Методические указания для лабораторных занятий ОУД. 10 Физика по профессии среднего профессионального образования 08.01.26 Мастер по ремонту и облуживанию инженерных систем
учебно-методический материал

Методические указания

для лабораторных и практических занятий

ОУД. 10 Физика по профессии среднего  профессионального образования

                              08.01.26 Мастер по ремонту и облуживанию инженерных систем

Перечень практических занятий

по дисциплине ОУД. 10 Физика

Практическое занятие № 1

Тема: Изучение особенностей силы трения

Цель: Определить коэффициент трения с помощью графика зависимости силы трения  от веса тела. Сделать вывод о соотношении коэффициента трения скольжения и коэффициента трения покоя.

Оборудование: брусок, динамометр, 3 груза весом по 1 Н, линейка.

Краткие теоретические сведения.

С помощью динамометра измеряют силу, с которой нужно тянуть брусок с грузом по горизонтальной поверхности так, чтобы он двигался равномерно. Эта сила равна по модулю силе трения Fтр, действующей на брусок. С помощью того же динамометра можно найти вес бруска с грузом. Этот вес по модулю равен силе нормального давления N бруска на поверхность , по которой он скользит. Определив, таким образом, значения силы трения при различных значениях силы нормального давления, необходимо построить график зависимости Fтр. от Р и найти среднее значение коэффициента трения.

Основным измерительным прибором в этой работе является динамо-метр. Динамометр имеет погрешность Δ = 0,05 Н. Она и равна погрешности измерения, если указатель совпадает со штрихом шкалы. Если указатель в процессе измерения не совпадает со штрихом шкалы ( или колеблется), то погрешность измерения силы равна ΔF = 0,1Н.

Ход работы.

1. С помощью динамометра измерьте вес бруска Р.
2. Расположите брусок горизонтально на линейке. С помощью динамометра измерьте максимальную силу трения покоя Fтр0.
3. Равномерно двигая, брусок по линейке измерьте силу трения скольжения Fтр.
4. Разместите груз на бруске. Повторите измерения.
5. Добавьте второй груз. Повторите измерения.
6. Добавьте третий груз. Снова повторите измерения.
7. Результаты занесите в таблицу:

8. Постройте графики зависимости силы трения от веса тела.

         Fупр, Н

1,0

0,5

1.              1,0               2,0           3,0             4,0               Р, Н

9. По графику найдите средние значения веса тела Рср, силы трения покоя Fср.тр0    и силы трения скольжения Fср.тр. Рассчитайте средние значения  коэффициента трения покоя μср0и коэффициента трения скольжения μср:
10. Сделайте вывод.

Практическое занятие № 2

Тема: Изучение закона сохранения импульса.

Цель: Экспериментально проверить закон сохранения импульса тел при упругом соударении.

Оборудование: 

• Два шарика разной массы (масса пластмассового шарика г) на длинных подвесах,
• весы с разновесами, линейка, штатив лабораторный.

Теоретическая часть:

В любой замкнутой системе тел геометрическая сумма их импульсов остается неизменной. Проверить закон сохранения импульса можно взаимодействием тел при прямом ударе упругих шаров. Закон сохранения импульса определяется формулой:mυ1+ mυ2 = mu1 + mu2, где m1, m2- масса шаров (кг); - скорости шаров до столкновения (м/с); u1,u2 - скорости шаров после столкновения (м/с). Для определения скорости шаров до и после удара можно воспользоваться законом сохранения механической энергии. Потенциальная энергия шара в положении максимального отклонения равна его кинетической энергии при ударе: mgh = m υ2/2, отсюда

υ = gh. Высоту h подъёма шара можно определить по его максимальному отклонению S от положения равновесия, т.е. h =S2/2ℓ. Следовательно, величины скорости можно выразить так: = S0, u1 = S1, u2 = S2 где S0 - максимальное отклонения первого шара до удара, S1 - максимальное отклонения первого шара после удара, S2 - максимальное отклонение второго шара после удара. Для экспериментальной проверки закона сохранения импульса необходимо определить импульс одного шара перед столкновением и сравнить этот импульс с суммой импульсов двух шаров после столкновения.

рис.1

Ход работы

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

2. Измерьте длину подвесов.

3. Отклоните шар большей массы на 5 см от положения равновесия (S0) и отпустить его. Заметьте максимальное отклонение S1 и S2 шариков после удара.

