Лабораторный практикум для 10 класса

Лабораторный практикум №1

Изучение движения системы связанных тел

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, блок, два разной массы груза, нить, набор грузов (10 г, 50 г), лента измерительная, секундомер, динамометр, весы электронные.

Теоретическая часть работы

В данной работе применяются законы Ньютона к движению связанных тел. С их помощью необходимо рассчитать ускорение грузов, связанных нитью, перекинутой через неподвижный блок. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.

М

R R

O О

Т₁

Т₂

Т₂

а₂

Т₁

m

а₁

m₂

m₁

h

(m₂ + m)g

у

m₁g

Рис.1 Движение связанных тел.

Ускорение системы связанных тел можно рассчитать, применяя законы динамики и кинематики. Трением в оси блока и сопротивлением воздуха можно пренебречь при движении грузов. Движение грузов можно считать равноускоренным. Тогда, а = 2h/t², где t – время движения одного из грузов из состояния покоя на пути h (смотри рисунок 1 справа). Время измеряется секундомером, а пройденное грузом расстояние – измерительной лентой.

Рассмотрим движение грузов с точки зрения законов динамики. Пусть нить невесома и нерастяжима. При расчёте ускорения грузов учтём массу блока. Тогда ускорение грузов можно вычислить по формуле:

а = .

Массы грузов m₁, m₂ и массу блока М можно измерить с помощью динамометра или весов. Масса добавочного груза m должна быть известна. Рассчитав ускорение грузов по формулам, можно сравнить полученные значения. Ускорение свободного падения принять равным g = 9,8 м/с².

Практическая часть работы

1.Укрепить неподвижный блок на высоте 1,5 м от пола.

2.Измерить массу блока М и массы грузов m₁и m₂.

3.Соединить два груза нитью, перекинутой через блок. Один груз должен касаться пола, а другой находиться вверху.

4.Добавляя к верхнему грузу добавочные грузы, добиться компенсации силы трения в оси блока (верхний груз после лёгкого толчка должен двигаться вниз, а нижний – вверх).

5.Измерьте время движения верхнего груза до пола и пройденное им расстояние.

6.Для повышения точности проведите несколько опытов (например, пять).

7.Вычислить среднее время движения грузов.

8.Вычислите ускорение грузов по формулам кинематики и динамики (смотри теорию).

9.Результаты измерений и вычислений занести в таблицу №1 (смотри ниже).

Таблица №1. Результаты измерений и вычислений ускорения грузов

М, кг	m1, кг	m2, кг	m, кг	ад, м/с2	h, м	t, с	tср, с	ак, м/с2

10.Сравнить значения вычисленных ускорений.

11.Оценитиь погрешности вычислений и измерений. Записать значения ускорений с учётом вычисленных погрешностей.

12.Сделать вывод.

13.Ответить на контрольные вопросы:

А) Как в работе учитывалось действие силы трения в оси блока?

Б) Оцените силу реакции на ось блока.

14.Сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №2

Определение массы тела с помощью пружинного маятника

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, набор грузов (12 грузов по 100 г), набор калометрических тел (сталь, латунь, алюминий), спиральная пружина с диаметром витка 2-2,5 см, секундомер, динамометр, весы электронные, миллиметровка.

Теоретическая часть работы

В данной работе используется пружинный маятник. Период колебаний такого маятника находится по формуле: Т = 2π. С другой стороны период колебаний пружинного маятника равен Т = t/N. Таким образом, масса колеблющегося тела равна: m = . Здесь k – жёсткость пружины, t – время колебаний груза, N – число колебаний груза.

На первом этапе определяем жесткость пружины. Для этого необходимо построить график зависимости у = у(х), где у = Т², х = 4π²М (смотри рисунок 1).

у

А

у_А

х

0 х_А

Рисунок 1. График для определения жёсткости пружины

На графике найти среднюю точку (точку А), опустить перпендикуляры на оси координат и найти значения х_А и у_А. По формуле k_ср = х_А/у_А рассчитать жёсткость пружины.

На втором этапе определяем массу тела из набора калометрических тел (медь, латунь, алюминий) по формуле: m_k = m – M, m – общая масса грузов по 100 г с грузом неизвестной массы, М – масса грузов по 100 г.

Практическая часть работы

1.Закрепить пружину в лапке штатива. К её нижнему концу прикрепить четыре груза по 100 г каждый.

