Методические разработки для выполнения лабораторных работ по физике
методическая разработка по физике по теме

Файл 24

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ

ХАНТЫ – МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА – ЮГРЫ

Б Ю Д Ж Е Т Н О Е   У Ч Р Е Ж Д Е Н И Е

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ

«Ю Г О Р С К И Й   П О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К И Й   К О Л Л Е Д Ж»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ

Югорск  2013г.

«Методические рекомендации к лабораторным работам по физике» рассмотрены и  утверждены на заседании цикловой комиссии общеобразовательных дисциплин.

 (протокол №  2 от  «14 » сентября 2013г.)

Пояснительная записка

Педагогическая ценность фронтальных модульных лабораторных работ заключается в том, что их проводят в органической связи с изучаемым программным материалом на протяжении всего курса физики. Фронтальный метод лабораторных занятий по физике, как известно, имеет ряд весьма важных положительных сторон. Этот метод, прежде всего, дает возможность тесно связать лабораторные занятия обучающихся с изучаемым курсом и перекинуть «мостик» между демонстрационными опытами преподавателя и самостоятельно выполняемыми обучающимися лабораторными работами в практикумах.

В соответствии с ведущей дидактической целью содержанием лабораторных занятий может быть экспериментальная проверка формул, методик расчёта, установление и подтверждение закономерностей, ознакомление с методиками проведения экспериментов, установление свойств веществ, их качественных и количественных характеристик, наблюдение развития явлений, процессов и др.

В ходе выполнения заданий у обучающихся  формируются практические умения и навыки обращения с различными приборами, установками, лабораторным оборудованием, аппаратурой, которые могут составлять часть профессиональной практической подготовки, а также исследовательские умения (наблюдать, сравнивать, анализировать, устанавливать зависимости, делать выводы и обобщения, самостоятельно вести исследование, оформлять результаты).

Особенностями методической разработки является формирование умения проводить физический эксперимент и формирования общих компетенций  с опорой на стремление обучающихся к самоопределению, самореализации, самообразованию, профильную ориентацию и обязательный минимум содержания общего образования; использование виртуального эксперимента.

Все представленные работы имеют подготовительные и контрольные вопросы. Вводные, подготовительные вопросы акцентируют внимание обучающихся на материале, знание которого необходимо для сознательного выполнения работы. Это позволяет сформулировать цель работы и гипотезу. Контрольные вопросы помогают оценить результаты деятельности.

Нормы оценок обучающимся заранее известны, поэтому каждый осуществляет выбор объема и содержания работы в соответствии с собственными учебными возможностями.

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие разделы:

1. Название работы.
2. Краткое теоретическое обоснование  или ответы на вопросы для самопроверки.
3. Цель работы (указанная в методической разработке цель работы может быть дополнена учащимся).
4. Оборудование и материалы.
5. Рисунок  или схема установки. Особенности подключения приборов, важные для проведения эксперимента.
6. Краткое изложение технологии выполнения работы (Описание процедуры измерений).
7. Таблица результатов измерений и вычислений.
8. Расчеты, измеряемых косвенно величин.
9. Графики (если они необходимы).
10. Оценка погрешностей измерений.
11. Выводы, в соответствии с целью работы. Ваши пожелания по усовершенствованию эксперимента.
12. Ответы на вопросы к лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

1. ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ ТЕЛА

ПРИ РАВНОУСКОРЕННОМ ДВИЖЕНИИ

Цель работы: измерить ускорение шарика, скатывающегося по наклонному жёлобу.

Оборудование: металлический жёлоб, штатив с муфтой и зажимом, стальной шарик, металлический цилиндр, измерительная лента, секундомер или часы с секундной стрелкой.

Описание работы

Движение шарика, скатывающегося по жёлобу, приближённо можно считать равноускоренным. При равноускоренном движении без начальной скорости модуль перемещения s, модуль ускорения а

и время движения tсвязаны соотношением s= . Поэтому, измерив sи t,мы можем найти ускорение а по формуле а =

Чтобы повысить точность измерения, ставят опыт несколько раз, а затем вычисляют средние значения измеряемых величин.

Ход работы

1. Соберите установку, изображённую на рисунке (верхний конец жёлоба должен быть на несколько сантиметров выше нижнего). Положите в жёлоб у его нижнего конца металлический цилиндр. Когда шарик, скатившись, ударится о цилиндр, звук удара поможет точнее определить время движения шарика.

2. Отметьте на жёлобе начальное положение шарика, а также его конечное положение — верхний торец металлического цилиндра.

3. Измерьте расстояние между верхней и нижней отметками на жёлобе (модуль sперемещения шарика) и результат измерения запишите в таблицу, помещённую в тетради для лабораторных работ. Ниже приведены первые две строки этой таблицы.

4. Выбрав момент, когда секундная стрелка находится на делении, кратном десяти, отпустите шарик без толчка у верхней отметки и измерьте, какое время tпройдёт до удара шарика о цилиндр.

Повторите опыт 5 раз, записывая в таблицу результаты измерений. При проведении каждого опыта пускайте шарик из одного и того же начального положения, а также следите за тем, чтобы верхний торец цилиндра находился у соответствующей отметки.

5. Вычислите tcp = и результат запишите в таблицу.

6. Вычислите ускорение, с которым скатывался шарик: а Результат вычислений запишите в таблицу.

7. Запишите в тетради для лабораторных работ вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

Ответьте на контрольные вопросы.

1. Тело начинает двигаться из начала координат вдоль оси Ox, причем проекция скорости  меняется с течением времени по закону, приведенному на графике.

Чему будет равна проекция ускорения тела  через 2 c?

1) 
2) 
3) 
4) 

2. Мальчик съезжает на санках равноускоренно со снежной горки. Скорость санок в конце спуска 10 м/с. Ускорение равно 1 м/с, начальная скорость равна нулю. Длина горки равна

1) 75 м
2) 50 м
3) 25 м
4) 100 м

3. При равноускоренном движении автомобиля на пути 25 м его скорость увеличилась от 5 до 10 м/с. Ускорение автомобиля равно

1) 1,5 м/с
2) 2,0 м/с
3) 1,0 м/с
4) 0,5 м/с

4. От чего зависит ускорение тела в данном опыте?

Лабораторная работа №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЁСТКОСТИ ПРУЖИНЫ

Цель работы: проверить справедливость закона Гука для пружины динамометра и измерить жёсткость этой пружины.

Оборудование: штатив с муфтой и зажимом, динамометр с заклеенной шкалой, набор грузов известной массы (по 100 г), линейка с миллиметровыми делениями.

Описание работы

Согласно закону Гука модуль Fсилы упругости и модуль х удлинения пружины связаны соотношением F= kx. Измерив F и х,  можно найти жёсткость kпо формуле k= .

Ответьте на вопросы входного контроля:

1. Насколько растянется пружина, жёсткость которой  под действием силы 100 H? Пружину считайте идеальной.

1) 1 м
2) 10 см
3) 1 см
4) 1 мм

2. На рисунке представлен график зависимости модуля силы упругости, возникающей при растяжении пружины, от ее деформации. Жесткость этой пружины равна

1) 10 Н/м
2) 20 Н/м
3) 100 Н/м
4) 0,01 Н/м

3. Под действием силы 4,5 Н пружина удлинилась на 6 см. Чему равен модуль силы, под действием которой удлинение этой пружины составит 4 см?

1) 2 Н
2) 3,5 Н
3) 3 Н
4) 4 Н

Ход работы

1. Закрепите динамометр в штативе на достаточно большой высоте.

2. Подвешивая различное число грузов (от одного до четырёх), вычислите для каждого случая соответствующее значение F= mg, а также измерьте соответствующее удлинение пружины х.

3. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу, помещённую в тетради для лабораторных работ. Ниже приведены первые две строки этой таблицы.

4. Начертите оси координат х и F,выберите удобный масштаб и нанесите полученные экспериментальные точки.

5. Оцените (качественно) справедливость закона Гука для данной пружины: находятся ли экспериментальные точки вблизи одной прямой, проходящей через начало координат.

6. Запишите в тетради для лабораторных работ сделанный вами вывод.

7. Вычислите жёсткость по формуле k=, используя результаты, полученные в пункте 4 (они обеспечивают наибольшую точность измерения).

Лабораторная работа №3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Цель работы: измерить коэффициент трения скольжения дерева по дереву.

Оборудование: деревянный брусок, деревянная линейка, набор грузов известной массы (по 100 г), динамометр.

Описание работы

Если тянуть брусок с грузом по горизонтальной поверхности так, чтобы брусок двигался равномерно, прикладываемая к бруску горизонтальная сила равна по модулю силе трения скольжения Fтр,действующей на брусок со стороны поверхности. Модуль силы трения Fтр связан с модулем силы нормального давления Nсоотношением               Fтр = µN. Измерив Fтр и N,можно найти коэффициент трения µ по формуле µ =  В данном случае сила нормального давления Nравна весу Р бруска с грузом.

Задание №1

Ход работы

1. Определите с помощью динамометра вес бруска Рбр и запишите в приведённую ниже таблицу.

2. Положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз.