4. Повторите опыт, отклоните шар большей массы на 7 см от положения равновесия (S0) и отпустить его, найдите среднее значение отклонения S1 и S2.

5. Рассчитайте скорость шаров по формуле: υ1= S0, u1 = S1, u2 = S2, и их импульсы по формуле: m1υ1; m1u1; m2u2.

6. Заполните таблицу данными.

7. Сравните импульс шара до и после удара с суммой импульсов шаров после удара по формуле: mυ1 = mu1 + mu2

8. Напишите вывод о выполнении закона сохранения импульса.

Практическое занятие № 3

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

Цель:

• научиться измерять потенциальную энергию поднятого над землей тела и упруго деформированной пружины;
• 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.

Теоретическая часть:

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

Порядок выполнения работы

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 х пружины.

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. Что называется полной механической энергией?

5.Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

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

Вариант выполнения измерений.

1. Определяем максимальное удлинение х пружины и заносим в таблицу:

2. Выполняем расчеты по методичке

Практическое занятие № 4

Тема:  Измерение влажности воздуха.

Цель: освоить прием определения относительной влажности воздуха, основанный на использовании психрометра..

Оборудование:  Психрометр.

 Теоретическая часть:

При продувании воздуха через эфир, на полированной поверхности стенки камеры гигрометра появляется роса, при продувании воздуха через эфир, он быстро испаряется и охлаждает стенки камеры гигрометра. Слой водяного пара, находящийся вблизи поверхности камеры, тоже охлаждается. При определенной температуре водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным и начинает конденсироваться. На отполированной поверхности камеры гигрометра появляются капельки воды.

Показания «влажного» термометра меньше показаний «сухого» термометра. Резервуар «влажного» термометра обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода смачивает марлю на резервуаре термометра и при её испарении он охлаждается. В ходе опытов температуры «сухого» и «влажного» термометров могут оказаться одинаковыми при влажности 100%, т.к. в этом случае испарения с марли «влажного» термометра происходить не будет и он не будет охлаждаться. Наибольшая разность показаний термометров будет при сухом воздухе (когда влажность воздуха близка к 0%). Температура «влажного» термометра никогда не может оказаться выше температуры «сухого» термометра, т.к. с марли на резервуаре «влажного» термометра испаряется вода и при её испарении он охлаждается. Если «сухой» и «влажный» термометр психрометра показывают одну и ту же температуру, то влажность воздуха 100% . Предельное значение относительной влажности воздуха 100%

Выполнение работы.

Задание 1. Измерить влажность воздуха с помощью психрометра.

Подготовили таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

Рассмотрели устройство психрометра.

Показания сухого термометра tсухого =240С.

Показания влажного термометра tвлажного =210С.

Разность показаний термометров:

Δt = tсухого - tвлажного

Δt = 240С - 210С=30С

По психрометрической таблице определяем влажность воздуха φ:

Психрометрическая таблица.

φ=77%

Вывод: в ходе лабораторной работы определили относительную влажность воздуха в кабинете, она равна 77%. Это повышенная влажность воздуха.

Ответы на контрольные вопросы.

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

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

3. Могут ли в ходе опытов температуры «сухого» и «влажного» термометров оказаться одинаковыми?

4. При каком условии разности показаний термометров наибольшая?

5. Может ли температура «влажного» термометра оказаться выше температуры «сухого» термометра?

6. «Сухой» и «влажный» термометр психрометра показывают одну и ту же температуру. Какова относительная влажность воздуха?

7. Каким может быть предельное значение относительной влажности воздуха?

Практическое занятие № 5.

  Тема: Измерение поверхностного натяжения жидкости

 Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.

Теоретическая часть:

Характер движения молекул в жидкости отличается от движения молекул в газах и твердых телах. В газах молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга и поэтому движутся хаотично. В твердых кристаллических телах молекулы, располагаясь в правильном периодическом порядке, образуют кристаллическую решетку. В расположении молекул в твердых телах существует “дальний порядок”, который распространяется на миллион межатомных расстояний. Тепловое движение молекул сводится к их колебаниям около положения равновесия.

В жидкостях дальний порядок отсутствует. Молекулы жидкости колеблются около своих временных положений равновесия, при наличии свободного места перескакивают в другие положения и начинают колебаться около них. С ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний и молекулы чаще покидают свои места. В расположении молекул в жидкости существует временный “ближний порядок” на расстоянии двух-трех молекулярных слоев.