2.Измерить время 40-50 полных колебаний груза (систему выводить из равновесия осторожно).

3.Добавляя к системе каждый раз по 1 грузу, довести общую массу маятника до 800-1000 г.

4.Рассчитать период колебаний маятника для каждого опыта.

5.Вычислить значения у_i и х_i для каждого опыта. Все данные занести в таблицу №1 (смотри ниже).

6.Построить график зависимости у = у(х).

7.По графику найти k_ср (смотри теоретическую часть).

8.Закрепить к системе груз неизвестной массы (из набора калометрических тел).

9.Определить время 40-50 полных колебаний системы с грузом неизвестной массы.

10.Определить общую массу системы по формуле m = .

11.Рассчитать неизвестную массу по формуле m_k = m – M.

12.С помощью динамометра или весов определить неизвестную массу (m_g).

Таблица №1. Экспериментальные данные для расчёта жёсткости пружины

№ опыта	M, кг	N	t, с	Т, с	у, с2	х, кг	kср,Н/м
1	0,4	50
2	0,5
3	0,6
4	0,7
5	0,8
6	0,9
7	1,0

Таблица №2. Экспериментальные данные для определения неизвестной массы

№ опыта	kср, Н/м	N	t, c	m, кг	mk, кг	mg, кг
1		50
2
3

13.Рассчитать погрешности измерений и вычислений неизвестной массы.

14.Сделать вывод.

15.Ответить на контрольные вопросы:

А) Массой какого элемента маятника можно пренебречь при расчёте неизвестной массы? Почему?

Б) Используя результаты измерений масс, вычислите плотности тел и сравните их с табличными значениями.

16.Сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №3

Проверка закона сохранения импульса тел при их упругом ударе

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, желоб дугообразный, два шара разной массы, лента измерительная, весы электронные, белая и копировальная бумага (формат А4).

Теоретическая часть работы

Схема экспериментальной установки для проверки закона сохранения импульса представления на рисунке 1. Она представляет собой дугообразный желоб, закреплённый на некоторой высоте от поверхности стола. Шар массы m₁ставят в верхней части желоба и отпускают. В нижней части желоба находится шар массы m₂. Шары сталкиваются и начинают падать по параболической траектории. Места падения шаров указаны точками В и С. В места падения шаров помещается белый и копировальный листы бумаги (формата А4). Расстояния L₁ и L₂измеряют лентой от точки А, являющейся проекцией точки, где находится шар m₂ до столкновения с шаром m₁

m₁

штатив

m₂ v₂

h

А В С

копировальный и белый листы

L₁

L₂

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для столкновения шаров

В задаче требуется проверить закон сохранения импульса тел при их упругом столкновении (сопротивлением воздуха при движении шаров можно пренебречь). Для определения скорости первого шара до столкновения со вторым шаром воспользуемся той же самой установкой (смотри рисунок 2). Скатившись с желоба первый шар в нижней его части приобретает горизонтальную скорость v и пролетает по горизонтали расстояниеL, которое можно измерить лентой. Скорости шаров и расстояния, которые они пролетают по горизонтали, связаны между собой. Выразив скорости шаров до и после столкновения через эти расстояния, получим соотношение:

m₁L = m₁L₁ + m₂L₂

штатив желоб

v

h

А В

копировальный и белый листы

L

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для первого шара.

Справедливость этого соотношения и надо проверить. Массы шаров измеряем на весах.

Практическая часть работы

1.Собрать экспериментальную установку для определения расстояния L для первого шара. Провести несколько опытов (например, пять).

2.Измерить массы шаров на весах.

3.Собрать экспериментальную установку для проведения опытов по столкновению шаров и измерению расстояний L₁ и L₂. Провести несколько опытов.

4.Рассчитать средние значения расстояний: L_ср, L_1ср и L_2ср.

5.Все данные измерений и вычислений занести в таблицу №1.

Таблица №1. Экспериментальные данные для проверки закона сохранения импульса системы тел

L, м	Lср, м	L1, м	L1ср, м	L2, м	L2ср, м	m1, кг	m2, кг

6.Рассчитать произведения массы шара на расстояние, т.е. m₁L_ср , m₁L_1ср и m₂L_2ср.

7.Оценить погрешности вычислений.

8.Сделать вывод.

9.Ответить на контрольные вопросы:

А) Выполняются ли в эксперименте условия замкнутой системы? Почему?

Б) Почему в работе необходимо выполнить условие центрального удара?

