Методические указания к лабораторным работам по физике для технических специальностей

Департамент образования Ивановской области

Областное государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

«Ивановский промышленно-экономический колледж»

ЦИКЛОВАЯ МЕТОДИЧЕСКАЯ КОМИССИЯ

ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Методические указания

к лабораторным работам

по дисциплине ОУД.08 Физика

по дисциплине

Физика

для студентов технических специальностей 1 курса

Иваново 2024 г.

Составители¹: Крестниковская Е. А.

Методическая разработка урока «Методические указания к лабораторным работам» по дисциплине ОУД.08 Физика для студентов технических специальностей 1курса/ сост. Крестниковская Е. А. – Иваново: ОГБПОУ ИВПЭК, 2024.

Методические указания содержат описание лабораторных работ, предусмотренных программой для всех специальностей технического профиля, а также контрольные вопросы двух уровней сложности.

Данная методическая разработка предназначена для использования при проведении лабораторных работ по дисциплине Физика для студентов технических специальностей.

Одобрено на заседании ЦМК Естественно-научных и математических дисциплин

Протокол № 5 от «11» января 2024 г.

Председатель ЦМК: Кузнецова О.С.

© Областное государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение «Ивановский промышленно-

экономический колледж», 2024

© Е. А. Крестниковская, 2024

Содержание

	стр.
Предисловие	4
Об измерении физических величин	4
Правила оформления отчета по лабораторной работе	6
Лабораторная работа № 1 ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА	6
Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ РОСЫ, АБСОЛЮТНОЙ И ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА	8
Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ БАТАРЕИ КОНДЕНСАТОРОВ	11
Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕДИ	13
Лабораторная работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТОКА	15
Лабораторная работа № 6 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ	17
Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЕЕ ЗАЖИМАХ	20
Лабораторная работа № 8 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ	22
Лабораторная работа № 9 ИНДУКТИВНОЕ И ЕМКОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА	25
Лабораторная работа № 10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА	30
Лабораторная работа № 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ	33
Лабораторная работа № 12 НАБЛЮДЕНИЕ СПЛОШНОГО И ЛИНЕЙЧАТОГО СПЕКТРОВ	36
Лабораторная работа № 13 ИЗУЧЕНИЕ КАРТЫ ЗВЕЗДНОГО НЕБА	40
Библиографический список	42

Предисловие

Цель настоящего издания – оказать помощь учащимся в подготовке к лабораторным и практическим работам и их выполнении, а также облегчить работу преподавателя по организации и проведению лабораторных и практических занятий.

Методические указания содержат описание лабораторных, предусмотренных программой для всех специальностей технического профиля, а также контрольные вопросы двух уровней сложности.

Для более эффективного выполнения лабораторных и практических работ студентам необходимо повторить соответствующий теоретический материал (см. предлагаемую литературу), а на занятиях, прежде всего, внимательно ознакомиться с содержанием работы и оборудованием, строго соблюдать правила по технике безопасности, все измерения производить с максимальной тщательностью, для вычислений использовать микрокалькулятор.

Для оформления отчета по выполненной лабораторной работе можно предложить студентам «Журнал для отчетов по лабораторным и практическим работам по физике».

В качестве допуска к лабораторной и практической работе студент выполняет задания теста (см. «Тесты к лабораторным работам»). По окончании выполнения работы студенты закрепляют знания по теме, отвечая на контрольные вопросы. I-й уровень сложности соответствует оценке «три», II-й уровень сложности соответствует оценке «пять» (при условии, что выполнен и I уровень) или оценке «четыре» (если даны верные ответы на вопросы только II уровня).

Об измерении физических величин

Физика является опытной наукой. Основная задача физического опыта – это определение числовых значений физических величин и установление количественных зависимостей между ними. Процесс выполнения опыта состоит из двух этапов: 1 - измерение величин и 2 - обработка результатов измерений.

Рассмотрим первый этап: измерение величин. Измерить величину – значит сравнить ее с однородной величиной, условно принятой за единицу измерения. Единицу любой физической величины можно установить произвольно. Но это приведет к значительному усложнению физических законов из-за всевозможных переводных коэффициентов. Кроме того, использование различных единиц измерения в разных странах затрудняло бы торговые отношения, обмен новостями в области науки и техники. Поэтому в 1960 году была принята Единая универсальная международная система единиц, названная СИ. Она состоит из семи основных единиц, двух дополнительных и большого числа производных (то есть определяемых по уравнениям с помощью основных).

За основные приняты следующие единицы:

МЕТР – единица длины (м);

КИЛОГРАММ – единица массы (кг);

СЕКУНДА – единица времени (с);

АМПЕР – единица силы тока (А);

КЕЛЬВИН – единица температуры (К);

МОЛЬ – единица количества вещества (моль);

КАНДЕЛА – единица силы света (кд).

За дополнительные приняты:

РАДИАН – единица измерения плоского угла (рад);

СТЕРАДИАН – единица измерения телесного угла (ср).

Измерения бывают прямые и косвенные.

При прямых измерениях числовое значение измеряемой величины получают либо прямым сравнением с мерой, либо с помощью приборов, проградуированных в единицах измеряемой величины.

При косвенных измерениях сначала определяют некоторые величины, связанные известной закономерностью с измеряемой величиной, а затем вычисляют измеряемую величину.

При любых измерениях мы получаем лишь приближенные значения. Это связано с погрешностями измерений: приборной, систематической, случайной и промахом.

Приборная погрешность определяется точностью прибора, с помощью которого произведено измерение (например, миллиметровая линейка измеряет длину с меньшей точностью, чем штангенциркуль). Обычно точность прибора определяется ценой его наименьшего деления.

Систематические погрешности вызываются неисправностью прибора (неуравновешенные весы), ошибочностью метода измерения или односторонним постоянным внешним воздействием. Эти погрешности можно устранить, заменив неисправный прибор на исправный, усовершенствовав метод измерения или внеся в результат необходимые поправки на одностороннее воздействие.

Случайные погрешности вызываются той неточностью, которой неизбежно сопровождается наблюдение показаний приборов, а также неточностью отсчетов, которую непроизвольно может внести всякий экспериментатор. Эти погрешности могут как увеличить, так и уменьшить значение измеряемой величины. Их невозможно исключить, но их влияние можно уменьшить путем многократных измерений.

Промахи (или грубые погрешности) обусловливаются небрежностью отсчета по прибору, неправильным включением прибора или другими нарушениями условий измерения. Если в отдельном измерении результат резко отличается от наметившейся закономерности, то это – промах и необходимо провести повторное (контрольное) измерение.

Рассмотрим второй этап: обработка результатов измерений.

Он включает в себя:

- вычисление физической величины при косвенном ее измерении;

- сравнение измеренной физической величины с ее табличным значением;

- вычисление абсолютной и относительной погрешностей;

- построение графика зависимости между физическими величинами.

Абсолютной погрешностью назовем модуль разности измеренной величины и ее табличного значения: а = |а_табл – а_измер|. Абсолютная погрешность не дает представления о точности измерения. Точность измерения оценивается введением относительной погрешности.

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к значению измеренной величины, выраженное в процентах: %.

Правила оформления отчета по лабораторной работе

1. Дата выполнения.

2. Номер лабораторной (практической) работы.

3. Название лабораторной (практической) работы.

4. Цель работы.

5. Ответы на вопросы теста.

6. Перечень приборов и оборудования.

7. Схема установки (или ее зарисовка).

8. Таблица результатов измерений и вычислений.

9. Обработка результатов измерений.

10. Выводы из полученных результатов измерений и наблюдений.

11. Ответы на контрольные вопросы.

Лабораторная работа № 1

Опытная проверка закона Бойля-Мариотта

Т еория. Уравнение Менделеева-Клапейрона (p∙V=(m/M)∙R∙T) выражает связь между макропараметрами идеального газа (давлением-p, объемом-V, массой-m, молярной массой-М, абсолютной температурой-Т) в состоянии термодинамического равновесия, то есть в таком состоянии, когда ни один из макропараметров не изменяется с течением времени. Если один или несколько макропараметров изменяются, то в газе происходит процесс расширения, сжатия, нагревания, охлаждение и др. Пусть масса, молярная масса и абсолютная температура идеального газа остаются постоянными, а давление и объем изменяются. Такой процесс называется изотермическим.

Цель работы. Исследовать, как изменяется объем при изменении давления определенной массы газа при постоянной температуре, и установить соотношение между ними.

Оборудование.

1. Стеклянный цилиндр высотой 40 см.

2. Стеклянная трубка длиной 40-50 см, закрытая с одного конца.