3. Поставив на брусок один груз, тяните брусок равномерно по горизонтальной линейке, измеряя с помощью динамометра прикладываемую силу. Повторите опыт, поставив на брусок два и три груза. Записывайте каждый раз в таблицу, помещённую в тетради для лабораторных работ, значения силы трения Fтри силы нормального давления N= Рбр + Ргр. Ниже приведены первые две строки этой таблицы.

4. Начертите оси координат Nи Fтр,выберите удобный масштаб и нанесите полученные три экспериментальные точки.

5. Оцените (качественно), подтверждается ли на опыте, что сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления: находятся ли все экспериментальные точки вблизи одной прямой, проходящей через начало координат.

6. Запишите в тетради для лабораторных работ сделанный вами вывод.

7. Вычислите коэффициент трения по формуле µ =  используя результаты, полученные в пункте 3 (они обеспечивают наибольшую точность), и запишите его значение.

Задание №2

Изучение силы трения покоя

Цель: проверка истинности следующих утверждений

1.  При внешнем  воздействии модуль силы трения покоя меняется от нуля до некоторого  максимального значения.
2. Сила нормального давления влияет на модуль максимальной  силы трения покоя.

Оборудование: компоненты цифровой лаборатории  «Архимед»,  датчик силы на ±10Н,   брусок, нить, набор грузов по 100г, планка, штатив.

Ход работы.

1. Соберите установку: закрепите датчик у основания   штатива горизонтально. На протяжении всей работы датчик остается неподвижным. Датчик нитью соедините с бруском. Брусок положите на середину трибометра.
2. Настройте регистратор / число замеров  100 в секунду/ время замеров 10 с/режим записи – добавить.
3. ПУСК. Перемещайте планку так, чтобы нить натягивалась. Если брусок сдвинулся относительно планки, то  СТОП.
4. С помощью графика обоснуйте первое утверждение.  
5. Поставьте на брусок  3 груза и повторите действия третьего пункта.
6. С помощью графика обоснуйте второе утверждение.

Контрольный вопрос:

Что общего и чем отличаются задания №1 и №2

Лабораторная работа №4

Экспериментальное установление закона сохранения импульса 

Цель работы: выявить
________________________________________________________________
Оборудование и материалы: __________________________________
________________________________________________________________
Ход работы: 
1. Закрепите на штативе наклонный желоб с горизонтальным лотком и установите у верхнего края стальной шар массой m1. После скатывания с желоба шар приобретет скорость v1, направленную горизонтально, и пролетит расстояние L1.


 m1 = ____________

 L1 = ____________
2. Повторите опыт, предварительно установив на краю лотка еще один шар меньшей массы m2 ( m2 < m1). После столкновения шары приобретут скорости соответственно v1’ и v2’ . Их можно рассчитать, измерив дальности полета в горизонтальном направлении:


Время движения шаров одинаково, поэтому вместо скоростей можно сравнивать дальности полета.

Проверьте, выполняется ли равенство

Сделайте вывод:

Вывод: скорость тел до удара ____________________

сумме скоростей после удара, то есть скорость ______ является мерой движения, которая сохраняется при взаимодействии тел. 

Проверьте, выполняется ли равенство
что эквивалентно равенству
или


Сделайте вывод:
Вывод: при взаимодействии тел сохраняется ______________________________________________

Контрольные вопросы:
Какие вы знаете сохраняющиеся величины?
________________________________________________
Что называется импульсом тела?
________________________________________________
________________________________________________
В каких единицах измеряется импульс?
________________________________________________
Что позволило нам в лабораторной работе вместо скорости подставлять в формулу дальность полета тела?
________________________________________________
Точное ли равенство импульсов шаров до и после столкновения вы получили? Если нет, то почему? __________

Лабораторная работа №5

Задание №1

Изменение энергии при разных видах взаимодействия

Цель:  обнаружить закономерности  в изменении энергии  при осуществлении упругих и неупругих соударений

Оборудование: СD « Открытая физика» часть 1; модель « упругие и неупругие соударения».

Ход работы

1. Изучите возможности модели.  
2. Задайте скорость второй тележки  «-2 м/ с»;  массу тележек подберите сами и в дальнейшем эти параметры не меняйте.
3. Проведите серию опытов и заполните таблицу. В процессе наблюдений не допускайте соударения тележек со стенками ящика (используйте кнопку «стоп»).

4. Устно ответьте на вопросы, которые помогут Вам найти закономерности:

• Как меняется энергия системы, состоящей из двух тележек, при упругом столкновении?
• Какой закон может объяснить  этот результат?
• Как меняется энергия системы, состоящей из двух тележек, при неупругом столкновении?
• Почему изменение энергии при неупругом столкновении отрицательное?
• От чего зависит величина изменения энергии при неупругом столкновении?

5. Запишите найденные закономерности в тетрадь.

Задание №2

Изучение закона сохранения механической энергии

Цель работы: научиться измерять потенциальную энергию поднятого над землей тела и упруго деформированной пружины, сравнить два значения потенциальной энергии системы.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, динамометр лабораторный с фиксатором, лента измерительная, груз на нити длиной около 25 см.

Указания к работе

Динамометр укрепляется в лапке штатива. Фиксатором показаний динамометра служит пластинка из пробки размером 5х7х1,5 мм. Фиксатор должен перемещаться вдоль стержня с малым трением.

Порядок выполнения работы

1. Привяжите груз к нити, другой конец нити привяжите к крючку динамометра и измерьте вес груза.
2. Измерьте расстояние от крючка динамометра до центра тяжести груза.
3. Поднимите груз до высоты крючка динамометра и отпустите его. Поднимая груз, расслабьте пружину и укрепите фиксатор около ограничительной скобы.
4. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное удлинение пружины.
5. Растяните рукой пружину до соприкосновения фиксатора с ограничительной скобой и отсчитайте по шкале максимальное значение модуля силы упругости пружины.
6. Найдите высоту падения груза.
7. Вычислите потенциальную энергию системы в первом положении груза, т.е.перед началом падения, приняв за нулевой уровень значение потенциальной энергии груза в конечном положении.
8. В конечном положении груза его потенциальная энергия равна нулю. Потенциальная энергия системы в этом состоянии определяется лишь энергией упруго деформированной пружины.
9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

10. Сравните значения потенциальной энергии в первом и втором состояниях системы и сделайте вывод.

Контрольные задания

1. Ведро массой m поднимают на веревке вертикально вверх с постоянной скоростью. Когда ведро поднимется на высоту h относительно первоначального положения, его полная механическая энергия в неподвижной системе отсчета

1) увеличится на величину mgh
2) уменьшится на величину mgh 
3) не изменится
4) будет неизвестна, так как не задана скорость

2. Парашютист спускается с неизменной скоростью, а энергия его взаимодействия с Землей постепенно уменьшается. При спуске парашютиста

1) его потенциальная энергия полностью преобразуется в кинетическую энергию
2) его полная механическая энергия не меняется
3) его потенциальная энергия полностью преобразуется во внутреннюю энергию парашютиста и воздуха
4) его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную

3. Горизонтальную пружину жесткостью k начинают растягивать с постоянной скоростью. Когда пружина растянется на величину x, ее полная механическая энергия

1) увеличится на величину  
2) уменьшится на величину  
3) не изменится 
4) будет неизвестна, так как не задана скорость

4. Первоначальное удлинение пружины равно l см. Как изменится потенциальная энергия пружины, если её удлинение станет двое больше?

1) увеличится в 2 раза
2) увеличится в 4 раза
3) уменьшится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

Лабораторная работа №6

ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА

Задание №1

Цель работы: измерить ускорение свободного падения с помощью математического маятника.

Оборудование: штатив с муфтой и кольцом, шарик с отверстием, нить, часы с секундной стрелкой, измерительная лента, линейка с миллиметровыми делениями.

Описание работы

Период колебаний математического маятникаТ =2π. Поэтому, измерив длину маятника l и период колебаний Т, можно определить ускорение свободного падения gпо формуле g=

Ход работы

1. Установите штатив на краю стола и закрепите у верхнего конца штатива с помощью муфты кольцо. Подвесьте к нему шарик на нити, подобрав длину нити так, чтобы шарик висел на расстоянии нескольких сантиметров от пола.

2. Измерьте расстояние l от точки подвеса до центра шарика.

3. Отклоните шарик от положения равновесия на 5—10 см и отпустите его.

4. Измерьте время t,в течение которого маятник совершает Nполных колебаний (удобно взять N= 40).

5. Вычислите значение gэксп= •=

6. Повторите опыт, уменьшив длину нити в два раза.

7. Результат измерений и вычислений запишите в таблицу, помещённую в тетради для лабораторных работ. Ниже приведены первые две строки этой таблицы.

8. Вычислите gcp,усреднив результаты двух опытов.

9. Сравните полученное значение gcpсо значением g= 9,8 м/с2.

10. Запишите в тетради для лабораторных работ вывод: что вы

измеряли и какой получен результат.

Задание №2

Изучение колебательного движения

Цель:   Определить по графику  период, частоту и амплитуду для разных колебательных систем

Оборудование: компоненты цифровой лаборатории «Архимед»,  датчик силы ±10 Н, нить, пружина, груз, штатив с принадлежностями.