10.Сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №4

Определение коэффициента трения скольжения

Оборудование: штатив с муфтой, направляющая рейка, набор брусков (деревянный, металлический, пластиковый), датчики движения с измерительной системой времени, лента измерительная.

Теоретическая часть работы

Экспериментальная установка представляет собой плоскость, составляющую некоторый угол с горизонтом (смотри рисунок 1). Тело, скатившись с горки, проходит некоторый путь по горизонтальной поверхности и останавливается за счёт силы трения F_тр.2, действующей на него на этой поверхности. При движении тела вдоль горки действовала сила трения F_тр.1. Воспользуемся законом сохранения энергии для системы «тело+горка+горизонтальная поверхность»:

0 – mgh = A_тр.1 + A_тр.2

Найдём выражения для работ сил трения: A_тр.1 = – F_тр.1∙L = –μ₁mg,

А_тр.2 = – F_тр.2∙b = –μ₂mgb.

Тогда получаем выражение: 0 – mgh = – μ₁mg– μ₂mgb.

Отсюда находим: h = μ₁+ μ₂b. Для определения коэффициента трения μ₁ воспользуемся законами динамики и кинематики равноускоренного прямолинейного движения. На тело во время соскальзывания действуют: сила трения F_тр.1, сила нормальной реакции опоры N₁, сила тяжести F_т. Ускорение бруска направлено вдоль плоскости по направлению движения. Закон движения бруска имеет вид: F_тр.1 + N₁ + F_т = ma. Запишем этот закон в проекциях на оси координат.

Ох: F_тsinα – F_тр.1 = ma,

Оу: N₁ – F_тcosα = 0.

Силы трения и тяжести определяются по формулам: F_тр.1 = μ₁N₁, F_т = mg. Согласно формулам геометрии имеем: sinα = h/L,cosα =/L. Тогда получаем уравнение для определения коэффициента трения скольжения: gh–μ₁g = aL. Отсюда находим μ₁ = . Ускорение бруска находим по формуле: а = 2s/t², где s–расстояние между датчиками, t – время движения бруска. Ускорение свободного падения принять равным g = 9,8 м/с². Таким образом, получаем выражение: h = h – + μ₂b. Отсюда получаем: μ₂ = .

у

N₁

F_тр.1

1

а

h

L х

Α F_тр.2 2

mg b

датчики движения

s

Рис.1 Схема экспериментальной установки

В работе требуется определить коэффициент трения скольжения бруска на горизонтальной поверхности.

Практическая часть работы

1.Собрать экспериментальную установку для определения коэффициента трения скольжения тела на горизонтальной поверхности.

2.Поставить пластиковый брусок в верхней части плоскости и отпустить его.

3.Зафиксировать с помощью датчиков время движения бруска на горке (t).

4.Определить по направляющей рейке длину горки (L) и расстояние между датчиками (s).

5.Определить измерительной лентой расстояние, пройденное бруском по горизонтальной поверхности (b).

6.Повторить опыты с деревянным и металлическим брусками.

7.Все измерения занести в таблицу №1 (смотри ниже).

Таблица №1. Экспериментальные данные для определения коэффициента трения скольжения

№ опыта	t, c	s, м	L, м	b, м
1
2
3

8.Вычислить коэффициенты трения скольжения брусков.

9.Оценить погрешность вычисления коэффициента трения.

10.Сделать вывод.

11.Ответить на контрольные вопросы:

А) Какой вид трения рассматривается в работе?

Б) От каких величин зависит коэффициент трения скольжения? От каких не зависит?

12.Сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №5

Изучение процессов соударения двух тел и потерь энергии при соударениях

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой (2 шт.), шарик на нити, установка «Тележки на магнитной подушке», лента измерительная, весы электронные, линейка (25-30 см), закреплённая в упоре, транспортир.

Теоретическая часть работы

В задаче используется лабораторная установка «Тележки на магнитной подушке». Направляющая закрепляется на штативе под некоторым углом к горизонту (смотри рисунок 1). На боковую часть направляющей (вдоль неё) закрепляется измерительная лента (с помощью скотча). На другом штативе закрепляется шарик на нити таким образом, чтобы в вертикальном положении он касался центральной частью тележки на магнитной подушке. Для фиксации тележки на наклонной плоскости (в нижней её части) закрепляется небольшой стержень так, чтобы тележка не отклоняла шар на нити от его вертикального положения. Непосредственно перед тележкой необходимо положить полоску бумаги в виде буквы «П».