3. Измерительная линейка с миллиметровыми делениями.

4. Баротермогигрометр.

5. Лабораторный штатив.

Краткие пояснения. Закон Бойля-Мариотта можно сравнительно просто проверить с помощью несложного оборудования. Если в цилиндр 1 опустить открытым концом вниз трубку 2, то воздух в ней будет находиться под давлением р = Н+ , где Н атмосферное давление, выраженное в миллиметрах ртутного столба, h-разность уровней воды, измеренная в миллиметрах, в цилиндре и в трубке. Объем воздуха в трубке V=S∙L, где L -длина трубки с воздухом, а S - площадь ее поперечного сечения (а следовательно, и воздуха). Если S постоянна, то числовое значение L можно принять за значение объема в условных единицах. При изменении глубины погружения трубки изменяется объем и давление воздуха в ней. Исследуйте зависимость между этими величинами.

Ход работы

1. Измерить барометром атмосферное давление H (мм рт. ст.).

2. Погрузить в воду трубку открытым концом вниз на максимальную глубину. Измерить длину столбика воздуха в трубке - L и разность уровней воды в ней и цилиндре - h.

3. Повторить измерения для двух меньших погружений трубки. 4.Вычислить произведения (H+h/13,6)∙L для всех трех опытов.

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

Номер опыта	H, мм рт. ст.	h, мм		L (V), мм	, у.е.
1
2
3

6. Сравнить результаты произведений p∙V во всех трех опытах.

7. Сделать выводы.

8. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Почему в данной работе объем воздуха можно выражать в условных единицах?

2. Как выглядит график изотермического процесса в координатах pV, VT и pT?

3. Дать понятие идеального газа. Почему закон Бойля-Мариотта для идеального газа применим для воздуха (реального газа) в данной работе?

II уровень

1. Объяснить закон для изотермического процесса, пользуясь молекулярно-кинетической теорией.

2. В баллоне объемом 10 м² находится водород под давлением 2,03 МПа. Какой объем понадобился бы для хранения такого же количества водорода при нормальном атмосферном давлении и при той же температуре?

3. Воздух находится под давлением 50,65 кПа. Как изменится его объем, если давление станет равным 0,2026 МПа? Температура постоянная.

Лабораторная работа № 2

Определение точки росы, абсолютной и относительной

влажности воздуха

Теория. В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью.

Абсолютная влажность показывает, сколько водяного пара (по массе) содержится в 1 м воздуха при данной температуре. В этом случае она измеряется в единицах плотности: кг/м . Абсолютная влажность измеряется также в единицах давления: мм рт. ст. или Па. Тогда она характеризует давление, которое оказывали бы водяные пары в отсутствие молекул воздуха, занимая тот же объем и находясь при той же температуре.

Абсолютную влажность можно определить по температуре точки росы – температуре, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. Температуру точки росы определяют с помощью конденсационного гигрометра, а затем по таблице «Давление насыщающих паров и их плотность при различных температурах» находят соответствующую температуре точки росы плотность (или давление). Найденная плотность (или давление) и есть абсолютная влажность окружающего воздуха.

Относительная влажность воздуха есть физическая величина, показывающая, сколько процентов составляет абсолютная влажность от плотности (или давления) водяного пара, насыщающего воздух при данной температуре: В= % или В= %.

Цель работы. Определить точку росы, абсолютную и относительную влажность воздуха при помощи конденсационного гигрометра, психрометра и сравнить результаты с показанием баротермогигрометра и между собой.

Оборудование.

1. Гигрометр конденсационный.

2. Гигрометр самодельный.

3. Термометр лабораторный.

4. Кусочек ваты или марли.

5. Вода комнатной температуры.

6. Кусочек льда.

7. Баротермогигрометр.

8. Психрометрическая таблица.

9. Таблица «Давление насыщающих паров и их плотность при различных температурах».

Ход работы

I. Определение точки росы при помощи гигрометра.

1. Заполнить шар самодельного гигрометра (тонкостенный полый шар с зеркальной поверхностью из набора по электростатике, установленный на подставке) водой комнатной температуры не более чем на ¾ его объема.

2. Определить температуру (t ) воздуха в помещении, а затем поместить термометр в шар.

3. Опустить в воду кусочек льда (или снега) и внимательно следить за зеркальной поверхностью шара. Как только поверхность шара станет матовой, определить температуру воды. Она соответствует температуре, называемой точкой росы (t ).

4. По таблице «Давление насыщающих паров и их плотность при различных температурах» определить плотность водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре: (при t ) и плотность пара при температуре точки росы: (при t ).

5. Определить относительную влажность воздуха.

6. Полученные данные занести в таблицу результатов измерений и вычислений.

II. Определение относительной и абсолютной влажности воздуха при помощи психрометра.

1. Определить температуру в помещении при помощи сухого термометра (t ).

2. Обернуть резервуар термометра кусочком влажной марли и наблюдать за понижением его показаний. Как только понижение температуры прекратится, записать показания влажного термометра (t ).

3. Рассчитать разность показаний сухого и влажного термометров (t -t ).

4. Пользуясь психрометрической таблицей, определить относительную влажность воздуха (В).

5. По температуре сухого термометра с помощью таблицы «Давление насыщающих паров и их плотность при различных температурах» найти плотность водяного пара: (t =t ).

6. Выразить абсолютную влажность воздуха ( ) из формулы для определения относительной влажности и рассчитать ее.

7. Полученные данные занести в таблицу результатов измерений и вычислений.

Название прибора	Конденсационный гигрометр	Психрометр
tвозд = t , ◦ С
t ,
∆t = tC – tВ, ◦ С
t , ◦ С
,
В,%
В,%

III. Определение относительной погрешности измерений ( В).

1. Определить относительную влажность по баротермогигрометру.

2. Вычислить относительную погрешность измерений:

В= %

1. Сравнить результаты определения относительной и абсолютной влажности с помощью конденсационного гигрометра и психрометра.

IV. Сделать выводы из этих опытов.

V. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. В морозный день в открытую форточку натопленной комнаты «валит» густой пар. Почему?

2. Врачи для исследования горла или зубов иногда вводят в рот пациента зеркальце. При этом зеркальце предварительно нагревают несколько выше . Зачем?

3. Почему температура «влажного» термометра психрометра ниже, чем «сухого»? От чего зависит разность температур обоих термометров? В каком случае температура «влажного» термометра будет равна температуре «сухого»?

4. Показания термометров психрометра: t , . Какова относительная влажность воздуха?

II уровень

1. Воздух при температуре 303 К имеет точку росы при 286 К. Определить абсолютную и относительную влажность воздуха.

2. Относительная влажность воздуха 80 %, а температура 17 . Какова абсолютная влажность воздуха?

3. При 20 относительная влажность воздуха составила 60 %. Сколько воды в виде росы выделится из каждого кубического метра воздуха, если температура понизилась до 8 ?

Лабораторная работа № 3

Определение электрической емкости батареи конденсаторов

Теория. Конденсатор представляет собой два проводника, называемых обкладками и разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Важнейшей характеристикой любого конденсатора является его электрическая емкость С - физическая величина, равная отношению заряда Q конденсатора к разности потенциалов U между его обкладками: C= . Электроемкость выражается в СИ в фарадах – Ф. Накопление зарядов на обкладках конденсатора называется его зарядкой. Чтобы зарядить конденсатор, нужно соединить его обкладки с двумя полюсами источника электрической энергии. Нейтрализация зарядов конденсатора при соединении его обкладок проводником называется разрядкой. Конденсатор можно разрядить через гальванометр. Тогда стрелка прибора отклонится на определенное число делений. Если заряжать конденсатор постоянной емкости от одного и того же источника постоянного напряжения (U=const), а затем разряжать его через гальванометр, то стрелка гальванометра всякий раз будет отбрасываться по шкале на одно и то же число делений. При конденсаторах иной емкости гальванометр покажет иную величину отброса стрелки. Очевидно, имея конденсаторы известной емкости (эталоны), можно экспериментальным путем убедиться, что отброс стрелки гальванометра n прямо пропорционален С – величине емкости конденсатора (n=kC сравните с формулой Q=UC), и определить коэффициент пропорциональности (k= ), выражающий собой число делений, приходящихся на 1 мкФ. А, зная коэффициент и повторив опыт с конденсатором неизвестной емкости, можно по отбросу стрелки гальванометра определить емкость этого конденсатора.

Цель работы. Определить электроемкость батареи конденсаторов.

Оборудование.

1. Источник электрической энергии 6 В.

