ка тока, равна количеству тепло­ты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:

. (5)

Из выражений (2), (4) и (5) получаем:

. (6)

Так как  , то

, (7)

или

. (8)

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе  источ­ника тока и обратно пропор­циональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внут­реннего участков цепи. Выраже­ние (8) называется законом Ома для полной цепи.

Таким образом, с точки зрения физики Закон Ома выражает закон сохранения энергии для замкнутой цепи постоянного тока.

 

Ход работы.

В ходе работы вы освоите метод измерения основных характеристик источника тока, используя закон Ома для полной цепи, который связывает силу тока I в цепи, ЭДС источника тока , его внутреннее сопротивление r и сопротивление внешней цепи R соотношением:

. (9)

 

1 способ.

С хема экспериментальной установки показана на рисунке 1.

 

 

 

 

Внимательно изучите её. При разомкну­том ключе В источник замкнут на вольтметр, сопротивление которого много больше внутреннего сопротивления источника (r<<R). В этом случае ток в цепи настолько мал, что можно пренебречь значением падения на­пряжения на внутреннем сопротивлении источника , и ЭДС источника с пренеб­режимо малой погрешностью равна напря­жения на его зажимах , которое измеряется вольтметром, т.е.

. (10)

 

Таким образом, ЭДС источника определяется по показаниям вольтметра при разомкнутом ключе В.

Если ключ В замкнуть, вольтметр покажет падение напряжения на резисторе R:

. (11)

Тогда на основании равенств (9), (10) и (11) можно утверждать, что

(12)

Из формулы (12) вид­но, что для определения внутреннего сопротивления источника тока необходимо, кроме его ЭДС, знать силу тока в цепи и напря­жение на резисторе R при замкнутом ключе.

Силу тока в цепи можно измерить при помощи амперметра. Проволочный резистор изготовлен из нихромовой проволоки и имеет сопротивление 5 Ом.

Соберите цепь по схеме, показанной на рисунке 3.

После того, как цепь будет собрана, необходимо поднять руку, позвать учителя, чтобы он проверил правильность сборки электрической цепи. И если цепь собрана правильно, то приступайте к выполнению работы.

 

При разомкну­том ключе В снимите показания вольтметра и занесите значение напряжения в таблицу 1. Затем замкните ключ В и опять снимите показания вольтметра, но уже и показания амперметра. Занесите значение напряжения и силы тока в таблицу 1.

Вычислите внутреннее сопротивление источника тока.

 

 

2 способ.

Сначала соберите экспериментальную установку, изображенную на рисунке 2.

 

 

 

Рис. 2.

 

Измерьте силу тока в цепи при помощи амперметра, результат запишите в тетрадь. Сопротивление резистора =5 Ом. Все данные заносятся в таблицу 2.

Теперь соберите экспериментальную установку, изображенную на рисунке 3

 

 

Рис.3

 

Измерьте силу тока в цепи при помощи амперметра, результат запишите в тетрадь. Сопротивление резистора =20 Ом.

 

 

 

 

 

 

Применив закон Ома для полной цепи для каждого случая, получаем систему двух уравнений с двумя неизвестными:

Решая её относительно неизвестных и r, находим значения этих величин.

3. Вывод.

Сравните полученные результаты в первом и во втором случае. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

Внешний и внутренний участки цепи.

Какое сопротивление называются внутренним? Обозначение.

Чему равно полное сопротивление?

Дайте определение электродвижущей силы (ЭДС). Обозначение. Единицы измерения.

Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

Если бы мы не знали значения сопротивлений проволочных резисторов, то можно ли было бы использовать второй способ и что для этого надо сделать (может нужно, например, включить в цепь какой-нибудь прибор)?

Уметь собирать электрические цепи, используемые в работе.

 

 

Литература:

Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 2-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 448с.

Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. _ М.: Издательство «Дрофа», 2008 -398с. :ил.