Ход работы

1. Закрепите на штативе датчик силы вертикально крючком вниз. Соберите компоненты цифровой лаборатории.
2. Произведите настройку регистратора: регистратор// настройка //частота замеров – 50 замеров в секунду// режим записи – заменить// по времени 2-4 с.  
3. Рассмотрите таблицу, которую Вы заполните по результатам опытов.

4. Запустите колебательную систему. ПУСК. Опыт прекратится через заданное Вами время.
5. Сделайте двойной клик  по графику - появится черная стрелка, повторите двойной клик. С помощью стрелок выделите 3-5 колебаний//график//отрезать.
6. Зная определения амплитуды, периода и частоты, найдите эти величины по  графику.
7. Повторите опыт для другой колебательной системы.

Задание №3

«Исследование механических колебаний маятника»

Цель: Исследование периода механических колебаний маятника

Основные положения: Период колебаний Т математического маятника можно выразить формулой

        Т= 2π√l/g¯        (1)

l – длина стержня маятника

g – ускорение свободного падения

Эта формула справедлива только для малых амплитуд колебаний и показывает, что период малых колебаний не зависит от массы. Для больших амплитуд колебаний периодТ зависит от массы, возрастает с увеличением амплитуды.

Порядок выполнения работы

1. Установить маятник 1 на ось зеркалом к КУЛ.
2. Установить датчик колебаний на поверхность КУЛ.
3. Подключить разъемы датчика и блока питания к электронному табло.
4. Включить блок питания в сеть ~220 В. При этом должно появиться свечение индикаторов табло и светодиода на поверхности датчика.
5. Позиционировать датчик колебаний на поверхности КУЛ таким образом, чтобы световые контакты были расположены напротив зеркала молотка. В случае правильного позиционирования светодиод на поверхности датчика должен погаснуть.
6. Установить транспортир на поверхности КУЛ так, чтобы шкала располагалась на расстоянии 250 мм от оси вращения.

Случай малых амплитуд колебаний

7. Отклонить маятник на угол 130 - 150. Плавно нажать кнопку сброса на датчике колебаний.
8. Освободить маятник и наблюдать процесс колебаний. При этом после каждого прохождения маятника мимо датчика должно происходить автоматическое переключение отсчета времени, процесс которого можно наблюдать на электронном табло индикаторов. Началом отсчета времени является момент первого прохождения маятника мимо датчика. Первый цифровой блок покажет Вам в секундах полупериод, второй – период, третий – полтора периода и т.д. Значение t7последнего блока индикаторов соответствует 3,5 периода колебаний в секундах. Значение t7 занесите в таблицу.
9. Вычислите период колебаний по формуле Тэ=t7/3,5. Результат  занесите в таблицу.
10. Измерьте длину маятника  и по формуле (1) вычислите теоретическое значение Т. Результат занесите в таблицу.
11. Сравните теоретическое значение с экспериментальным.
12. Увеличьте массу маятника. Для этого установите два дополнительных груза (магнитное крепление) симметрично цилиндра маятника.
13. Повторите эксперимент п.п. 7 - 11. Убедитесь, что для малых амплитуд период колебаний Тэне зависит от массы маятника.

Случай больших амплитуд колебаний

14.  Повторите эксперимент п.п. 7-13 с той разницей, что начальную амплитуду (начальное отклонение) маятника устанавливайте больше 200 , постепенно ее увеличивая.
15. Убедитесь, что с увеличением амплитуды период колебаний возрастает.
16.  Убедитесь, что при больших амплитудах период колебаний зависит от массы маятника.

Таблица

Запишите выводы.

Ответьте на контрольные вопросы.

1.  Если и длину нити математического маятника, и массу его груза увеличить в 4 раза, то период свободных гармонических колебаний маятника

1) увеличится в 2 раза
2) увеличится в 4 раза
3) уменьшится в 4 раза
4) уменьшится в 2 раза

2. На рисунке представлен график смещения x тела от положения равновесия с течением времени t при гармонических колебаниях.

Чему равны амплитуда  колебаний и период T колебаний?

1) ,  
2) ,  
3) ,  
4) , 

3. Математический маятник с периодом колебаний Т отклонили на небольшой угол от положения равновесия и отпустили c начальной скоростью равной нулю (см. рисунок). Через какое время после этого кинетическая энергия маятника во второй раз достигнет максимума? Сопротивлением воздуха пренебречь.

1) 
2) 
3) 
4) 

Лабораторная работа № 7

«Опытная проверка закона Гей-Люссака»

Цель работы: проверить на опыте закон Гей-Люссака

Оборудование: стеклянная трубка, запаянная с одного конца, длиной 600 мм и диаметром 8—10 мм; цилиндрический сосуд высотой 600 мм и диаметром 40—50 мм, наполненный горячей водой (t ≈ 60°С); стакан с водой комнатной температуры; пластилин, «Физика. 7-11 классы. Практикум» (ФИЗИКОН, 2003)

Практическое задание №1:

1. Выберите «Программы Физикона»-«Физика, 7-11 классы»-«10-11»-«Лаборатории»-«Изобарический процесс»
2. Газ находится в цилиндре под поршнем. При нажатой кнопке «Выбор» (при этом также должна быть нажата кнопка «Стоп») активизируйте контекстное меню свойств цилиндра, щелкнув мышкой дважды внутри цилиндра, и сделайте выбор: Стены контейнера – «подвижные жесткие», нажмите кнопку «применить». Таким образом, газ под поршнем будет иметь постоянное давление P.  Что будет происходить при  росте температуры T  с объемом, занимаемым газом под поршнем, с плотностью D? Будет ли меняться объем, занимаемый газом под поршнем, при уменьшении температуры T? Как он  будет меняться? Что будет происходить в этом случае с  плотностью D? С давлением газа P?
3. Активизируйте контекстное меню свойств цилиндра и выберите тип газа:

4. Активизируйте контекстное меню свойств основания цилиндра, и выберете: Регулятор температуры – «Нагреватель», нажмите кнопку «применить».
5. При нажатой кнопке «Стоп», перепишите параметры газа: давление, объем и температуру, это будет первое состояние:                               

6. Когда температура по графикам приближенно будет равна 400 К, нажмите кнопку «Пауза», перепишите параметры газа: давление, объем и температуру, это будет второе состояние:

7. Вычислите отношения V1 /V2и Т1 /Т2 и сравните их:_______________________________
8. Заполните таблицу 2.                                                        Таблица 2

Для повышенного уровня предполагается бланк с дополнительными заданиями:

Выберете регулятор температуры – «Холодильник». Как изменяются параметры газа в этом случае, остается ли давление постоянным? Как изменятся графики? Что можно сказать о графике зависимости объема от температуры? Зарисуйте этот график, когда температура достигнет примерно 200 К, вычислите для этой точки отношения V1/V2 и Т1 /Т2,  и сравните их (значения V1 и T1  возьмите из пункта 5).  

Практическое задание №2:

Проведение реального эксперимента

Примечание: инструментальные погрешности определяются с помощью таблицы 1 (УЭ 3).

1. Подготовьте стакан с водой комнатной температуры и сосуд с горячей водой.

2. Измерьте длину l1 стеклянной трубки и температуру воды в цилиндрическом сосуде.

3. Приведите воздух в трубке во второе состояние так, как об этом рассказано в УЭ 3. Измерьте длину l2 воздушного столба в трубке и температуру окружающего воздуха Т2.

4. Вычислите отношения l1 и Т1, относительные (ε1  и ε2) и абсолютные (∆1  и ∆2)

 l2   Т2

погрешности измерений этих отношений по формулам

ε1 = ∆ l + ∆ l  , ∆1  = l1 ε1; ε2 = ∆ Т + ∆ Т  , ∆2  = Т1 ε2;

l1         l2                    l2                Т1         Т2                   Т2

5. Сравните отношения l1 и Т1 

  l2    Т2

6. Заполните таблицу 3.

Таблица 3

7. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Почему после погружения стеклянной трубки в стакан с водой комнатной температуры и после снятия пластилина вода в трубке поднимается?

Почему при равенстве уровней воды в стакане и в трубке давление воздуха в трубке равно атмосферному?______________________________________________________

Лабораторная работа №8

ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Проведение реального эксперимента

Цель работы: экспериментально подтвердить уравнение состояния идеального газа.

Оборудование: стеклянная трубка, закрытая с одного конца, два стеклянных цилиндрических сосуда, барометр, термометр, линейка, горячая и холодная вода.

Описание работы

Сначала трубку опускают в сосуд с горячей водой запаянным концом вниз, а затем — в сосуд с холодной водой открытым концом вниз (см. рисунок).

Обозначим температуру горячей воды Т1 а холодной — Т2. Тогда два состояния воздуха в трубке описываются параметрами p1V1T1и р2, V2, Т2.

В первом состоянии давление воздуха равно атмосферному давлению, во втором — сумме атмосферного давления и давления водяного столба высотой h: р1 = ратм; p2=pатм+ pgh.

Объём воздуха в трубке в первом состоянии V1= l*S,где l — длина трубки, S— площадь её поперечного сечения. Во втором состоянии объём воздуха V2= (l-∆l) *S,где ∆l — высота столба воды в трубке.