2. Миллиамперметр.

3. Конденсаторы (3-4 шт.) известной емкости (1-6 мкФ).

4. Конденсатор неизвестной емкости.

5. Двухполюсный переключатель.

6. Соединительные провода.

Х од работы

1. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке. В цепи установить один из конденсаторов известной емкости.

2. После проверки схемы преподавателем конденсатор зарядить, для этого соединить его (переключателем) на короткое время с источником электрической энергии.

3. Сосредоточив внимание на миллиамперметре, быстро замкнуть конденсатор на измерительный прибор и определить число делений, соответствующее максимальному отклонению стрелки.

4. Опыт повторить для более точного определения числа делений n и вычислить отношение найденного количества делений к емкости взятого конденсатора.

5. Опыт повторить 2-3 раза с другими конденсаторами известной емкости.

6. Результаты измерений, вычислений записать в таблицу.

Номер опыта	Емкость эталонного конденсатора С, мкФ	Число делений по шкале миллиамперметра n	Коэффициент пропорциональности k=n/C, 1/мкФ
1
2

7. Определить среднее значение коэффициента пропорциональности:

k_ср = .

8. Опыт повторить с конденсатором неизвестной емкости С . Определить в этом случае число делений и найти емкость из соотношения

С_х = .

9. Узнать у преподавателя емкость исследуемого конденсатора и, приняв ее за табличное значение, определить относительную погрешность: %.

10. Сделать вывод.

11. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Конденсатор в переводе - сгуститель. По какой причине прибору дано такое странное название?

2. В чем сущность указанного метода определения емкости конденсатора?

3. Объяснить, можно ли соотношение С= прочесть так: емкость конденсатора прямо пропорциональна его заряду и обратно пропорциональна напряжению между его обкладками?

II уровень

1. Чему равен радиус металлического шара емкостью 1 Ф?

2. От чего и как зависит емкость плоского конденсатора? Записать формулу этой емкости.

3. Какую опасность представляют обесточенные цепи с имеющимися в них конденсаторами? Что следует сделать после размыкания такой цепи?

4. Можно ли, имея два одинаковых конденсатора, получить емкость, вдвое меньшую или вдвое большую, чем у одного из них? Если можно, то как это сделать?

Лабораторная работа № 4

Определение термического коэффициента

сопротивления меди

Теория. Электрическим сопротивлением принято считать одну из характеристик электрических свойств участка цепи, определяющую упорядоченное перемещение носителей тока на этом участке. При увеличении температуры атомы кристаллической решетки начинают интенсивное тепловое движение, чем увеличивают сопротивление материала. Удельное сопротивление R проводников зависит от температуры: ,где - сопротивление меди при 0 С; - разность конечной и начальной температур; температурный коэффициент сопротивления - относительное изменение сопротивления проводника при нагревании его на один градус: .

Для металлов и сплавов в интервале 0 - 100 °С значение температурного коэффициента сопротивления изменяется в пределах .

Д ля экспериментального определения α необходимо дважды измерить сопротивление исследуемого металла и при разных температурах и . Учитывая, , что имеем: ;

Цель работы. Определить температурный коэффициент сопротивления меди.

Оборудование.

1. прибор для определения температурного коэффициента сопротивления меди (см. рисунок: состоит из тонкой медной проволоки 1, намотанной на картонный цилиндр 3, соединенный с клеммами 2 и помещенный в стеклянную пробирку 4.),

2. омметр,

3. термометр,

4. колба с водой,

5. э лектроплитка,

6. соединительные провода,

7. миллиметровая бумага.

Ход работы

1. Ознакомиться с работой омметра.

2. Измерить сопротивление меди при комнатной температуре.

3. Опустить прибор для определения температурного коэффициента меди в колбу с горячей водой.

4. При температуре t измерить сопротивление меди. Опыт повторить 3-5 раз.

5. Вычислить по формуле .

6. Определить погрешность .

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

   №	Температура медной проволоки t,	Температура медной проволоки T, К	Сопротивление медной проволоки R, Ом	Температурный коэффициент сопротивления , К	Табличное значение , К	Среднее значение , К	Относительная погрешность , %
   1					0,0043
   2
   3
   4
   5
   6
   7
   8
   9
   10

1. Построить зависимость R(t) на миллиметровой бумаге.

2. Сделать вывод.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Какова физическая сущность электрического сопротивления?

2. Что такое температурный коэффициент сопротивления?

3. Назовите единицы измерения температурного коэффициента сопротивления.

4. У всех ли проводников температурный коэффициент сопротивления одинаковый? Почему?

5. Могут ли быть температурные коэффициенты сопротивления отрицательными?

6. Что происходит с сопротивление проводника при нагревании?

7. Где применяется зависимость сопротивления проводника от температуры?

8. Почему удельное сопротивление проводника зависит от рода материала?

9. Зависит ли удельное сопротивление от температуры?

10. Как измениться напряжение на участке электрической цепи, если медную проволоку на этом участке заменить никелиновой.

II уровень

1. Каково сопротивление 0,5 кг медной проволоки диаметром 0,3 мм?

2. Когда сопротивление электролампы накаливания больше: когда она горит, или когда не горит?

3. Сопротивление медного провода при температуре 10ºС равна 60 Ом. Определите его сопротивление при температуре -40 ºС.

4. Вольфрамовая нить электрической лампы накаливания имеет сопротивление 484 Ом при температуре 2100 ºС. Определить сопротивление нити при температуре 20 ºС.

Лабораторная работа № 5

Определение ЭДС и внутреннего

сопротивления источника тока

Теория. Для получения электрического тока в проводнике необходимо создать и поддерживать на его концах разность потенциалов (напряжение). Для этого используют источник тока. Разность потенциалов на его полюсах образуется вследствие разделения зарядов. Работу по разделению зарядов выполняют внутри источника тока сторонние (не электрического происхождения) силы. Сторонние силы - это силы, действующие против электрического поля и выполняющие работу за счет какой - либо энергии, подведенной извне.

Физическую величину, характеризующую зависимость электрической энергии, приобретенной зарядом в генераторе, от внутреннего устройства последнего, называют электродвижущей силой и обозначают ЭДС или Е. Она измеряется работой, совершенной сторонними силами при помещении единицы положительного заряда внутри источника тока: Е= (В).

Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней цепи с сопротивлением r. Согласно закону Ома для замкнутой электрической цепи, содержащей источник тока, сила тока в этой цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней и внутренней цепей: I= .

Электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника можно определить экспериментально. Если к одному и тому же источнику электрической энергии присоединять разные, заранее известные, сопротивления R и измерять каждый раз силу тока I, то, решив систему уравнений , можно вычислить Е и r.

Цель работы. Определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование

1. Источник электрической энергии.

2. Амперметр до 5 А.

3. Два резистора с сопротивлением 1÷4 Ом.

4. Переключатель.

5. Соединительные провода 4 шт.

Ход работы

1. Определить цену деления шкалы амперметра.

2 . Составить электрическую цепь по схеме (см. рисунок), переключатель поставить в среднее положение.

3. После проверки преподавателем замкнуть цепь, введя сопротивление R (меньшее), записать величину силы тока, разомкнуть цепь.

4.Замкнуть цепь, введя сопротивление R (большее), записать величину силы тока, разомкнуть цепь.

5. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии, пользуясь соотношениями, решив систему уравнений (см. выше).

6. Результат всех измерений и вычислений записать в таблицу.

Номер опыта	Источник электрической энергии	Сопротивление R, Ом	Сила тока I, А	ЭДС Е, В	Внутреннее сопротивление r, Ом
1
2

7. Вычислить среднее значение ЭДС.

8. Вычислить относительную погрешность определения ЭДС источника тока.

9. Сделать вывод.

10. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. К какому виду измерений относится определение ЭДС в данной работе?

2. Какова роль источника тока в электрической цепи?

3. Каков физический смысл ЭДС? Дать определение вольту.

4. Что называется внешней частью электрической цепи, а что внутренней?

5. Что называется током короткого замыкания источника?

II уровень

1. От чего зависит напряжение на зажимах источника тока?

2. Какова физическая суть внутреннего сопротивления источника тока?

3. При замыкании источника тока на сопротивление 3 Ом в цепи идет ток 2,5 А. При замыкании того же источника на сопротивление 4 Ом ток в цепи равен 2 А. Определить ток короткого замыкания источника.

4. На батарее карманного фонаря имеется надпись: ЭДС 4,5 В, а на лампочке указано напряжение 3,5 В. Почему допускается такая разница в напряжении?