α

направляющая плоскость

полоска бумаги

тележка (m₂)

m₁

L

H β

0 0

О х

Рис.1 Схема экспериментальной установки

В работе наблюдается соударение шарика с тележкой. Часть первоначальной энергии шарика передаётся во время соударения тележке, и тележка поднимается вверх вдоль плоскости на некоторое расстояние L. Начальная энергия шарика определяется углом его отклонения от вертикали (высотой подъёма h): Е₀ = m₁gh. Так как тележка снабжена магнитами, то при её движении трением о стенки плоскости можно пренебречь. Значит, энергия тележки определяется выражением: Е_т = m₂gLsinβ. Удар шарика с тележкой неупругий. Поэтому часть энергии шарика теряется. Систему «шарик+тележка+плоскость» можно считать замкнутой и применить закон сохранения импульса: m₁v₀ = m₁v₁ + m₂v₂. Скорости шарика до удара и тележки сразу после удара находим по формулам: v₀ = , v₂ = . Тогда, скорость шарика после удара будет равна:v₁ = – . Энергия шарика после удара: Е₁ = ( – )². Потери энергии равны: Q = ∆Е = Е₀ – Е₁ = m₁gh – (– )². Массы шарика и тележки измеряем на весах. Высоту подъёма шарика измеряем линейкой, закреплённой в упоре. Угол α измеряем транспортиром, закреплённым в точке подвеса шарика.

Практическая часть работы

1.Собрать экспериментальную установку для изучения соударений тел. Отрегулировать соприкосновение шарика с тележкой. Полоска бумажная «П» после скатывания тележки должна оставаться в верхней точке плоскости. Если этого не происходит, то необходимо отрегулировать.

2.Отклоните маятник на некоторый угол α от вертикали и измерьте высоту h.

3.Отпустите шарик, и дайте ему ударится о тележку.

4.Определите путь L, пройденный тележкой по измерительной ленте, закреплённой на плоскости с помощью полоски бумаги «П».

5.Вычислите каким-либо способом угол β.

6.Измерьте массы шарика и тележки.

7.Вычислите энергию шарика до удара и энергию тележки сразу после удара.

8.Изменяя угол отклонения шарика, проделайте несколько раз пункты 2-4.

9.Все измерения и вычисления занесите в таблицу №1 (смотри ниже).

Таблица №1. Экспериментальные данные по соударениям

α, град	h, м	m1, кг	m2, кг	L, м	Е0, Дж	Ет, Дж

10.Оцените потери энергии шариком при ударе его о тележку для каждого опыта. Результаты занесите в таблицу №2.

Таблица №2. Потери энергии при ударе

α, град
Q, Дж

11.Построить график зависимости Q(α).

12.Сделайте вывод.

13.Сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №6

Измерение основных параметров воздуха в классе

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, часы или секундомер, груз (гиря), верёвочка (длиной 15 м), пробирка (или стеклянная трубка запаянная с одного конца), пробка или кусок пластилина, цилиндрический сосуд с холодной водой, цилиндрический сосуд с горячей водой, термометр, линейка, кусочек ваты или марли, скотч, ножницы, психрометрическая таблица.

Теоретическая часть работы

Любая система с большим числом частиц (например, воздух в классной комнате), характеризуется различными параметрами (макроскопическими и микроскопическими). К макроскопическим можно отнести такие: давление (р), объём (V), температура (Т), плотность (ρ), концентрация (n), влажность (φ). К микроскопическим параметрам относятся такие: масса молекулы (m₀), кинетическая энергия молекулы (Е₀), импульс (р), скорость (v).

В данной работе проводится измерение макроскопических параметров. В качестве рабочего тела взят воздух в классной комнате. В его состав входят различные газы (кислород, азот, водород, углекислый газ и др.). Эти газы можно считать идеальными и применять к ним законы молекулярной физики. Также в состав воздуха входит водяной пар. Поэтому в ходе работы выполняется определение относительной влажности воздуха.

В молекулярной физике есть уравнение, связывающее некоторые макроскопические параметры. Его называют уравнение Менделеева-Клапейрона (или уравнение состояния): pV = νRT, где p – давление газа, V – объём, занимаемый воздухом (объём кабинета), Т – абсолютная температура воздуха, ν = m/μ – количество вещества (m – масса воздуха, μ = 0,029 кг/моль – молярная масса воздуха). Влажность воздуха вычисляется по формуле: φ = (р/р_н)100%, где р – парциальное давление водяного пара, р_н – давление насыщенного водяного пара (определяется из таблиц).