Между молекулами жидкости действуют силы притяжения. Каждая молекула внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях (внутреннее давление). Другое дело, когда молекула находится у поверхности и на нее действуют силы притяжения преимущественно с одной стороны.

Результирующая этих сил направлена внутрь перпендикулярно поверхности. Силы притяжения со стороны молекул газа над жидкостью незначительны. Ими можно пренебречь. Под действием результирующей силы, направленной внутрь, молекула погружается в жидкость, такое возможно для всех молекул поверхности. Но вследствие теплового движения другие молекулы изнутри выходят на поверхность. Втягивание молекул внутрь происходит с большой скоростью. То есть, поверхность жидкости стремится сократиться до минимума под действием сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности жидкости и нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэф фициент поверхностного натяжения, который численно равен силе f, действующей на единицу длины произвольной линии l, мысленно проведенной на поверхности жидкости:

   (1)

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в H/м и дин/см или Дж/м2 и эрг/см2.

Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения).

В настоящей работе σ определяется методом отрыва капель. Жидкость, вытекающая из узкой трубки, образует у нижнего отверстия каплю, которая перед отрывом принимает грушевидную форму. Отрыв капли происходит в тот момент, когда вес капли P сравняется с силой поверхностного натяжения f, действующей по окружности в более узкой части капли (рис. 1).

Коэффициент поверхностного натяжения определяется из условия равновесия:

              (2)

где d – диаметр шейки капли, приблизительно равный диаметру трубочки, из которой вытекает жидкость.

Следует заметить, что диаметр шейки капли измеряется с большим трудом. В настоящей работе σ неизвестной жидкости определяется путем сравнения с σ0 эталонной жидкости (воды). В самом деле, можно записать условия равновесия в момент отрыва для обеих жидкостей

, ;откуда:         (3)

где– коэффициент поверхностного натяжения воды при комнатной температуре, px и p0 – соответственно вес одной капли исследуемой жидкости и эталонной.

Порядок выполнения работы:

1. Измерить массу стакана.
2. Измерьте  внешний  диаметр  стеклянной  трубки  пипетки  и  вычислите
3. внутренний диаметр по формуле dвнут = dвнеш * 0,9.

4. Установить пипетку так, чтобы стеклянная трубка, из которой вытекаю капли, была вертикальна.
5. Подставить под пипетку стаканчик и отсчитать 50 или 100 капель.
6. Измерить массу стакана.
7. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле
8. Числовые расчеты и результаты занесите в отчет:

 Вычисления:

Вывод:        

Контрольные вопросы:

1.        Увеличив скорость падения капель, выяснить, как повлияет это на массу капли:

2.        Зависит ли коэффициент поверхностного натяжения от чистоты жидкости?

3.        Какова зависимость величины коэффициента поверхностного натяжения от температуры исследуемой жидкости? Повторить опыт, в качестве жидкости использовать воду температурой 60-70 0С:

Практическое занятие № 6

Тема: Наблюдение процесса кристаллизации.

Цель работы: опытным путём определить температуру кристаллизации парафина, построить график её зависимости от времени.

Оборудование: 

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

Теоретическая часть:

 Одной из характеристик кристаллических тел, отличающих их от аморфных, является определённая температура плавления (и равная ей температура кристаллизации).  Другими словами, когда кристаллическое тело при постоянном нагревании достигает температуры плавления, его температура на некоторое время перестаёт повышаться, и только тогда, когда всё тело становится жидким, его температура начинает снова возрастать. Такая же задержка в изменении температуры происходит и при остывании жидкости, превращающейся в кристаллическое тело. По мере охлаждения расплавленного кристаллического вещества его частицы замедляют свое хаотическое движение. При достижении температуры плавления скорость движения частиц уменьшается, и они под действием сил притяжения начинают «пристраиваться»  одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура его остается постоянной. Это температура кристаллизации или температура плавления данного кристаллического тела.  После этого как все вещество перейдет в твердое состояние, температура его снова начинает понижаться. Твёрдые парафины являются кристаллическими телами. В данной работе на опыте убедимся в кристаллической природе высокоочищенного (белого) парафина, применяемого в физиотерапии.

Ход работы

1. Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:

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

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

Внимание! Термометр не должен касаться стенок пробирки. Во время опыта пробирка с парафином должна быть в покое.

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

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

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

7. По графику определите температуру кристаллизации парафина.

8. Запишите общий вывод и ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

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

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

3. Отметьте на графике участки, соответствующие:

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

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

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

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

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