Лабораторная работа № 6

Изучение законов последовательного и параллельного соединения проводников

Цель: изучить законы протекания тока через последовательно и параллельно соединенные проводники и определить формулы расчета сопротивлений таких участков.

Оборудование

1. Программа «Начала электроники»

2. Источник электрической энергии.

3. Мультиметр.

4. Четыре резистора с сопротивлением 1÷4 Ом.

5. Переключатель.

6. Соединительные провода 7 шт.

Ход работы

1. Соберите на монтажном столе электрическую схему, показанную на рисунке:

Выберите номиналы сопротивлений резисторов в соответствии со своим вариантом: R₁ = __ Ом; R₂ =__ Ом; R₃ = __Ом; R₄ =__Ом;

2. Определите экспериментально с помощью мультиметра (в режиме измерения сопротивлений переключатель на 200) сопротивление между точками:

А и С; С и D; B и D; A и D.

Запишите эти показания:

R_АС = __________________

R_СД = __________________

R_ВД = __________________

R_АД = __________________

3. Рассчитайте теоретические значения сопротивлений резисторов между указанными точками схемы и сравните их с измеренными.

R_АС = R₁ + R₂ =_____________________________________________________

R_СД = _______________________________________________________

R_ВД = R₂ + R_СД =_____________________________________________________

R_АД = R₁ + R_ВД =_____________________________________________________

Какие выводы можно сделать из этого опыта? Совпадают ли практические и теоретические значения на каждом участке электрической цепи?

АС:_________________________________________________________________СД:_________________________________________________________________ВД:_________________________________________________________________АД:_____________________________________________________________

4. Дополните цепь источником постоянного тока и ключом. Установите на источнике тока рабочее напряжение 1 В. Дополните рисунок этими элементами электрической цепи.

5. Измерьте с помощью мультиметра (в режиме измерения тока переключатель на 10) токи, текущие через каждое сопротивление. Для подключения амперметра уберите проводник справа или слева от резистора. Запишите показания прибора.

I₁ = ____________________

I₂ = ____________________

I₃ = ____________________

I₄ = ____________________

6. Проверьте экспериментально, что в последовательной цепи ток одинаков через все резисторы, а в параллельной цепи разделяется так, что сумма всех токов через параллельно соединенные элементы, равна полному току через весь участок.

I₁ = I₂ = ____________________

I_СД = I₃ + I₄ = _____________________________________________________

7. Измерьте с помощью мультиметра (в режиме измерения постоянного напряжения переключатель на 20) напряжения на каждом резисторе. Запишите показания прибора.

U₁ = ____________________

U₂ = ____________________

U₃ = ____________________

U₄ = ____________________

8. Проверьте экспериментально, что в последовательной цепи напряжение на всем участке равно сумме напряжений на каждом элементе, а в параллельной цепи, напряжение одно и то же на каждом элементе.

U_АС = U₁ + U₂ = _____________________________________________________

U₃ = U₄ = ____________________

9. Сделайте вывод:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Как соединены резисторы R₁ и R₂?

2. Как соединены резисторы R₃ и R₄?

3. Как рассчитать сопротивление последовательно соединенных резисторов?

4. Как рассчитать сопротивление параллельно соединенных резисторов?

5. При каком соединении резисторов:

А) сила тока в них одинакова

Б) напряжение в них одинаково

II уровень

Решить задачи:

1. О пределить общее (эквивалентное) сопротивление на участке АВ: R₁ = 10 Ом, R₂ = 20 Ом, R₃ = 30 Ом

1. О пределить общее (эквивалентное) сопротивление на участке АВ: R₁ = 10 Ом, R₂ = 20 Ом, R₃ = 30 Ом

1. Определить общее (эквивалентное) сопротивление на участке АВ:

R₁ = 10 Ом, R₂ = 20 Ом, R₃ = 30 Ом

Лабораторная работа № 7

Исследование зависимости мощности лампы накаливания от напряжения на ее зажимах

Теория. При замыкании электрической цепи на ее участке с сопротивлением R, током I и напряжением на концах U производится работа А: А=IUt=I² . Величина, равная отношению работы тока ко времени, за которое она совершается, называется мощностью Р: Р= . Следовательно, Р=IU=I . Анализ последнего выражения убеждает в том, что Р зависит от двух переменных. Зависимость мощности Р от напряжения U можно исследовать экспериментально.

Цель работы. Построив график зависимости мощности, потребляемой лампой, от напряжения на ее зажимах, определить характер этой зависимости.

Оборудование.

1. Источник постоянного электрического тока.

2. А мперметр.

3. Вольтметр.

4. Ключ.

5. Патроны.

6. Омметр.

7. Реостат ползунковый.

8. Соединительные провода.

9. Миллиметровая бумага.

10. Лампы накаливания.

Ход работы

1. Определить цену деления шкалы измерительных приборов.

2. Омметром измерить сопротивление нити лампы при комнатной температуре.

3. Составить цепь по схеме, соблюдая полярность приборов.

4. После проверки цепи преподавателем ключ замкнуть и при помощи реостата установить наименьшее значение напряжение. Записать показания вольтметра и амперметра.

5. Постепенно выводя реостат, записывать значения напряжения и тока. Поступать так, пока не будет достигнуто то напряжение, на которое рассчитана лампочка (номинальное напряжение). При этом необходимо снять 8-10 показаний.

6. Для каждого значения напряжения определить мощность Р=IU, потребляемую лампочкой.

7. Для каждого значения напряжения подсчитать:

а) сопротивление нити лампы по формуле R =U/I;

б) температуру нити лампы по формуле T=(R .

Учитывая небольшую погрешность, сопротивление лампы при комнатной температуре принять за R ( ).

8. Результат занесите в таблицу.

Номер опыта	Напряжение на зажимах лампы U, В	Сила тока в лампе I, А	Мощность, потребляемая лампой, Р, Вт	Сопротивление нити накала лампы R, Ом	Температура накала Т, К
1
2
…
10

9. На миллиметровой бумаге построить графики зависимости:

а) мощности, потребляемой лампой, от напряжения на ее зажимах;

б) сопротивления нити накала лампы от ее температуры.

По оси ординат откладывать соответственно мощность и сопротивление, по оси абсцисс – напряжение и температуру.

10. Проанализировать графики и сделать вывод.

11. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Как надо соединить потребители электрической энергии, чтобы выполнялись равенства: а) ; б) .

2. В паспорте электрического утюга написано «220 В, 600 Вт». Какое количество теплоты выделится в утюге за 2 часа работы при напряжении 220 В?

3. Что называют током короткого замыкания? Почему короткое замыкание - вредное явление?

4. Почему провода в скрытой электрической проводке не перегреваются?

II уровень

1. Телевизор, потребляемая мощность которого 150 Вт, работает от сети напряжением 220 в. Какой плавкий предохранитель следует установить в телевизоре, если имеются в наличии предохранители на 0,5; 1; 2А.

2. Емкость автомобильного аккумулятора обычно выражают в ампер-часах (А ). Если емкость равна 60 А , это означает, что аккумулятор может вырабатывать ток в течение 60 часов. Если не выключать передние фары автомобиля (а каждая фара потребляет мощность 50 Вт), то через какое время аккумулятор «сядет»?

3. Почему температура проводника, по которому течет постоянный ток, достигнув определенного значения, не повышается, несмотря на то, что в проводнике продолжает выделяться теплота?

4. Какое сопротивление нужно включить в сеть с напряжением 220 В, чтобы в нем за 10 минут выделилось 66 кДж теплоты?

Лабораторная работа № 8

Изучение явления электромагнитной индукции

Теория. В 1820 г. Датский физик Х. К. Эрстед установил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле. Опыт Эрстеда вдохновил многих ученых того времени на решение обратной задачи: как из магнита получить электрический ток? Спустя 11 лет, проведя 16041 опыт, английский физик М. Фарадей обнаружил возникновение в замкнутом проводнике электрического тока, обусловленное изменением магнитного поля, пронизывающего пространство, ограниченное проводником. Это явление получило название электромагнитной индукции. Полученный таким образом ток называют индукционным, а создающую этот ток ЭДС называют ЭДС индукции. Направление и величина индукционного тока, а также направление и величина ЭДС индукции, зависят от характера изменения магнитного поля. Если взять прямой провод и намотать его в один слой на цилиндр, то получится катушка, состоящая из большого числа витков проволоки, которые образуют винтовую линию. Такое устройство называется соленоид (от греч. слова соленоидес – трубообразный).