Для измерения температуры воздуха в классе используется термометр: Т = t + 273 (К). Для определения объёма класса воспользуемся формулой V = abc, где а – длина комнаты, b – ширина комнаты, с – высота комнаты. Эти параметры определяем с помощью математического маятника. Используя формулу для собственного периода колебаний нитяного маятника, выразим его длину: L = Т²g/4π, где g = 9,8 м/с², π = 3,14. Верёвочкой измеряется длина кабинета. Затем она складывается несколько раз (n) в верёвку длиной примерно 1,5 м. К одному концу привязывается груз (гиря), другой закрепляется в лапке штатива. Измеряется время N = 50 полных колебаний и рассчитывается длина маятника. Тогда длина кабинета вычисляется по формуле: а = ngt²/4π²N². Аналогично измеряем ширину и высоту кабинета. Затем рассчитываем его объём.

Для определения давления воздуха в кабинете используем небольшую стеклянную трубку с пробкой. Опустим трубку открытой частью вверх в сосуд с горячей водой (см. рис.1 ниже). Примерно через 5 минут закроем трубку пробкой. Далее быстро опустим эту трубку в сосуд с холодной водой и под водой откроем пробку (трубку вынимать из воды нельзя). По мере остывания воздуха в трубке в неё будет входить вода. Как только закончится подъём воды в трубке, измеряем высоту столба воздуха (h₂) в ней с помощью линейки. Вынув трубку из воды, измеряем её длину (h₁). Далее находим высоту столба воды в трубке h = h₁ – h₂. По формуле р = ρghh₂/(h₁ – h₂) вычисляем давление в классе (ρ = 1000 кг/м³).

горячая вода

Рис.1 Измерение давления воздуха.

Зная давление, объём и температуру воздуха в классе, вычисляем массу воздуха: m = pVμ/RT. Можно вычислить и плотность воздуха в классе по формуле: ρ₁ = pμ/RT.

Для определения относительной влажности воздуха в классе обернём термометр ватой или марлей. Смочив краешек ваты в стакане с водой, будем наблюдать за показаниями термометра. Как только они закончат изменяться, зафиксируем температуру (t_вл). Зная температуру воздуха в классе, находим разность показаний: ∆t = t_c – t_вл. По психрометрической таблице (смотри сборник задач) находим значение относительной влажности воздуха в классе (φ).

Практическая часть работы

1.Првести измерения длины (а), ширины (b) и высоты (с) кабинета указанным выше методом и вычислить объём кабинета.

2.Термометром измерить температуру в кабинете.

3.Определить давление в кабинете указанным выше методом.

4.Рассчитать массу воздуха в кабинете и его плотность. Оценить погрешность измерения массы и плотности воздуха.

5.Определить влажность воздуха в кабинете указанным выше методом и по прибору (гигрометру). Сравнить расчётное значение с измеренным по прибору.

6.Ответить на контрольные вопросы:

А) Какие факторы влияют на точность измеряемых величин?

Б) Какие параметры воздуха могут изменяться в кабинете? Почему?

7.Сделать общий вывод и сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №7

Определение удельной теплоты парообразования воды

Оборудование: электроплитка, часы или секундомер, измерительный цилиндр, цилиндрический металлический сосуд (алюминиевый или стальной), термометр, деревянная лопатка или кусок поролона, воронка.