В работе предлагается проверить выполнение равенства

или

Ход работы

1. В сосуд с горячей водой опустите трубку закрытым концом вниз (см. рисунок). Когда трубка нагреется и температура воздуха в ней станет равной температуре Т1 воды в сосуде, измерьте температуру горячей воды.

2. Закройте трубку резиновой пробкой на нити и опустите пробкой вниз в сосуд с холодной водой. Под водой выдерните пробку за нитку и опустите трубку до дна сосуда. Измерьте температуру Т2 холодной воды и длину столбика воды в трубке ∆l.

3. Определите давление р1, воздуха в трубке в первом состоянии по показаниям барометра и давление воздуха в трубке во втором состоянии по формуле р2 = ратм + рgh.

4. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу, помещённую в тетради для лабораторных работ. Ниже приведены первые две строки этой таблицы.

4. Запишите в тетради для лабораторных работ вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

Проведение виртуального эксперимента

Изучение зависимости давления газа от внешних условий

Цель: показать функциональную зависимость давления данной массы газа от температуры и объема

Оборудование: СD «Открытая  физика»  часть 1 , модели «Изотермический процесс» и «Изохорный  процесс»

Ход работы

Задание 1

1. Познакомьтесь с возможностями модели «Изохорный  процесс».
2. Заполните таблицу.
3. Опираясь на уравнение состояния идеального газа,  сделайте  вывод.
4. Объясните с точки зрения МКТ связь давления газа и температуры окружающей среды.
5. Объясните, почему баллоны электрических ламп наполняют азотом при пониженном   давлении.

 Задание 2

1. Познакомьтесь с возможностями модели «Изотермический процесс».
2. Заполните  таблицу.
3. Опираясь на уравнение состояния идеального газа,  сделайте  вывод.
4. Объясните с точки зрения МКТ связь давления газа и объема сосуда.
5. Объясните, как меняется сила, выталкивающая из воды воздушный пузырек.

Лабораторная работа №9

Определение относительной влажности воздуха.

Теория. В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность определяется плотностью водяного пара ра, находящегося в атмосфере, или его парциальным давлением pп. Парциальным давлением pп называется давление, которое производил бы водяной пар, если бы все другие газы в воздухе отсутствовали.

Относительной влажностью φ называется отношение парциального давления pп водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара pн.п., при данной температуре. Относительная влажность ф показывает, сколько процентов составляет парциальное давление от давления насыщенного пара при данной температуре и определяется по формулам:

        Парциальное давление pп можно рассчитать по уравнению Менделеева-Клапейрона или по точке росы. Точка росы - это температура, при которой водяной пар, находящийся в воздухе становится насыщенным.

Относительную влажность воздуха можно определить с помощью специальных приборов.

Цель работы: научиться пользоваться психрометром Августа и гигрометром и определять относительную влажность воздуха в классной комнате.

Оборудование: психрометр Августа, конденсационный гигрометр, термометр, диэтиловый эфир, таблицы.

Ход работы.

1. Работа с психрометром.

1. Изучить устройство психрометра и принцип его действия.
2. Проверить наличие воды в резервуаре и при необходимости долить ее.
3. Спять показания сухого и смоченного термометров и определить разность их показаний.
4. Пользуясь психрометрической таблицей, определить относительную влажность воздуха.

Результаты измерений занести в таблицу.

Сделать вывод, указав физический смысл измеренной величины.

2.Работа с конденсационным гигрометром.

1. Изучить устройство и принцип действия конденсационного гигрометра.
2. Определить по термометру температуру окружающего воздуха.
3. Определить точку росы - температуру, при которой появляются капельки росы на блестящей поверхности гигрометра (для этого наполнить гигрометр эфиром и продуть через него воздух при помощи груши).

4. По таблице «Давление насыщенного водяного пара и его плотность при различных температурах» определить давление насыщенного пара pн.п при комнатной температуре и парциальное давление pп при температуре росы.
5. Пользуясь формулой        вычислить относительную влажность.

Результаты измерений занести в таблицу.

Сделать вывод, указав физический смысл измеренной величины. 

Ответьте  на контрольные вопросы.

1 .Какой пар называется насыщенным? Что такое динамическое равновесие; точка росы?

2.Почему показания смоченного термометра меньше, чем сухого?

3. Как, зная точку росы, можно определить парциальное давление?

4.Почему при продувании воздуха через эфир на полированной поверхности стенки камеры гигрометра появляется роса?

5.Сухой и влажный термометры психрометра показывают одинаковую температуру. Какова относительная влажность воздуха?

6. Давление пара в помещении при температуре  равно 756 Па. Давление насыщенного пара при этой же температуре равно 880 Па. Относительная влажность воздуха равна (ответ округлить до целых)

1) 1%
2) 60%
3) 86%
4) 100%

7. В сосуде с подвижным поршнем находятся вода и её насыщенный пар. Объём пара изотермически уменьшили в 2 раза. Концентрация молекул пара при этом

1) уменьшилась в 2 раза
2) не изменилась
3) увеличилась в 2 раза
4) увеличилась в 4 раза

8. Количество воды в сосуде уменьшается за счет испарения

1) только при кипении
2) только при нагревании
3) при любой температуре, если пар в воздухе над поверхностью воды является ненасыщенным
4) при любой температуре, если пар в воздухе над поверхностью воды является насыщенным

9. Относительная влажность воздуха в цилиндре под поршнем равна 60%. Воздух изотермически сжали, уменьшив его объём в два раза. Относительная влажность воздуха стала

1) 120 %
2) 100 %
3) 60 %
4) 30 %

10. В сосуде под поршнем находится ненасыщенный пар. Его можно перевести в насыщенный,

1) изобарно повышая температуру
2) добавляя в сосуд другой газ
3) увеличивая объем пара
4) уменьшая объем пара

Лабораторная работа №10

Определение поверхностного натяжения жидкости.

Теория. Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости. Как и любая механическая система, поверхностный слой жидкости самопроизвольно переходит в такое состояние, при котором потенциальная энергия его минимальна, при этом площадь свободной поверхности жидкости сокращается.

Сила, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение ее свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения Fпн .

Величина, равная  силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения σ или просто поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение находится по формуле:  

L-длина границы свободной поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить различными методами: методом отрыва капель, отрыва рамки, методом подъема воды в капилляре.        

Цель работы: научиться определять коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва рамки.

Оборудование: весы с разновесом, стакан с водой, штатив лабораторный, пробирка с песком, масштабная линейка, лист бумаги, проволочная рамка на нитях.

Ход работы.

1. Зажать весы в лапке лабораторного штатива.
2. Привязать к одной из чашек весов нить с подвешенной рамкой и уравновесить весы песком (песок сыпать на лист бумаги, положенный на чашку).
3. Добиться горизонтального положения рамки.
4. Под чашкой установить стакан с дистиллированной водой так, чтобы поверхность воды находилась от рамки на расстоянии 1-2 см.
5. Осторожно опустить рамку рукой так, чтобы она, коснувшись воды, «прилипла» к ней.
6. Очень осторожно добавлять песок до отрыва рамки от поверхности воды.
7. Осушить рамку и вновь уравновесить весы, но уже при помощи гирь. Определить массу гирь: m=…..г=……кг        
8. Измерить линейкой периметр рамки: L=….см=…..м        

9.        Вычислить коэффициент поверхности натяжения воды по формуле:

 Учесть, что Fпн=mg, где m - масса гирь, g - ускорение свободного падения.

1. Рассчитать абсолютную ошибку:

2. Рассчитать относительную ошибку:

3. Заполнить таблицу.

Записать  вывод,  указав  физический  смысл  измеренной  величины  и  объяснить,  почему результат, полученный в работе, отличается от табличной величины.

Ответьте на контрольные вопросы

1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
2. Почему и как поверхностное натяжение зависит от температуры?
3. В двух одинаковых пробирках находится одинаковое количество капель воды. В одной пробирке вода чистая, в другой-с добавкой мыла. Одинаковы ли объемы отмеренных капель? Ответ обоснуйте.

Лабораторная работа №11

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ

Цель: установить зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением участка цепи.

Оборудование: макетная плата; вольтметр; амперметр; резисторы 10 Ом, 20 Ом, 30 Ом; переменный резистор сопротивлением в пределах 100-1000 Ом; лампа МН 6,3 В х 0,3 А; источник питания 4-6 В; соединительные провода - 6 шт.

Краткая теория.

Между тремя электрическими величинами - силой тока, напряжением и сопротивлением - существует простое, но очень важное соотношение, называемое «Законом Ома для участка цепи». Его открыл в 1827 году немецкий ученый Георг Ом. Закон Ома - один из основных законов электродинамики. Его знание необходимо для понимания разнообразных процессов, протекающих в электрических цепях.

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Дайте краткую характеристику физическим величинам: силе тока, напряжению, сопротивлению.

2. Вспомните:

а) как измерить силу тока в участке цепи;

б) как измерить напряжение на участке цепи;

в) как включают в цепь амперметр и вольтметр.

Экспериментальная работа 

Задание 1

Установите связь между силой тока, напряжением и сопротивлением на участке цепи. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 1.

Таблица 1

1. Соберите цепь по рис. 1, аи б, используя резистор R1сопротивлением 10 Ом

2. Включите цепь и снимите показания измерительных приборов.