Явление электромагнитной индукции подчиняется закону Фарадея

Е = - N ,

где В – индукция магнитного поля; S – площадь поперечного сечения соленоида; - угол между вектором магнитной индукции и осью соленоида; t – время, в течение которого изменяется магнитное поле. Знак минус означает правило Ленца, по которому определяется направление индукционного тока и ЭДС индукции.

Цель работы.

1. Повторив опыты Фарадея, раскрыть сущность электромагнитной индукции.

2. Определить от чего зависит величина ЭДС индукции.

3. Определить от чего зависит направление ЭДС индукции.

Оборудование.

1. Милливольтметр (гальванометр).

2. Две разборные индукционные катушки.

3. Два магнита.

4. Источник тока.

5. Р
   еостат.

6. Ключ.

7. Комплект проводов.

Ход работы

Задание 1

1. Соединить индукционную катушку (ту, которая больше) с гальванометром. Приближать и удалять от нее постоянный магнит (рис.1). Затем приближать и удалять к неподвижному постоянному магниту катушку. Записать, что вы наблюдаете на гальванометре.

2. Пусть магнит и катушка покоятся друг относительно друга. Что вы теперь наблюдаете на гальванометре. Записать свои наблюдения в тетрадь.

3. Собрать цепь, состоящую из малой катушки А и источника тока (рис. 2). Опускать катушку с током А в соленоид В. Записать в тетрадь свои наблюдения.

4
. Присоединить к катушке А еще ключ К и переменное сопротивление R. Вставить катушку А в соленоид В и закрепить их неподвижно (рис. 3). Что показывает гальванометр? При помощи ключа замыкать и размыкать цепь катушки А. Что теперь показывает гальванометр?

5. При помощи переменного сопротивления увеличивать и уменьшать ток в катушке А. Что показывает гальванометр? Записать свои наблюдения в тетрадь.

6. Включить первичную катушку в сеть переменного тока, а вторичную катушку соединить с лампой накаливания. Обе катушки неподвижны друг относительно друга (рис. 4). Записать в тетрадь свои наблюдения.

7. Взять плоский контур в виде рамки и соединить его с гальванометром. Поместить рядом с рамкой магнит так, чтобы его линии индукции не проходили внутрь рамки, а находились в ее плоскости (рис. 5). Перемещать магнит вдоль плоскости рамки. Заметить показания гальванометра. Повернуть рамку вокруг вертикальной оси. Что теперь показывает гальванометр? Записать свои наблюдения в тетрадь.

Сделать вывод о том, в каком случае в замкнутом контуре появляется индукционный ток (и ЭДС индукции).

Задание 2

1. Вернуться к схеме, изображенной на рис. 1. Приближая магнит северным полюсом медленно, отметить максимальное отклонение стрелки гальванометра. Повторить опыт, приближая магнит тем же полюсом быстро. Отметить показания гальванометра в этом случае.

2. Сложить два магнита одноименными полюсами вместе. Приближать магниты северным полюсом к катушке медленно и отметить максимальное отклонение стрелки гальванометра.

3. Вернувшись к схеме, изображенной на рис. 3, приближать катушку А к соленоиду В сначала без сердечника, затем с сердечником. Сравнить при этом показания гальванометра.

Сделать вывод о том, от чего зависит величина ЭДС индукции.

Задание 3

1. Работая со схемой, изображенной на рис. 1, приближать и удалять (всегда с одинаковой скоростью) магнит сначала северным полюсом, а затем южным полюсом. Отметить направление отклонения стрелки гальванометра в каждом случае. Нарисовать схемы, изображенные на рис. 6 и показать отклонение стрелки гальванометра и направление тока в каждой катушке.

2
. Рассмотреть замыкание и размыкание цепи (то есть увеличение и уменьшение магнитного поля – по аналогии с приближением и удалением магнита) в схеме, изображенной на рис. 3. Отметить направление отклонения стрелки гальванометра.

Сделать вывод о том, от чего зависит направление ЭДС индукции индукционного тока.

Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Сформулировать правило Ленца.

2. Определить направление тока в кольце, если к нему приближать или удалять постоянный магнит. Кольцо расположено вертикально, его плоскость перпендикулярна магниту.

3. Какие токи называют вихревыми или токами Фуко?

II уровень

1. Почему сплошные проводники в переменном магнитном поле нагреваются?

2. Для чего якорь электродвигателя и сердечник трансформатора делают из отдельных листов, изолированных друг от друга?

3. В катушке возникает ЭДС самоиндукции, равная 15 В, при равномерном увеличении тока от 0 до 5 А за 0,4 с. Чему равна индуктивность катушки и изменение ее внутренней энергии за это время?

4. Неподвижный круговой виток, площадь которого 10 см , расположен перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля. Какая ЭДС индукции возникает в этом витке, если индукция поля будет равномерно возрастать и в течение 0,01 с увеличится от 0,2 до 0,7 Тл?

Лабораторная работа № 9

Индуктивное и емкостное сопротивления

в цепи переменного тока

Теория: В цепи переменного тока кроме резисторов могут использоваться катушки индуктивности и конденсаторы. Для постоянного тока катушка индуктивности имеет только активное сопротивление, которое обычно невелико (если катушка не содержит большое количество витков). Конденсатор же в цепи постоянного тока представляет "разрыв" (очень большое активное сопротивление). Для переменного тока эти элементы обладают специфическим реактивным сопротивлением, которое зависит как от номиналов деталей, так и от частоты переменного тока, протекающего через катушку и конденсатор.

Катушка в цепи переменного тока.

Рассмотрим, что происходит в цепи, содержащей резистор и катушку индуктивности. Колебания силы тока, протекающего через катушку:

вызывают падение напряжения на концах катушки в соответствии с законом самоиндукции и правилом Ленца:

т.е. колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на  /2. Произведение является амплитудой колебания напряжения:

Произведение циклической частоты на индуктивность называют индуктивным сопротивлением катушки:

(1)

поэтому связь между амплитудами напряжения и тока на катушке совпадает по форме с законом Ома для участка цепи постоянного тока:

(2)

Как видно из выражения (1), индуктивное сопротивление не является постоянной величиной для данной катушки, а прямо пропорционально частоте переменного тока через катушку. Поэтому амплитуда колебаний силы тока I_m в проводнике с индуктивностью L при постоянной амплитуде U_L напряжения убывает обратно пропорционально частоте переменного тока:

Конденсатор в цепи переменного тока.

При изменении напряжения на обкладках конденсатора по гармоническому закону:

заряд q на его обкладках изменяется также по гармоническому закону:

.

Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора, поэтому колебания силы тока в цепи будут происходить по закону:

Видно, что колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе от колебаний силы тока на  /2. Произведение является амплитудой колебаний силы тока:

Аналогично тому, как было сделано с индуктивностью, введем понятие емкостного сопротивления конденсатора:

(3)

Для конденсатора получаем соотношение, аналогичное закону Ома:

(4)

Формулы (2) и (4) справедливы и для эффективных значений тока и напряжения.

Цель: изучить зависимость емкостного и индуктивного сопротивлений от частоты переменного тока и параметров элементов.

Оборудование.

1. ПК.

2. Программное обеспечение.

Схема опыта

Х од работы

ОПЫТ 1

1. Собрать цепь, показанную на рисунке справа.

2. Установить следующие значения параметров:

• Генератор – напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц;

• Конденсатор – рабочее напряжение 400 В, емкость 10 мкФ;

• Резистор – рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом.

1. Изменяя емкость конденсатора от 5 до 50 мкФ (через 5 мкФ), записать показания вольтметров (напряжение на конденсаторе и на резисторе).

2. Рассчитать эффективное значение тока, текущего в цепи, в зависимости от значения емкости конденсатора (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление:

3. Определить значения емкостных сопротивлений конденсатора для соответствующих значений его емкости и сравнить их с рассчитанными по формуле: Например, если С = 5 мкФ, то
   = (Ом)

4. Занести все данные измерений и вычислений в Таблицу 1.

Таблица 1.

Зависимость емкостного сопротивления от емкости конденсатора;  = 100 Гц

С, мкФ	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
Эксп.
Теор:

ОПЫТ2

1. Установить емкость конденсатора 10 мкФ.

2. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторить измерения и расчеты емкостного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.

3. Рассчитать эффективное значение тока, текущего в цепи, в зависимости от значения частоты тока в генераторе (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление:

4. Определить значения емкостных сопротивлений конденсатора для соответствующих значений его емкости и сравнить их с рассчитанными по формуле: Например, если ν = 20 Гц, то = (Ом)

5. Занести все данные измерений и вычислений в Таблицу 2.

Таблица 2.