Теоретическая часть работы

В данной работе требуется определить удельную теплоту парообразования воды. Эта величина определяется по изменению уровня воды в сосуде при выкипании. Для нагревания воды в сосуде в работе используется электроплитка постоянной мощности Р. Чтобы тело массой m₁ нагреть от начальной температуры t_н до температуры кипения t_к, необходимо затратить некоторое количество теплоты Q₁ = Рt₁, где t₁ – время нагревания воды до кипения. В работе нагревается не только вода в сосуде, но и сам сосуд. Согласно закону сохранения энергии имеем: Рt₁ = (с₁m₁ + c₂m₂)∆t, где с₁ – теплоёмкость материала сосуда (в таблице теплоёмкостей), с₂ = 4200 Дж/(кг•К) – удельная теплоёмкость воды, m₁ – масса сосуда, m₂ – масса налитой в сосуд воды, ∆t – изменение температуры сосуда и воды при нагревании. Если дать воде покипеть некоторое время, то часть её испарится. Для процесса кипения можно записать: Рt₂ = rm₃, где t₂ – время кипения воды, m₃ – масса испарившейся воды. Используя записанные соотношения, получаем формулу для вычисления удельной теплоты парообразования воды: r = (с₁m₁ + c₂m₂)∆t• t₂/m₃t₁. Массу налитой в сосуд воды можно найти по формуле: m₂ = ρV_н, где V_н – начальный объём налитой воды. Массу испарившейся воды можно найти по формуле: m₂ = ρ∆V, ∆V – объём испарившейся воды. Тогда удельная теплота парообразования воды равна: r = (с₁m₁ + ρc₂V_н)∆t• t₂/ρ∆Vt₁, где плотность воды принять равной ρ = 1000 кг/м³. При выполнении работы желательно сосуд с водой во время нагревания закрыть крышкой. Диаметр сосуда желательно взять примерно равным диаметру электроплитки.

Практическая часть работы

1.Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений (см. ниже).

Таблица 1. Экспериментальные результаты.

с1, Дж/(кг•К)	с2, Дж/(кг•К)	m1, кг	Vн, мл	∆V, мл	ρ, кг/м3	∆t, град	t1, с	t2, с	r, МДж/кг
	4200		100		1000

2.Определите по таблицам удельную теплоёмкость материала цилиндрического металлического сосуда. Спросит у учителя массу сосуда без воды.

3.Налейте в измерительный цилиндр V_н = 100 мл воды. Перелейте воду (аккуратно, через воронку) из измерительного цилиндра в цилиндрический металлический сосуд и измерьте её начальную температуру t_н. Закройте сосуд крышкой.

4.Поставьте сосуд с водой на электроплитку и нагревайте его до кипения. Зафиксируйте время нагревания воды в сосуде до кипения.

5.Позвольте воде покипеть некоторое время. Не забудьте это время зафиксировать. Во время кипения воды крышку с сосуда снять и измерить температуру кипения воды. Определить разность температур ∆t и выключите электроплитку из сети.

6.Снять сосуд с водой (аккуратно) с электроплитки и перелить её (с помощью воронки) в измерительный цилиндр. Определить конечный объём воды V_к и найти объём выкипевшей воды. Сосуд поставить на деревянную лопатку.

7.По имеющимся данным рассчитать удельную теплоту парообразования воды и сравнить её с табличной. Оценить погрешность вычислений.

8.Ответить на контрольный вопрос: какие потери энергии были допущены при проведении работы и как их можно было бы избежать?

9.Сделать вывод и сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №8

Изучение распространения механических волн на примере стоячей волны

Оборудование: часы или секундомер, линейка, штатив с муфтой и лапкой, бюретка с зажимом, блюдце (2-3 разного диаметра), сосуд с водой.

Теоретическая часть работы

В данной работе требуется определить скорость распространения волны по поверхности жидкости (воды). Скорость распространения волны на поверхности жидкости определяется с помощью создания стоячей волны. Стоячая волна – волна, образующаяся при наложении (интерференции) двух бегущих волн одинаковой частоты и амплитуды, распространяющихся навстречу друг другу. Максимально возможная амплитуда колебаний в такой стоячей волне равна 2А, где А – амплитуда бегущей волны. Условие образования стоячей волны: n = 2R/λ, где R – расстояние до препятствия, λ – длина волны, n = 0, 1, 2, … . Учитывая, что длина волны λ, скорость её распространения v и частота ν связаны соотношением λ = v/ν, получаем: v = 2Rν/n. Если частота колебаний частиц среды определяется по формуле ν = N/t, то получаем: v = 2RN/tn.

Практическая часть работы

1.Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений (см. ниже).

Таблица 1. Экспериментальные данные.

№ опыта	R, м	n	N	t, с	ν, с–1	v, м/с
1
2
3

2.Укрепить в штативе бюретку с водой (зажим на бюретке должен быть закрыт) и поставить под ней блюдце.

3.Открывая зажим, получить на поверхности воды в блюдце волну.

4.Подобрать такую частоту падения капель в центре блюдца, при которой на поверхности воды образуется стоячая волна.

5.Измерьте время t вытекания N капель (например, N = 20) и рассчитайте частоту ν.