3. Вместо резистора R1поочередно включите резисторы R2= 20 Ом и R3= 30 Ом. Каждый раз снимите показания приборов.

4. Для каждого случая вычислите отношение напряжения к сопротивлениюучастка цепи  

5. Для каждого опыта сравните вычисленное отношение и измеренную силу тока в цепи I. Сделайте вывод, запишите его словесно и математически.

6. Сравните Ваш вывод с законом, сформулированным Г. Омом для участка цепи.

Задание 2

Определите сопротивление участка цепи по закону Ома. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 2.

1. Соберите цепь по рис. 1. В качестве участка Rвозьмите поочередно резисторы сопротивлениями 10 Ом, 20 Ом, 30 Ом (маркировку можно заклеить изолентой).

2. По показаниям приборов вычислите сопротивления этих резисторов.

Таблица 2

Задание 3

Определите напряжение на участке цепи по закону Ома. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 3.

1. В схеме к заданию 1 (рис. 1) отключите вольтметр и вместо участка Rпоочередно включайте резисторы 10 Ом, 20 Ом, 30 Ом.

2. Зная сопротивление участка по надписи на резисторе и силу тока по показанию амперметра, по закону Ома для участка цепи вычислите ожидаемое напряжение.

3. Ваши расчеты проверьте экспериментально, подключив вольтметр к участку R.

4. Сделайте вывод о том, как на основании закона Ома можно вычислить напряжение на участке цепи.

Таблица 3

Задание 4.

Определите сопротивление нити накала лампы. Результаты измерений и вычислений занесите в составленную Вами таблицу.

1. Соберите цепь по рис. 2.

2. Регулируя накал лампы переменным резистором, дважды измерьте силу тока в лампе и напряжение на ней: при еле заметном накале и при полном.

3. Пользуясь законом Ома для участка цепи, рассчитайте сопротивление нити накаливания лампы.

4. Вычислите сопротивление нити по указанным на цоколе лампы номинальным значениям напряжения и силы тока.

5. Объясните, почему в этих опытах нить накала имеет различное сопротивление.

Лабораторная работа №12

ИЗУЧЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ

Цель: узнать, как распределяется сила тока, напряжение, сопротивление на последовательно соединенных участках цепи.

Литература: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Оборудование: макетная плата; амперметр; вольтметр; миллиамперметр; лампа МН 6,3 В х 0,3 А - 2 шт.; два резистора сопротивлениями в пределах 30-100 Ом(например, 30 Ом и 51 Ом); источник питания 4-6 В; соединительные провода - 6 шт.

Краткая теория

Последовательным называют такоесоединение, когда ток по очереди проходит черездруг за другом соединенные участки цепи. Схема таких соединений двух участков дана на рис. 1.

Данное выше определение позволяет

предположить, что:

- сила тока в любых частях такой

цепи одна и та же, т. е. I=I1,=I2;

- полное напряжение цепи равно

сумме напряжений на отдельных

участкахцепи, т. е. U=U1+U2;

- общее сопротивление равно сумме

сопротивлений отдельных участков, т. е. R=R1+R2.

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Какое соединение проводников называют последовательным?

2. Какая из электрических величин: сила тока, напряжение, сопротивление - одинакова для всех проводников, соединенных последовательно?

3. При последовательном соединении потребителей, какую связь можно ожидать между:

- полным напряжением на концах цепи и напряжением на отдельных ее участках?

- общим сопротивлением такой цепи и сопротивлением отдельных ее участков?

4. Как объяснить с точки зрения теории, почему I =I1=I2, R=R1+R2?

5.  Как записывается закон Ома для участка цепи?

6.  Как включают в электрическую цепь амперметр и вольтметр?

Экспериментальная работа

Задание 1

Проверьте сделанное выше предположение о силе тока в различных частях последовательной цепи.

1. Соберите цепь по рис. 2, а и б.

2. Измерьте силу тока I в цепи там, где стоит амперметр и в различных еечастях, отмеченных крестиками.

3. Результаты измерений запишите в первую строку таблицы 1.

4. Сравните полученные данные и сделайте вывод.

Задание 2

Проверьте сделанное выше предположение о связи общего напряженияс напряжением на отдельных участках цепи

1. Соберите цепь по рис. 3.

2. Измерьте напряжение U1на лампе HL1, U2на лампе HL2 и общее напряжение Uна них.

3. Результаты измерений запишитево вторую строку табл. 1.

4. Сравните значения напряжений исделайте вывод о том, из чего складывается общее напряжение.

Задание 3

Установите взаимосвязь между общим сопротивлением всей цепи и сопротивлением ее отдельных участков.

1. Используя закон Ома, вычислите сопротивления R1 лампы HL1, R2 - лампы HL2, R- общей цепи.

2. Результаты вычислений запишите в табл. 1 третьей строкой.

3. Сравните и сделайте вывод о том, как соотносятся общее сопротивление цепи и сопротивления отдельных участков при их последовательном соединении.

Таблица 1

Задание 4

Проведите повторное исследование закономерностей последовательного соединения проводников для установления зависимостей I=Il=I2, U=U1+ U2, R=R1+R2

1.Замените в схеме на рис. 2 лампы резисторами R1 и R2, имеющими разные сопротивления в пределах от 30 до 100 Ом, амперметр - миллиамперметром пределом измерения 50 мА или 100 мА.

2. Вычертите новую схему для повторного исследования.

3. Продумайте порядок проведения опытов.

4. Разработайте таблицу для записи результатов.

5. Выполните исследование. Полученные данные занесите в табл. 2, составленную по аналогии с табл. 1.

6. Проанализируйте результаты экспериментов, сформулируйте выводы.

Задание 5

1. Вновь соберите схему по рис. 2.

2. При отключенном питании исключите из нее одну из ламп. Пронаблюдайте, что произойдет, и объясните это.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что можно сказать о силе тока, полном напряжении и общем сопротивлении цепи при последовательном соединении ее участков?

2. Каковы, по Вашему мнению, достоинства и недостатки последовательного соединения потребителей электрической энергии.

3. Приведите примеры последовательного соединения потребителей электрической энергии.

4. Требуется изготовить елочную гирлянду из лампочек, рассчитанных на напряжение 10 В каждая. Сколько надо взять лампочек, чтобы гирлянду можно было включить в сеть напряжением 220 В?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13

ИЗУЧЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ

Цель: узнать о закономерностях в цепи, состоящей из параллельно соединенных проводников.

Оборудование: макетная плата; вольтметр; амперметр; резисторы 10 Ом и20 Ом (надписи с указанием сопротивлений рекомендуем заклеить изолентой); лампы МН 6,3 В х 0,3 А - 2 шт.; источник питания на 4-6 В; соединительные провода - 6 шт.

Краткая теория

Электрическую цепь могут образовать параллельно соединенные участки. При таком соединении одни концывсех проводников собирают в одинузел, например, в точке А (рис. 1), авторые концы - в другой узел, например, в точке В. Поэтому напряжение Uна всем участке АВ и на концах его параллельных ветвей R1 и R2 должнобыть одним и тем же:U= U1, = U2.

Ток же I в первой точке соединенияА разветвляется на два тока I1, и I2, которые вновь сходятся в общий потоквточке В. Поэтому сила тока в неразветвленной части цепи должна бытьравна сумме сил токов в отдельныхветвях: I= I, + 12.

При параллельном соединении общее сопротивление цепи уменьшается,

т. к. у тока появляется несколько путей, что равносильно использованию проводника с большим сечением. Поэтому

 оно должно становиться меньше сопротивления каждой ветви. Определяют его из формулы:

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Какое соединение проводников называют параллельным?

2. Какая электрическая характеристика цепи одинакова для всех проводников, соединенных параллельно?

3. Как найти силу тока в неразветвленной цепи, зная силу тока в каждом из параллельно соединенных проводников?

4. Как рассчитать сопротивление участка цепи, состоящего из двух параллельно соединенных проводников?

Экспериментальная работа

Примечание.В работе вместо резисторов 10 Ом и 20 Ом можно использовать лампы МН6,3 В х 0,3 А.

Задание 1

Проверьте справедливость предположения о силе тока в цепи, состоящей из двух параллельно соединенных участков: I= I1+ I2. Результаты наблюдений запишите в первую строку табл. 1.

1. Соберите схему по рис. 2 и измерьте силу тока I в цепи до разветвления.

2. Определите силу тока I1, текущего через участок R1. Включите для этого амперметр, как показано на рис. 3, аи б.

3. Переключите амперметр во вторую ветвь цепи (рис. 3, в). Измерьте силу тока I2, текущего через участок R2.

4. Сравните показания амперметров во всех трех случаях и сделайте вывод о том, какая связь существует между силами токов I, I1, и I2

Задание 2

Проверьте верность предположения о равенстве напряжений на всем участке и его отдельных частях при параллельном соединении проводников:U= U1 = U2. Показания вольтметра занесите во вторую строку табл. 1.

Таблица 1

1. Соберите цепь по рис. 4.

2. Измерьте напряжение U1, на резисторе Rl, U2на резисторе R2 и общее напряжение U.

3. Сравните показания вольтметраи сделайте вывод о том, какую связьВы установили между напряжениямиU1, , U2и U.