Зависимость емкостного сопротивления от частоты генератора; С = 10 мкФ

, Гц	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Эксп.
Теор.

ОПЫТ 3

1. Собрать цепь, показанную на рисунке слева.

2. Установить следующие значения параметров:

• Генератор – напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц;

• Катушка - индуктивность 50 мГн;

• Резистор – рабочая мощность 500 Вт, сопротивление R=100 Ом.

1. Изменяя индуктивность катушки от 50 до 500 мГн (через 50 мГн), записать показания вольтметров (напряжение на катушке и на резисторе).

2. Рассчитать эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения индуктивности катушки (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление ).

3. Определить индуктивные сопротивления катушки для соответствующих значений ее индуктивности и сравните их с рассчитанными по формуле = L 2 . Например, если L = 50 мГн, то

1. Занести все данные измерений и вычислений в Таблицу 3.

Таблица 3.

Зависимость индуктивного сопротивления от индуктивности катушки;  = 100 Гц

L, мГн	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
Эксп.
Теор.

ОПЫТ 4

1. Установить индуктивность катушки 100 мГн.

2. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторить измерения и расчеты индуктивного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.

3. Рассчитать эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения частоты тока в генераторе (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление ).

4. Определить индуктивные сопротивления катушки для соответствующих значений ее индуктивности и сравните их с рассчитанными по формуле = L 2 . Например, если ν = 20 Гц, то

1. Занести все данные измерений и вычислений в Таблицу 4.

Таблица 4.

Зависимость индуктивного сопротивления от частоты генератора; L = 100 мГн

, Гц	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Эксп.
Теор.

1. Построить графики зависимостей индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты переменного тока.

2. Сделать вывод.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Почему емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного тока, индуктивное сопротивление – увеличивается?

2. Каковы разности фаз между током и напряжением для катушки и конденсатора?

3. В каких единицах измеряются емкостное и индуктивное сопротивления?

4. Как записывается аналог закона Ома для максимальных (эффективных) значений тока и напряжения для реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности?

II уровень

1. Катушка индуктивности включена в цепь переменного тока с частотой 50 Гц. Действующее значение напряжения на ее зажимах равно 125 В, амплитудное значение силы тока через катушку - 3,53 А. Пренебрегая активным сопротивлением катушки, определить ее индуктивность.

2. Для определения емкости конденсатора его подключили к генератору переменного тока. При напряжении 10 В и частоте 1000 Гц в цепи идет ток 12.56 мА. Какова емкость конденсатора?

Лабораторная работа № 10

Определение показателя преломления стекла

Теория. В глубокой древности люди установили, что в воздухе свет распространяется по прямой линии. В этом легко убедиться, наблюдая за узким пучком света в запыленной комнате. Точно также прямолинейно свет распространяется в прозрачных твердых телах и жидкостях (см. рис. 1). На основе опытных данных был сформулирован закон прямолинейного распространения света: в прозрачной оптически однородной изотропной среде (показатель преломления в каждой точке одинаков и не зависит от направления распространения света) свет распространяется по прямым линиям. При переходе из одной среды в другую на границе раздела свет меняет свое направление, т. е. преломляется. Преломление объясняется изменением скорости распространения света при переходе из одной среды в другую и подчиняется следующим законам:

1. Падающий (1-2) и преломленный (2-3) лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным через точку падения луча к границе раздела двух сред (см. рис. 1).

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления - величина постоянная для данных двух сред и называется коэффициентом преломления n второй среды относительно первой , где n и n абсолютные показатели преломления первой и второй среды соответственно.

В данной лабораторной работе первой средой является воздух, для которого абсолютный показатель преломления примерно равен 1 (n =1,0003).

Цель работы. Определить показатель преломления стекла.

Задание.

1. Определить показатель преломления стекла для трёх различных углов падения.

2. Определить относительную погрешность измерения.

3. В выводе результат записать в виде: n= n_ср с относительной погрешностью …%.

О
борудование.

1. Трапециевидная призма.

2. Чистый лист бумаги.

3. Лист картона.

4. Четыре булавки.

5. Транспортир.

6. Линейка.

7. Таблица тригонометрических функций.

Ход работы

1. Положить чистый лист бумаги на лист картона. Сверху плашмя положить трапециевидную призму (матовой поверхностью вниз) и тонко отточенным карандашом обвести ее контуры.

2
. По одну сторону одной из параллельных граней призмы наколоть две булавки (точки 1 и 2 на рис. 1) возможно дальше друг от друга так, чтобы прямая, проходящая через них, не была перпендикулярна грани пластинки.

3. С другой стороны стекла наколоть еще две булавки (точки 3 и 4 на рис. 1) так, чтобы, глядя вдоль них через стекло, видеть все четыре булавки расположенными по одной прямой.

4. Снять стекло и булавки, места наколов отметить точками 1, 2, 3, 4 (см. рис. 2). Через основания булавок 1 и 2 провести падающий луч до пересечения с гранью призмы, а точку пересечения обозначить буквой О. Угол между этим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке О, будет углом падения - . Через основания булавок 3 и 4 провести луч, вышедший из пластинки до пересечения с нижней гранью призмы, а точку пересечения обозначить О₁. Соединить точки О и О₁. Угол между лучом ОО₁ и перпендикуляром, восстановленным в точке О, будет углом преломления - .

5. Измерить транспортиром угол падения и угол преломления и определить синусы этих углов при помощи таблицы тригонометрических функций.

6. Вычислить показатель преломления стекла n_СТ.= .

7. Измерения повторить не менее трех раз.

8. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.

№ опыта		sin		sin	n
1
2
3

9. Вычислить среднее значение показателя преломления стекла

n_ср = .

10. Приняв за табличное значение показателя преломления стекла

n_табл = 1,5,

вычислить относительную погрешность измерения %.

11. Сделать вывод.

12. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Дать определение абсолютного показателя преломления среды с точки зрения теории электромагнитного поля Д. Максвелла.

2. Объяснить следующую зависимость n= .

3. Почему изменяется направление луча света при его переходе из одной прозрачной среды в другую?

4. В каких случаях свет, переходя из одной прозрачной среды в другую, не преломляется?

II уровень

1. Почему, сидя у костра, мы видим предметы по другую сторону костра колеблющимися? Какое влияние на показатель преломления воздуха оказывает его нагревание?

2. Почему туман, состоящий из прозрачных капелек воды, оказывается непрозрачным?

3. Во сколько раз скорость распространения света в алмазе меньше, чем в сахаре?

4. Скорость распространения света в некоторой жидкости равна 240 000 км/с. На поверхность этой жидкости их воздуха падает луч под углом 25 . Определить угол преломления луча.

5. На дне ручья лежит камешек. Мальчик хочет попасть в него палкой. Прицеливаясь, мальчик держит палку под углом 45^◦. На каком расстоянии от камешка воткнется палка в дно ручья, если его глубина 32 см?

Лабораторная работа № 11

Определение длины световой волны с помощью

дифракционной решетки

Теория. Дифракция, наряду с интерференцией и поляризацией, является доказательством волновой природы света. Дифракцией называют явление огибания лучами света контура непрозрачных тел и, следовательно, проникновение света в область геометрической тени. Дифракция имеет место, если размеры препятствия сравнимы или больше длины волны. Поскольку длина волны света имеет порядок 10^-7 м, то и величина препятствия должна быть примерно такой же. Отчетливую дифракционную картину можно получить с помощью дифракционной решетки. Дифракционной решеткой называют большое число параллельных и очень близко расположенных узких щелей, которые пропускают или отражают свет. Важной характеристикой решетки является ее период (постоянная решетки) d – сумма ширины щели и промежутка, т.е. расстояние от начала одной щели до начала следующей щели.

Параллельный пучок света, проходя через дифракционную решетку, вследствие дифракции за решеткой, распространяется по всевозможным направлениям и интерферирует. На экране, установленном на пути интерферирующего света, можно наблюдать интерференционную картину. Максимумы интенсивности света наблюдаются в точках экрана, для которых выполняется условие

(1),

где - разность хода волн; - длина световой волны; k – номер максимума (k = 0; и т. д.). Центральный максимум называют нулевым – для него = 0. Слева и справа от него располагаются максимумы высших порядков.

Условие возникновения максимума (1) можно записать иначе k (см. рис. 1). Здесь d – период дифракционной решетки; - угол, под которым виден световой максимум (угол дифракции). Так как углы дифракции, как правило, малы, то для них можно принять φ, а tg (см. рис. 1). Поэтому

k (2).