6.Подсчитайте число стоячих волн n, укладывающихся на радиусе блюдца (глаза наблюдателя должны быть чуть выше уровня воды в блюдце).

7.Рассчитайте скорость распространения волны v.

8.Повторите эксперименты с другими блюдцами.

9.Оцените погрешность вычислений.

10.Ответьте на контрольные вопросы:

А) При каких условиях наблюдается явление интерференции механической волны?

Б) Происходит ли перенос вещества при распространении волны? Почему?

11.Сделайте вывод.

12.Сдать работу на проверку.

Лабораторный практикум №9

Изучение механических свойств твёрдого тела

Оборудование: динамометр (0 ÷ 4 Н), резиновый образец (круглого или квадратного сечения), зажимы, линейка, миллиметровка.

Теоретическая часть работы

В данной работе проводится исследование зависимости силы упругости от абсолютного удлинения образца (резины). По результатам исследования определяется жёсткость резины, модуль Юнга, строятся графики зависимости силы упругости от абсолютного удлинения резины, механического напряжения от относительной деформации.

В работе рассматриваются упругие деформации участок ОА на рисунке 1.

σ

В

σ₀ А

0 ε₀ ε

Рис. 1 Диаграмма напряжений.

На первом этапе необходимо провести исследование зависимости относительной деформации от приложенной силы и построить график полученной зависимости. Для этого берут кусок резины (тонкий образец). С помощью зажима закрепляют один конец у края парты. Второй конец резины через другой зажим подсоединяют к динамометру и начинают медленно растягивать в горизонтальном направлении. При этом силу изменяют динамометром с интервалом 0,1 Н. Перед тем как растягивать резину измеряют её начальную длину (L₀). Далее фиксируют длину куска резины (L) для каждого значения силы (F). Данные заносят в таблицу №1.

Таблица №1 Экспериментальные данные для построения зависимости относительного удлинения резины от внешней силы.

F, Н	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
L, мм	0
∆L, мм	0
ε	0

После построения зависимости необходимо определить границы ε₀ и F₀, внутри которых выполняется закон Гука. Затем определяется модуль Юнга по формуле: Е = FL/S∆L. Площадь поперечного сечения образца определяется по формуле: S = πd²/4. Диаметр полоски резины можно определить способом рядов. Для этого на линейку наматывается вплотную несколько витков используемой в работе резины. Определяется длина ряда и количество витков (резина при намотке не должна сильно растягиваться). Далее по формуле вычисляется диаметр куска резины: d = a/N, a – длина ряда, N – число витков в ряду. Модуль Юнга, согласно закону Гука, численно равен напряжению σ₀, при котором относительная деформация равна ε₀ = 1 (∆L = L₀). Механическое напряжения σ₀ можно найти по формуле: σ₀ = 4F₀/πd². Требуется сравнить Е и Е₀.

Сделайте развёрнутый вывод и сдайте работу.

Лабораторный практикум №10

Определение максимальной электроёмкости воздушного конденсатора переменной ёмкости

Оборудование: воздушный конденсатор переменной ёмкости, штангенциркуль.

Теоретическая часть работы

В данной работе необходимо определить максимальную электроёмкость конденсатора переменной ёмкости. Конденсатор – это система двух проводников, разделённых слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. В работе используется воздушный конденсатор переменной ёмкости, который представляет собой систему параллельно соединённых конденсаторов, число которых на единицу меньше числа пластин. Электроёмкость такой системы можно вычислить по формуле: С = ɛ₀S(n – 1)/d, где S – площадь каждой пластины (м²), ɛ₀ = 8,85•10^–12 Ф/м – электрическая постоянная, n – число пластин, d – расстояние между соседними пластинами (м).

Практическая часть работы

1.Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений (см. ниже).

Таблица 1. Экспериментальные данные.

D, м	S, м2	n	d, м	dср, м	С, Ф

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

3.Измерьте штангенциркулем диаметр одной пластины D и вычислите её площадь S = πD²/4.

4.Подсчитайте число пластин n.

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

6.Вычислить среднее значение d_ср = (d₁ + d₂ + d₃ + d₄ + d₅)/5.

7.Вычислите максимальную электроёмкость конденсатора.

8.Оцените погрешность проведённых измерений и вычислений.

9.Определите минимальную электроёмкость конденсатора переменной ёмкости.

10.Сделайте вывод и сдайте работу на проверку.