Задание 3

Установите взаимосвязь между общим сопротивлением цепи и сопротивлениями ее отдельных участков. Результаты вычислений занесите в третью строку табл. 1.

1. Используя результаты измерений токов и напряжений, по закону Ома для участка цепи рассчитайте сопротивления резистора R1, резистора R2 , общей цепи -R.

2. Проверьте справедливость:

а)        утверждения, что Rи Rб) равенства = +  .

3.Сформулируйте вывод о том, какая существует связь между общим сопротивлением цепи и сопротивлениями ее отдельных параллельно соединенных участков.

Задание 4

1. Соедините две лампы параллельно и при включенном питании одну из них исключите из цепи. Понаблюдайте, что произойдет. Объясните это.

2. Сравните результат с результатом аналогичного задания 5 из лабораторной работы № 8. Сделайте вывод о достоинствах и недостатках последовательного и параллельного соединений потребителей электроэнергии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Приведите примеры параллельного соединения потребителей электрической энергии.

2. Как распределяется сила тока в параллельно соединенных участках? Почему?

3. Почему вольтметр, подключаемый к измеряемому участку цепи параллельно, должен иметь большое сопротивление?

4. Соедините три лампы последовательно (рис. 5) и одну из них закоротите проводом. Как изменится яркость ламп?

5. Объясните, почему птиц, сидящих на проводах электропередачи, не поражает электрическим током (рис. 6)?

Лабораторная работа № 14

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ И МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Цель: научиться вычислять работу и мощность электрического тока, количествотеплоты, выделяемое в проводнике током.

Литература:         

Оборудование: макетная плата; амперметр лабораторный; вольтметр лабораторный, лампа МН 6,3 Вх0,3 А - 2 шт.; резистор 10 Ом номинальной мощностью 2 Вт; источник питания 4-6 В; соединительные провода - 6 шт.

Краткая теория

Электрический ток способен совершать работу, которую рассчитывают по формулеА = IUt. С понятием работы тесно связано понятие мощности тока. Мощность тока равна работе, совершенной током в единицу времени; рассчитываются по формуле P=,измеряется в ваттах (Вт).

Проводники, по которым проходитток, нагреваются. Согласно закону сохранения энергии в них происходит превращение электрической энергии во внутреннюю Q, мерой которого является работа тока, определяемая по формуле A=Q=IUt.

Если потребители в схеме соединены последовательно, то сила тока в них одинакова и для расчета совершенной работы Аи выделенной теплоты Qудобно пользоваться формулой А =Q =I2Rt,

а для расчета мощности – P=I2R.

При параллельном соединении потребителей, когда напряжение на них одинаково, для расчета более удобны формулы: А =Q= tP=

Вопросы для самоконтроля по теории.

1. Как рассчитать работу, совершенную электрическим током?

2. В каких единицах ее измеряют?

3. По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, выделяемое током в проводнике?

4. Как вычислить мощность электрического тока?

5. Что принято за единицу мощности электрического тока?

6. Какой формулой удобно пользоваться при расчете работы и мощности электрического тока, если потребители соединены: а) последовательно? б) параллельно?

7. Назовите примерные мощности широко распространенных бытовых потребителей электрической энергии: осветительных ламп; электрического утюга; электроплитки; электропаяльника.

8.Как, зная мощность бытового прибора, вычислить силу тока в нем?

Экспериментальная работа 

Задание 1

Определите работу и мощность тока в миниатюрной лампе накаливания.

Показания приборов и результаты вычислений занесите в первую строку табл. 1.

Таблица 1

1. По значениям силы тока и напряжения, указанным на цоколе лампы, определите ту мощность Рн, на которую она рассчитана. Эта мощность называется номинальной. Расчет ведите по формуле Рн = IHUH, где IН и UH- максимально допустимые во время длительной работы (номинальные) ток и напряжение.

Примечание. Помните, что превышение номинальной мощности потребителяэлектрической энергии не допускается - он может выйти из строя!

2. Соберите электрическую цепь порис. 1.

3. Снимите показания приборов и поним рассчитайте мощность Р тока влампе.

4. Сравните вычисленную мощностьР лампы с номинальной Рн.

5. Определите работу, которую совершает электрический ток в лампе за1 секунду, 1 минуту, 1 час.

Задание 2

Определите мощность тока и количество выделившейся теплоты в последовательно и параллельно соединенных лампах. Показания приборов и результаты вычислений занесите во вторую и третью строки табл. 1.

1. Вычислите суммарную номинальную мощность двух ламп.

2. Начертите схему для определения общей мощности: а) двух последовательно соединенных ламп; б) двух параллельно соединенных ламп.

3. Вычислите по показаниям приборов суммарную мощность этих цепей и работу тока в них за 1 секунду, 1 минуту, 1 час.

Задание 3

Повторите исследования задания 1 для резистора сопротивлением 10 Ом и заполните четвертую строку табл. 1. Обратите внимание на то, что во время работы резистор немного нагревается. Почему?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Как нужно включить к источнику питания два одинаковых нагревательных элемента, чтобы они давали наибольшее количество теплоты?

2. Две лампы накаливания МН 3,5 В х 0,3 А и МН 3,5 В х 0,15 А разными сопротивлениями спиралей, но рассчитанные на одинаковое напряжение, соединены сначала последовательно, потом параллельно. Выскажите предположение: одинаковым ли накалом они горят в каждом случае. Свое мнение проверьте экспериментально и объясните наблюдаемый факт.

3.На практике часто приходится включать потребители в цепь с большим напряжением, чем то, на которое они рассчитаны. В таких случаях последовательно с потребителем соединяют ограничительный резистор (рис. 2). На нем падает часть общего напряжения и этим он предохраняет потребитель от перегрузки (перегорания).

а) Вычислите сопротивление и мощность ограничительного резистора, который нужно включить в цепь последовательно с лампой МН 3,5 В х 0,15 А, если напряжение питания в этой цепи 6 В.

Указание. Для расчета используйте закономерности последовательного соединения потребителей и формулу мощности.

б) Проверьте Ваши расчеты экспериментом, собрав электрическую цепь по рис. 2.

Лабораторная работа № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТОКА

Цель: научиться находить значения ЭДС; научиться находить значения внутреннего сопротивления источника тока.

Литература:         

Оборудование: макетная плата; лабораторные амперметр и вольтметр; резисторы 10 Ом и 20 Ом; лампа МН 6,3 В х 0,3 А; источник тока 4-6 В; соединительные провода - 7 шт.

Краткая теория

Электродвижущая сила - одна из основных характеристик любого источника тока. Ее обозначают ЭДС или буквой ε и измеряют в вольтах. Она численно равна работе, которую могут совершать сторонние силы, перемещая единичный положительный заряд позамкнутой цепи: ε=, где q- заряд в Кл, Аст- работа сторонних сил в Дж. Сторонними силами могут быть любые силы, за исключением кулоновских (электрических).

На рис. 1 показана полная электрическая цепь. Она состоит из источника тока и потребителя тока (лампы). Полная (замкнутая) цепь состоит из двух участков: внутреннего и внешнего. На внутреннем участке цепи неэлектрическая (в данном случае химическая) энергия производит работу по разделению разноименных зарядов. На одном электроде создается положительный (высший) потенциал «+», а на другом - отрицательный (низший) потенциал «—».

Если к источнику питания нагрузка (внешняя цепь) не подключена, то разность потенциалов (по-другому напряжение) между электродами равна электродвижущей силе источника: U=ε Именно это напряжение (ЭДС) наносится на корпусах элементов и батарей: 1,5 В; 4,5 В; 9 В.

При подключении к источнику питания внешней цепи (на рис. 1 лампы, на рис. 2 резистора) в ней возникает электрическое поле, которое создает направленное движение зарядов - электрический ток.

Итак, на внутреннем участке цепи ток течет за счет неэлектрической энергии (в гальванических элементах за счет химической энергии), а на внешнем - электрической энергии.

Обозначим (рис. 2):

R— сопротивление внешнего участка;

r— сопротивление внутреннего участка.

Для любой замкнутой цепи, в том числе изображенных на рисунках 1 и 2, закон Ома связывает силу тока I в ней, ЭДС ε и полное сопротивление R+ r;

он имеет вид: I =

Из этого выражения следует, что ЭДС источника тока равна

ε= I(R+r).Если раскрыть скобки, получим: ε = IR+Ir. Так как      U= IR, то это значит, что ЭДС равна сумме падений напряжений на внешнем (IR) и на внутреннем (Ir) участках электрической цепи.

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Из каких участков состоит замкнутая электрическая цепь?

2. Из чего складывается ее сопротивление?

3. Что характеризует ЭДС? Чему она равна?

4. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.

5. Чем он отличается от закона Ома для участка цепи?

Экспериментальная работа

Задание 1

Определите ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока. Показания приборов и результаты вычислений занесите в табл. 1.

1. Соберите электрическую цепь по рис. 3, а, б.

2. Определите ЭДС ε элемента по показанию вольтметра при отключенной внешней цепи.

3. Включите цепь и измерьте напряжение Uна внешнем участке.

4. Вычислите внутреннее сопротивление r источника тока на основании закона Ома для замкнутой цепи.