В данной работе формулу (2) используют для вычисления длины световой волны.

Анализ формулы (1) показывает, что положение световых максимумов зависит от длины волны монохроматического света: чем больше длина волны, тем дальше максимум от нулевого. Белый свет по составу – сложный. Нулевой максимум для него – белая полоса, а максимумы высших порядков (k = и т. д.) представляют собой набор семи цветных полос, совокупность которых называют спектром соответственно I (k = ), II (k = ) … порядка (см. рис. 2).

П

олучить дифракционный спектр можно, используя прибор, изображенный на рис. 3. Прибор состоит из бруска 1 со шкалой. Внизу бруска укреплен стержень 2. Его вставляют в лапку универсального лабораторного штатива. Вдоль бруска в боковых пазах его может перемещаться ползунок 3 с экраном 4. К концу бруска прикреплена рамка 5, в которую вставляют дифракционную решетку.

Оборудование.

1. Прибор для определения длины световой волны.

2. Дифракционная решетка.

3. Лампа софитная с прямой нитью накала в патроне со шнуром и вилкой.

4. Штатив.

5. Светофильтры.

Ход работы

1. Собрать установку, изображенную на рис. 3.

2. Установить на демонстрационном столе лампу и включить ее.

3. Вставить дифракционную решетку в рамку на продольной линейке прибора.

4
. Смотря через дифракционную решетку, направить прибор на лампу так, чтобы через окно экрана прибора была видна нить лампы. Нить должна быть параллельна щели экрана. Возможный перекос прибора устранить осторожным вращением его в шарнире. Лампа, щель экрана и дифракционная решетка должны находиться на одной прямой. Расстояние от лампы до прибора равно 3 – 5 метров.

5. Экран прибора установить на возможно большем расстоянии от дифракционной решетки и получить на нем четкое изображение спектров I и II порядков.

6. Измерить по шкале бруска 1 установленное расстояние «b» от экрана 4 до дифракционной решетки.

7. Определить расстояние от нулевого деления (0) шкалы экрана 4 до середины фиолетовой полосы как слева «а_л», так и справа «а_п» для спектров I порядка (см. рис. 4).

8. Вычислить среднее значение а_ср = .

9. Опыт повторить со спектром II порядка.

10. Такие же измерения выполнить и для красных полос дифракционного спектра.

11. Вычислить по формуле длину волны фиолетового света для спектров I и II порядков, длину волны красного света для спектров I и II порядков.

12. Результаты всех измерений и вычислений занести в таблицу.

Номер опыта		1	2
Период дифракционной решетки d, мм
Порядок спектра k		I	II
Расстояние от дифракционной решетки до экрана b, мм
Видимые границы спектра фиолетового света	слева ал , мм
	справа ап , мм
	среднее аср ,мм
Видимые границы спектра красного света	слева ал , мм
	справа ап , мм
	среднее аср ,мм
Длина световой волны	Красного излучения λк , мм
	Фиолетового излучения λФ , мм

13. Вычислить абсолютную погрешность измерения длины световой волны Δλ = , приняв за табличное значение длину световой волны фиолетового излучения λ_ф 0,004 мм, а красного излучения λ_к 0,007 мм.

14. Вычислить относительную погрешность измерения длины световой волны фиолетового и красного излучения

%.

15. Сделать вывод.

16. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Какие явления подтверждают волновую природу света?

2. Какой вид имеет дифракционная картина в случае монохроматического света? Проверить свой ответ, используя светофильтры.

3. Чем спектры, получение при помощи решетки с 50 до 100 штрихами на миллиметр, отличаются друг от друга?

4. Как зависит период дифракционной решетки от ширины и числа щелей?

5. Какое количество максимумов вы наблюдали в данной работе?

II уровень

1. Верны ли утверждения, что длина световой волны фиолетового излучения λ_ф = 0,004 мм, а красного излучения λ_к = 0,007 мм? Почему?

2. Определить длину световой волны, если в дифракционном спектре максимум второго порядка возникает при оптической разности хода волн 1,15 мкм.

3. На дифракционную решетку перпендикулярно к ее поверхности падает монохроматический свет длиной волны 0,5 мкм. Период решетки равен 2,4 мкм. Определить наибольший порядок максимума интенсивности света, который дает решетка. Сколько всего максимумов можно наблюдать с помощью этой решетки?

4. Дифракционная решетка с периодом 20 мкм освещается лазерным лучом с длиной волны 0,4 мкм. Определить расстояние между нулевым (центральным) и вторым дифракционными максимумами, если экран расположен на расстоянии 1,8 м от решетки.

Лабораторная работа № 12

Наблюдение сплошного и линейчатого спектров

Теория. Слово «спектр» произошло от латинского «spectrum» - представление, образ. В физике спектром называют совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующей систему или процесс. Чаще всего пользуются понятиями частотного спектра колебаний (электромагнитного или акустического). Оптическим спектром называют спектры электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 1000 мкм до 0,1 мкм. Различают оптические спектры испускания и поглощения. Они возникают при квантовых переходах электронов в атомах. По виду оптические спектры могут быть линейчатыми (из отдельных спектральных линий), полосатыми (из спектральных полос, характеризуемых некоторым интервалом длин волн) и сплошными. Спектры наблюдают при помощи специальных приборов, одним из которых является двухтрубный спектроскоп. Наблюдение и исследование оптических спектров лежит в основе спектрального анализа – метода определения химического состава вещества по его спектру. Различают качественный спектральный анализ, с помощью которого устанавливается, какие химические элементы входят в состав вещества, и количественный спектральный анализ, позволяющий по интенсивности спектральных линий химического элемента определить его количественное содержание в исследуемом образце. Спектральный анализ изобретен в 1859 г. немецким ученым Г. Кирхгофом.

Цель работы. Наблюдение сплошного спектра накаленного металла, пламени свечи и дневного света; линейчатого спектра медного купороса, раствора NaCl, марганцово-кислого калия, спектров поглощения.

Оборудование.

1. Спектроскоп двухтрубный.

2. Источник видимого света (свеча).

3. Общие для всех: электрическая лампочка, реостат, ключ, источник электрической энергии.

4. Набор светофильтров.

5. Набор цветных карандашей.

6. Раствор поваренной соли, марганцово-кислого калия, медного купороса в пробирках.

7. Асбестовые фитили на железной проволоке.

8. Спички.

Ход работы

I. Наблюдение сплошного спектра накаленного металла, пламени свечи и дневного света.

1. На демонстрационном столе установить электрическую лампочку на подставке, присоединить ее к источнику питания через реостат и ключ. Замкнуть цепь.

2. Окуляр спектроскопа приблизить к глазу. Проверить, параллельна ли щель коллиматора преломляющему ребру призмы спектроскопа. Щель коллиматора спектроскопа направить на накаленную нить лампочки. Резкость изображения отрегулировать передвижением окуляра.

3. Рассмотреть спектр при полном накале нити лампы, найти в нем все спектральные цвета.

4. Цепь разомкнуть, зарисовать спектр, сохранив последовательность расположения основных цветов спектра.

5. Приблизить окуляр спектроскопа к глазу и рассмотреть спектр дневного света. Сравнить ранее наблюдаемый спектр со спектром дневного света и сделать вывод.

6. Замкнуть цепь. Продолжать наблюдение спектра накаленного металла, уменьшая накал нити. Следить за уменьшением яркости спектра и постепенным исчезновением его составных цветов.

7. Зажечь свечу, поставить ее на подставку. Направить щель коллиматора спектроскопа на пламя свечи и получить яркий, четкий спектр. Сравнить ранее наблюдаемые спектры со спектром пламени свечи и сделать вывод.

II. Наблюдение линейчатых спектров.

1. В пламя свечи поочередно ввести асбестовые фитили, пропитанные исследуемыми растворами. Рассмотреть полученные спектры. Обнаружить на фоне сплошного спектра несколько ярких линий паров исследуемых веществ. Отметить положение цветных линий спектра для каждого раствора.

2. Свечу погасить. Наблюдаемые линейчатые спектры зарисовать.

3. Направить щель коллиматора спектроскопа на люминесцентную лампу дневного света и рассмотреть сплошной спектр ее люминофора. Обнаружить на фоне сплошного спектра несколько ярких линий паров ртути (фиолетовую, зеленую, желтую).

4. Линейчатый спектр паров ртути зарисовать.

III. Наблюдение спектров поглощения.

1. Приблизить окуляр спектроскопа к глазу и получить четкий спектр пламени свечи.

2. Перед щелью коллиматора поместить в стеклянном сосуде растворы исследуемых веществ и светофильтры.