5. Вычислите ток короткого замыкания Iкз источника тока, когда сопротивление внешней цепи равно 0.

6. Объясните, в чем заключается опасность короткого замыкания для источника питания.

Таблица 1

Задание 2

Определите внутреннее сопротивление и ЭДС источника тока. Показанияприборов и результаты вычислений занесите в табл. 2.

Таблица 2

1. Соберите электрическую цепь по рис. 4. Она состоит из последовательно соединенных между собой резистора сопротивлением  R= 10 Ом и внутреннего участка источника тока сопротивление

2. Включите ее и произведите измерения силы тока I1, и напряжения U1,на внешнем участке.

3. Включите в цепь вместо резистора 10 Ом резистор сопротивлением 20Ом и произведите измерения I2 и U2.

4. Измерьте ЭДС εизм, присоединиввольтметр к полюсам источника токапри отключенной внешней цепи.

Примечание. При подключении вольтметра к источнику тока при отключенной внешней цепи его показание будет отличаться от ЭДС источника на величину падения напряжения на самом вольтметре: Ub=IRb= Rв, где RB- сопротивление вольтметра.

Разница показаний будет тем меньше, чем RB>r.

5. Учитывая, что во время опыта ЭДС источника тока и его внутреннее сопротивление остаются без изменения, используя систему уравнений на основе закона Ома для замкнутой цепи ε = U1+ I1r,ε= U2+I2r,рассчитайтевеличины rи ε .

6.Найдите разность ∆εмежду измеренным и вычисленным значениями ЭДС.

Задание 3

Рассчитайте коэффициент полезного действия замкнутой электрической цепи.

Замкнутая цепь обладает коэффициентом полезного действия (сокращенно КПД, обозначают η), показывающим, какую долю составляет работа электрического тока Аппо перемещению заряда на внешнем участке цепи от полной работы А3по перемещению этого же заряда по всей замкнутой цепи. КПД можно вычислить по любой из приведенных ниже формул:

η = ;        η=100%;        η=100%.

По данным табл. 1 и 2 вычислите КПД электрических цепей, с которыми Вы работали. Они изображены на рис. 3 и 4. Сравните их.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как определяют на практике ЭДС источника тока?

2. Как ее рассчитывают?

3. Из чего складывается внутреннее сопротивление: а) гальванического элемента? б) сетевого блока питания? в) источника питания, в качестве которого выступает розетка осветительной сети?

4. Как отличаются друг от друга ЭДС и внутреннее сопротивление «свежей» и «севшей» батарей элементов?

5. В чем заключается опасность короткого замыкания для источников питания?

Лабораторная работа №16

ИЗГОТОВЛЕНИЕ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ И ИЗУЧЕНИЕ ЕЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ

Цели: сделать катушку индуктивности для проведения лабораторных исследований; наблюдать магнитные свойства катушки.

Литература:         

Оборудование: ферромагнитный (железный или стальной) стержень диаметром 6-8 мм и длиной 6 см; моток медного провода ПЭЛ диаметром 0,2-0,35 мм; многожильный медный провод в изоляции длиной 20 см - 2 шт.; лист плотной альбомной бумаги; клей; паяльник с принадлежностями для пайки; катушка нити; омметр; магнитная стрелка на подставке (или компас); мелкие гвозди (или скрепки, кнопки); катушка от разборного электромагнитного реле; источник питания 4-6 В; соединительные провода.

Краткая теория

Мы знаем, что проводник, по которому течет электрический ток, приобретает способность отклонять расположенную около него магнитную стрелку (опыт Эрстеда). Таким же свойством, но в значительно большей мере, обладает и проводник, смотанный в виде катушки.

Эта катушка приобретает еще одно физическое качество. Ее сопротивление оказывается разным в цепях постоянного и переменного токов. Для цепей постоянного тока неважно, какой формы взят проводник: вытянут он в прямую линию или имеет вид катушки; в каждом случае его сопротивление Rопределяется длиной провода l, площадью поперечного сечения Sи удельным сопротивлением ρматериала, из которого он изготовлен: R = ρВ цепях же переменного тока проводник имеет разные сопротивления в зависимости от его формы, числа витков и геометрических размеров катушки, в которую он превращен. Это свойство проводника характеризует физическая величина - индуктивность. Ее обозначают буквой Lи в честь американского ученого Джозефа Генри измеряют в единицах генри (Гн).

Магнитные свойства катушки можно усилить, если в нее ввести сердечник из особого, так называемого ферромагнитного вещества, например, железа, никеля, кобальта, а также некоторых сплавов и специальной керамики, содержащих окислы железа.

Катушка индуктивности - важный элемент электро- и радиотехнических цепей; широко используется также в таких устройствах, как электромагнитное реле, телефон, трансформатор.

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Каким свойством обладает катушка?

2. Как можно увеличить ее индуктивность?

3. Где применяют катушку индуктивности?

Экспериментальная работа №1

Примечание. В данной работе можно

использовать катушку от разборного

электромагнитного реле (рис. 1) или

самодельную катушку, изготовленную

согласно заданию 1.

Задание 1

Сделайте катушку индуктивности.

1. Возьмите ферромагнитный (железный или стальной) стержень диаметр 6-8 мм и длиной 6 см.

2. Обмотайте его несколько раз

плотной полоской бумаги длиной 10-

14 см и шириной 5 см и склейте такой

бумажный цилиндрический каркас (рис.2),

 чтобы стержень мог свободно, но с

некоторым трением перемещатьсявнутри

 него.

3. Намотайте на каркас виток к витку медный провод в эмалевой изоляции(рис. 3). Провод возьмите диаметром 0,2-0,35 мм и сделайте 300-400 витков.

Следите за тем, чтобы просматривалосьнаправление намотки витков.

4. К началу и концу обмотки припаяйте изолированные гибкие много» провода длиной 20 см. С их помощью катушка включается в схемы. Для защиты запаянных участков от обрыва концы катушки прикрепите ниткой к коркасу. Свободные концы многожильных проводов оголите на 10 мм (см. рис. 4).

5. Испытайте катушку на целостность. Для этого возьмите омметр и измерьте ее сопротивление; оно должно составить несколько Ом.

Задание 2

Соберите электромагнит и испытайте его магнитное действие.

1.Соберите цепь по рис. 5. Замкните цепь и с помощью магнитной стрел (компаса) определите магнитные полюсы катушки. Сделайте вывод о том, и какая связь существует между магнитными полюсами катушки и направлением то в ней.

2. Отодвиньте магнитную стрелку от концов катушки вдоль ее оси настолько, чтобы действие магнитного поля на магнитную стрелку было незначительно. Вставьте ферромагнитный стержень в катушку и понаблюдайте действие катушки на стрелку. Сделайте вывод.

3. Поднесите электромагнит к мелким железным (стальным) гвоздям (скрепкам, кнопкам) и, изменяя силу тока в катушке, сделайте вывод о том, как магнитное действие катушки зависит от силы протекающего по ней тока

Экспериментальная работа №2

Изучение свойств магнитного поля

Цель: выявление свойств магнитного поля при измерении  индукции магнитного поля.  

Оборудование: компоненты цифровой лаборатории «Архимед»,  постоянный магнит, линейка.

1. Подготовьте датчик к работе:

• выберите предел измерения low – 10мТл;
•  датчик расположите   так, чтобы  горизонтальная черта (magneticfieldsensor)  оказалась   напротив исследуемого объекта параллельно поверхности стола;
• датчик в процессе измерений должен быть неподвижен.

2. Настройте регистратор на 10 замеров в секунду, время замеров примерно 1с, режим записи – заменить.
3. Установите магнит на определенном  расстоянии от датчика. ПУСК. Остановка опыта произойдет автоматически. Проведите стандартную процедурувыделения диапазона данных на линии графика →  / анализ/ статистика/ среднее значение   (имеет единицы измерения – Тл).  Повторите измерения.
4. Результаты заносите   в  таблицу, которую необходимо заполнить в процессе работы.

5. Любое поле имеет свойства: обладает энергией, действует силой, не локализовано в пространстве.

Выберите    свойства  магнитного поля, которые  Вам удалось  выявить при выполнении исследования. Объясните, по каким признакам  Вам удалось  это сделать.

Экспериментальная работа№3

«Изучение   магнитного поля катушки с током»

Задание 1

Цель: оценить значение сердечника  для получения магнитного поля катушки с током

Оборудование: компоненты ЦЛ «Архимед», датчик индукции магнитного поля, источник постоянного тока, катушка с сердечником, ключ, соединительные провода.

• датчик располагайте   так чтобы  черная  черта (magnetic field sensor)  оказалась   напротив исследуемого объекта.  
• датчик в процессе измерений должен быть неподвижен

1. Настройте регистратор: регистратор// настройка…// 50 замеров в секунду/режим записи – заменить// время замеров 2 сек. Проверьте, что пределы измерения датчика  ±10мТл.
2. Соберите электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа и катушки.
3. Поднесите катушку  одним из полюсов вплотную к датчику и замкните ключ. ПУСК.  Не забудьте разъединить цепь.
4. Проведите стандартную процедуру выделения данных на графике. Получите результат в виде числа: анализ// статистика// среднее значение выражено в Тл. Запишите число   в стандартном виде. Примечание: вид записи Е-004 обозначает  сомножитель 10 - 4  .
5. Уберите сердечник и повторите измерение для  того же полюса катушки (пункт 3  и 4).
6. Результаты измерений оформите в виде таблицы.
7. Сделайте вывод.

Лабораторная работа №17

Изучение условий возникновения индукционного тока (Ιi)

Цель: установить факторы, влияющие на величину и направление индукционного тока.

Оборудование: компоненты цифровой лаборатории «Архимед», датчик тока – миллиамперметр, катушка с сердечником, постоянный магнит.

Ход работы

1. Соберите установку: соедините датчик и катушку последовательно.
2. Настройте регистратор: число замеров 50//режим записи добавить// время 10 с.
3. Расположите магнит вплотную к сердечнику катушки. Проведите пробный опыт: ПУСК,  отрывайте  магнит от сердечника катушки и обратно 3-4 раза, СТОП.
4. Для определения численного значения  Ιi необходимо: двойной «клик»  черная стрелка / переместите стрелку на «пик», расположенный выше оси времени  найдите значение индукционного тока под осью времени в мА.  
5. Каждое  задание выполняйте в новом проекте, результаты оформляйте  в виде таблиц.

Задание 1

Определите влияние скорости перемещения магнита на  величину  Ιi.

1. ПУСК, быстро  отрывайте магнит от сердечника катушки и обратно 3- 4 раза, СТОП.
2. ПУСК, медленно отрывайте магнит от сердечника катушки  и обратно 3- 4 раза, СТОП.
3. Определите численное значение  Ιi  для 1 и  2 опыта.

Задание 2

Определите влияние направления движения магнита  на направление  Ιi.

1. ПУСК, быстро  отрывайте магнит от сердечника катушки  и обратно 3-4 раза, СТОП.
2. Соотнесите направление движения магнита  с полученным графиком.

Задание 3

1. Сделайте обобщенный вывод, согласованный с целью.
2. Объясните полученные результаты с помощью закона электромагнитной индукции.

Лабораторная работа №18

Наблюдение явлений интерференции и дифракции света

Цель урока:

• обобщить знания по теме “Интерференция и дифракция света”;
• продолжить формирование экспериментальных умений и навыков учащихся;
• применить теоретические знания для объяснения явлений природы;
• способствовать формированию интереса к физике и процессу научного познания;
• способствовать расширению кругозора учащихся, развитию умения делать выводы по результатам эксперимента.

Оборудование: 

• лампа с прямой нитью накала (одна на класс);
• кольцо проволочное с ручкой (работы №1,2);
• стакан с мыльным раствором (работы №1,2);
• пластинки стеклянные (40 х 60мм) по 2 штуки на один комплект (работа№3) (самодельное оборудование);
• штангенциркуль (работа №4);
• ткань капроновая (100 х 100мм, самодельное оборудование, работа №5);
• грампластинки (4 и 8 штрихов на 1мм, работа №6);
• компакт-диски (работа №6);
• фотографии насекомых и птиц (работа №7).

Ход работы

Экспериментальная работа №1

“Наблюдение явления интерференции света на мыльной пленке”.

Оборудование: стаканы с раствором мыла, кольца проволочные с ручкой диаметром 30 мм. (см. рисунок 3)

Учащиеся наблюдают интерференцию в затемненном классе на плоской мыльной пленке при монохроматическом освещении.

На проволочном кольце получаем мыльную плёнку и располагаем её вертикально.

Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки (см. рисунок 4).

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 – светлые полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки [9].

4. Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы).

5. Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

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

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

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

Экспериментальная работа №2

“Наблюдение интерференции света на мыльном пузыре”.

1. Учащиеся выдувают мыльные пузыри (См. рисунок 5).

2. Наблюдаем на верхней и нижней его части образование 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 [9].

Экспериментальная работа № 3.

“Наблюдение интерференции света на воздушной пленке”

Чистые стеклянные пластинки учащиеся складывают вместе и сжимают пальцами (см. рисунок №6).

Пластинки рассматривают в отраженном свете на темном фоне.

Наблюдаем в некоторых местах яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы.

Измените нажим и пронаблюдайте изменение расположения и формы полос.

Учитель: Наблюдения в этой работе носят индивидуальный характер. Зарисуйте наблюдаемую вами интерференционную картину.

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. (рисунок№ 7).

В проходящем свете условие максимума 2h=kl

Учитель: Явление интерференции и поляризации в строительной и машиностроительной технике используют для изучения напряжений, возникающих в отдельных узлах сооружений и машин. Метод исследования называют фотоупругим. Например, при деформации модели детали однородность органического стекла нарушается [7] .Характер интерференционной картины отражает внутренние напряжения в детали (рисунок№ 8).

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

Условие проявления дифракции: d < , где d – размер препятствия, - 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 [8]. 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.

Экспериментальная работа № 4.

“Наблюдение дифракции света на узкой щели”

Оборудование:

1. Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.
2. Приставляем скошенную часть губок вплотную к глазу (располагая шель вертикально).
3. Сквозь эту щель смотрим на вертикально расположенную нить горящей лампы.
4. Наблюдаютем по обе стороны от нити параллельные ей радужные полоски.
5. Изменяем ширину щели в пределах 0,05 – 0,8 мм. При переходе к более узким щелям полосы раздвигаются , становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой.[9]
6. Ученики зарисовывают в тетрадь увиденную картину.

Экспериментальная работа № 5.

“Наблюдение дифракции света на капроновой ткани”.

Оборудование: лампа с прямой нитью накала, ткань капроновая размером 100x100мм (рисунок 10)

1. Смотрим через капроновую ткань на нить горящей лампы.
2. Наблюдаем “дифракционный крест” (картина в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос) . [9]
3. Ученики зарисовывают в тетрадь увиденную картину (дифракционный крест ).

Объяснение: В центре краста 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. [9]

Экспериментальная работа № 6.

“Наблюдение дифракции света на грампластинке и лазерном диске”.

Оборудование: лампа с прямой нитью накала, грампластинка (см. рисунок 11)

Грампластинка является хорошей дифракционной решеткой.

1. Располагаем грампластинку так, чтобы бороздки расположились параллельно нити лампы и наблюдаем дифракцию в отраженном свете.
2. Наблюдаем яркие дифракционные спектры нескольких порядков.

Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на грампластинку бороздок и от величины угла падения лучей. (см. рисунок 12)

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.

Аналогичным образом пронаблюдаем дифракцию на лазерном диске. (см. рисунок 13)

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.

Экспериментальная работа № 7.

“Наблюдение дифракционной окраски насекомых по фотографиям”.

Объяснение : Внешняя поверхность оперения у многих птиц и верхний покров тела бабочек и жуков характеризуются регулярным повторением элементов структуры с преиодом от одного до нескольких микрон, образующих дифракционную решетку [1] . Например, структуру центральных глазков хвостового оперения павлина можно увидеть на рисунке № 14. Цвет глазков меняется в зависимаости от того, как падает на них свет, под каким углом мы на них смотрим. [1]

Контрольные вопросы (каждый ученик получает карточку с заданием – ответить письменно на вопросы): 

1. Что такое свет?
2. Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?
3. Какова скорость света в вакууме?
4. Кто открыл интерференцию света?
5. Чем объясняется радужная окраска тонких интерференционных пленок?
6. Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?
7. Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски?
8. Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?
9. Почему видимая радужная окраска мыльной пленки все время меняется?

Лабораторная работа №19

Тема: «Измерение длины световой волны»

Цель работы: С помощью дифракционной решетки определить длины световых волн.

Приборы и материалы: дифракционная решетка с периодом  мм или  мм, измерительная установка, состоящая из: держателя, линейки, черного экрана с узкой щелью по середине, штатив.

Пояснение к работе.

В работе для определения длины световой волны используется ди фракционная решетка с периодом  мм или  мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке 194. Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке 3 располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посередине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой. На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6.

Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне

экрана можно наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков. Длина волны λ, определяется по формуле, λ=, где  - период решетки, k – порядок спектра, φ – угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета.

Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-гопорядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка 195 видно, что tg φ =  .

Расстояние, а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние b — по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.

Окончательная формула для определения длины волны имеет вид: λ=

В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра данного цвета.

Подготовка к проведению работы

1. Подготовить бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений.

2. Собрать измерительную установку, установить экран на расстоянии 50 см от решетки.

3. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установить ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.

Проведение эксперимента, обработка результатов измерений

1. Смотря сквозь дифракционную решетку, направьте прибор на источник света так, чтобы последний был виден сквозь узкую прицельную щель экрана. При этом по обе стороны экрана на черном фоне заметны дифракционные спектры нескольких порядков.
2. По шкале на экране определите красную и фиолетовую границы спектров 1-го   и  2-го порядков.
3. По делениям, нанесенным на линейке, определите расстояние от дифракционной решётки до шкалы подвижного экрана.
4. Результаты измерений занесите в таблицу.

5. Определите длину световой волны для красных, зеленых и фиолетовых лучей по уравнению, приведенному выше.
6. Измерьте длину световой волны с помощью отражающей дифракционной решетки.
7. Сравните результаты и сделайте вывод.