3. Рассмотреть полученные спектры. Найти линии поглощения. Обратить внимание на количество линий и место их расположения в каждом конкретном случае.

4. Наблюдаемые спектры зарисовать. Сделать вывод.

IV . Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. В чем различие дифракционного и дисперсионного спектров?

2. Какова причина разложения белого света призмой?

3. В каком состоянии (газообразном атомарном, газообразном молекулярном, жидком или твердом) вещества дают сплошной, полосатый и линейчатый спектры?

4. Каковы области применения спектрального анализа?

5. Чем отличается атом, находящийся в основном состоянии, от атома, находящегося в возбужденном состоянии?

6. В каком случае энергия атома водорода больше: когда электрон находится на удаленной от ядра орбите или на самой близкой к ядру?

7. Почему химический элемент имеет только ему присущий линейчатый спектр?

II уровень

1. Заполните таблицу.

   Название прибора
   Назначение прибора
   Схема устройства
   Принцип действия
   Недостатки
   Преимущества

2. Каковы преимущества спектрального анализа перед химическим анализом?

3. В чем сходство и различие спектров испускания и поглощения? Объяснить с точки зрения теории Бора.

4. Почему при уменьшении напряжения «световая отдача» ламп накаливания уменьшается, и свечение приобретает красный оттенок?

5. Б
   удут ли изменяться частота, длина волны, цвет при переходе света из воздуха в воду? Почему?

6. На представленной диаграмме энергетических уровней атома, какие переходы связаны с испусканием, а какие с поглощением фотона наибольшей частоты?

7. На какие стационарные орбиты переходят электроны в атоме водорода при испускании видимых лучей? Ультрафиолетовых? Инфракрасных?

8. Энергия, соответствующая второму стационарному состоянию атома водорода, равна -6,80 эВ, а четвертому – -4,25 эВ. Какую длину волны имеет свет, излучаемый при переходе атома водорода из четвертого состояния во второе? Ответ дать в нанометрах, округлив до целого числа.

Лабораторная работа № 13

Изучение карты звездного неба

Теория.

Видимое движение светил, происходящее из-за вращения Земли вокруг своей оси называется суточным движением. Для определения положения светила используют понятие небесная сфера (это воображаемая сфера произвольного радиуса, центр которой совмещен с центром Земли). Как географические координаты (широта и долгота) определяют положение точки на земной поверхности, так и небесные координаты определяют положение небесного тела на небесной сфере.

Существуют две системы координат (ск): экваториальная и горизонтальная.

Вопросы для сравнения	Экваториальная ск	Горизонтальная ск
Определение	Система небесных координат, основной плоскостью в которой является плоскость небесного экватора, а полюсами северный и южный полюсы мира.	Система небесных координат, основной плоскостью в которой является плоскость математического горизонта, а полюсами – зенит и надир.
Название координат	1. Склонение (δ) – угловое расстояние светила М от небесного экватора, измеренное вдоль круга склонения. 2. Прямое восхождение (α) – угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора, от точки весеннего равноденствия (γ) до точки пересечения небесного экватора с кругом склонения светила.	1. Высота светила (h) – угловое расстояние светила от горизонта (или зенитное расстояние, z – расстояние светила от зенита) 2. Азимут (А) – угловое расстояние вертикала (большого круга небесной сферы, проведенный через зенит, надир и светило) от точки юга.
Отличие	Экваториальные координаты не связаны с суточным движением небесной сферы.	Горизонтальные координаты указывают положение светила на небе в данный момент времени. Изменяются в течение суток.
Применение	Для создания карт, атласов, каталогов (списков звезд).	Для наблюдения на местности невооруженным глазом, в бинокль или телескоп.

Кругом склонения светила называется большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и светило.

Звездные карты представляют собой проекции небесной сферы на плоскость с нанесенными на нее объектами в определенной системе координат.

Подвижная звездная карта звездного неба (ПКЗН) служит пособием для общей ориентировки на небе. На карте изображены: сетка небесных экваториальных координат и основные созвездия, состоящие из сравнительно ярких звезд. Карта составлена в проекции, в которой небесные параллели изображаются концентрическими окружностями, а круги склонения — лучами, выходящими из северного полюса мира, расположенного в центре карты. Рядом с ним находится звезда  Малой Медведицы, называемая Полярной звездой.

Круги склонения проведены через 15  (1^h) и оцифрованы в часах по одной из небесных параллелей вблизи внутреннего обреза карты. Небесный экватор и три небесных параллели в 30  оцифрованы в точках их пересечения с начальным кругом склонения (   ^h) и с диаметрально противоположным ему кругом склонения (  ^h). Оцифровка кругов склонения и небесных параллелей позволяет грубо оценивать значения экваториальных координат небесных светил. Эксцентрический овал, пересекающийся с небесным экватором в двух диаметрально противоположных точках, изображает эклиптику.

По наружному обрезу карты, называемому лимбом дат, нанесены календарные числа и названия месяцев года.

Цель работы. Ознакомиться с подвижной картой звездного неба и определить с ее помощью экваториальные координаты светила.

Оборудование.

1. ПКЗН (http://artfiz.ru/?p=2372. Подвижная карта звездного неба).

2. Цветные карандаши или фломастеры.

3. Видеоурок 05. Небесные координаты и звездные карты.

4. ПК, проектор, экран, аудиоколонки.

Ход работы

1. На подвижной карте звездного неба отметить весенний, летний и зимний треугольники (см. Приложение 1). Определить какая звезда каждого треугольника самая яркая и во сколько раз.

2. Определить экваториальные координаты навигационных звезд: Полярная, Арктур, Вега, Капелла, Поллукс, Альтаир, Регул, Альдебаран, Денеб, Бетельгейзе, Процион, Альферац, Хамаль, Мирфак, Сириус, Спика, Антарес (оформить в виде таблицы).

3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Какие звезды составляют весенний треугольник? Какая звезда в нем самая яркая?

2. Какие звезды составляют летний треугольник? Какая звезда в нем самая яркая?

3. Какие звезды составляют зимний треугольник? Какая звезда в нем самая яркая?

II уровень

1. Определить звезду по ее координатам:

а) δ = +35 , α = 1^ч6^м

б) α=14,2^ч, δ=20^о

1. Указать созвездие, в котором находится объект с координатами:

α = 0^ч41^м, δ = +41⁰? Что это за объект?

Библиографический список и Интернет источники

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля – М.: ОИЦ «Академия», 2011.

2. Жданов Л.С. Физика для средних специальных учебных заведений / Жданов Г.Л. Учебник. – 4-е изд., испр. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 2008. – 512 с.

3. Пинский А. А. Физика / Граковский Г. Ю. Учебник / под общей ред. Ю. И. Дика, Н. С. Пурышевой. – 2-е изд., испр. – М.: Форум: ИНФРА -, 2012. – 566 с.:ил. – (Профессиональное образование).

4. Самойленко П.И. Физика / Сергеев А.В. (для нетехнических специальностей): Учебник.- М.: Мастерство, 2012. – 400 с.

5. Самойленко П.И Сборник задач и вопросов по физике / Сергеев А.В. М.: Мастерство, 2012. – 192 с.

6. Трофимова Т. И. Краткий курс физики с примерами решения задач. М.:КНОРУС, 2012.

7. Гладков В.М. Физика. Сборник задач с решением / Самойленко П.И. Издательство «Дрофа», 2010.

8. Янчевская О. В. Физика в таблицах и схемах. СПб. «Литера», 2012.

9. https://www.youtube.com/watch?v=s1CN6NIJLyc&feature=emb_logo

10. https://yandex.ru/video/preview/?filmId=12699255663652016306&text=Наблюдение%20сплошного%20и%20линейчатого%20спектров%20испускания%20и%20поглощения%20различных%20веществ%20видео&path=wizard&parent-reqid=1589824746699908-52352968209694962600204-production-app-host-man-web-yp-293&redircnt=1589825049.1

11. https://yandex.ru/video/preview/?filmId=2672032499766266570&text=Наблюдение%20сплошного%20и%20линейчатого%20спектров%20испускания%20и%20поглощения%20различных%20веществ%20видео&path=wizard&parent-reqid=1589824746699908-52352968209694962600204-production-app-host-man-web-yp-293&redircnt=1589825373.1

1^ Автор методических указаний – лицо, создавшее данные методические указания своим трудом.

Составитель методических указаний – лицо, создавшее методические указания, состоящие из других текстов. Составитель не создаёт собственно тексты, он осуществляет подбор материала, его организацию в пределах сборника.