Методические указания по проведению лабораторных работ по дисциплине ПОУД-02 Физика по профессии среднего профессионального образования. По программе подготовки квалифицированных рабочих, служащих.

Методические указания по проведению лабораторных работ по дисциплине

ПОУД-02 Физика  по профессии среднего профессионального образования.

По программе подготовки квалифицированных рабочих, служащих.

08.02.14 Эксплуатация и обслуживание многоквартирного дома

                                                           Г.Долинск

                                                               2024-г.

Методические указания по проведению лабораторных работ по дисциплине Физика предназначены для студентов для подготовки к лабораторным работам с целью освоения практических умений и навыков. Лабораторные работы выполняются по письменным инструкциям, которые приводятся в данном пособии. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.

Разработчик: преподаватель  ДФ СТС и ЖКХ Хе Чун Су

Введение

Методические указания по проведению лабораторных работ разработаны согласно рабочим программам по учебной дисциплине Физика и требованиям к умениям и знаниям Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования (далее – ФГОС СПО).

Лабораторные работы направлены на освоение следующих умений и знаний согласно ФГОС СПО.

уметь:

• экспериментально находить коэффициент трения и скольжения;
• формулировать понятия: механическое движение, скорость и ускорение, система отсчета;
• изображать графически различные виды механических движений;
• различать понятия веса и силы тяжести;
• объяснять понятия невесомости;
•  объяснять суть реактивного движения и различия в видах механической энергии;
• формулировать понятия колебательного движения и его видов; понятие волны;
• изображать графически гармоническое колебательное движение; применять основные положения МКТ для объяснения понятия  внутренней  энергии, а также изменения внутренней энергии при изменении температуры тела;
• решать качественные задачи с использованием знаний о способах изменения внутренней энергии;
• читать и строить графики зависимости между основными параметрам состояния газа, изменения температуры тел при нагревании и охлаждении;
• пользоваться термометром, калориметром, таблицами удельной теплоемкости вещества, экспериментально определять удельную теплоемкость воды;
• применять положение электронной теории для объяснения электризации тел при их соприкосновении, существование проводников и диэлектриков;
• собирать электрические цепи из последовательно и параллельного соединения;
• соединенных конденсаторов, изображать их с помощью условных обозначений и производить расчёт;
• применять положения электронной теории для объяснения электрического тока в металлах, причины электрического сопротивления, нагревание проводника электрическим током; чертить схемы электрических цепей; собирать электрическую цепь по схеме;
• измерять силу тока в электрической цепи, напряжение на концах проводника;
• определять сопротивление проводника с помощью амперметра и вольтметра: пользоваться реостатом;
• измерять ЭДС и внутреннее сопротивление источника;
• производить расчеты электрических цепей с применением законов Ома и Кирхгофа, закономерностей параллельного и последовательного соединения проводников;
• определять силу тока и напряжение по графику  зависимости между этими величинами; строить графики зависимости силы  и  мощности тока от напряжения;
• находить по таблицам удельное сопротивление проводников, изготовленных веществ
• проводить электролиз с раствором медного купороса и определять экспериментально электрохимический эквивалент меди;
• объяснять на основе электронной теории механизм проводимости электрического тока различными средами;
• определять направление индукции и напряженности магнитного поля; направление действия сил Ампера и Лоренца;
• экспериментально исследовать действия магнитного поля на проводник с током.
• определять направление индукционного тока;
• экспериментально исследовать действие магнитного поля на катушку с током.
• объяснять на основе основных свойств волн особенности и практическое применение шкалы электромагнитных волн;
• определять экспериментально: показатель преломления среды; силу света источника при помощи фотометра; длину световой волны; наблюдать спектры;
• вычислять красную границу фотоэффекта и энергию фотоэлектронов на основе уравнения Эйнштейна.
• объяснять принцип действия квантового генератора;
• определять знак заряда и направление движения элементарных частиц по их трекам на фотографиях.
• определять продукты ядерных реакций на основе законов сохранения электрического заряда и массового числа; рассчитывать энергетический выход ядерной реакции.
• рассчитывать энергетические термоядерные реакции.

знать:

• понятия: сила трения скольжения, коэффициент трения скольжения и его зависимость от различных факторов.
• основные единицы СИ
•  виды механического движения в зависимости от формы траектории и скорости перемещения тела
• понятие траектории, пути, перемещения;
• различие классического и релятивистского законов сложения скоростей; относительность понятий длины и промежутков времени.
• основную задачу динамики;
•  понятие массы, силы, законы Ньютона;
•  основной закон динамики материальной точки;
•  закон всемирного тяготения;
•  понятие импульса тела, работы, мощности, механической энергии и ее видов;
• закон сохранения импульса;
• закон сохранения механической энергии;
• превращение энергии при колебательном движении;
• суть механического резонанса;
• процесс распространения колебаний в упругой среде;
• понятия: тепловое движение частиц; массы и размеры молекул; идеальный газ: изотермический, изохорный и изобарный процессы; броуновское движение; температура (мера средней кинетической энергии молекул); внутренняя энергия; работа как способ изменения внутренней энергии; теплопередача; количеств теплоты; удельная теплоемкость вещества; законы и формулы: основное уравнение молекулярно-кинетической теории, уравнение Менделеева - Клапейрона, связь между параметрами состояния газа в изопроцессах; формулы для вычисления количества теплоты, выделяемой или поглощаемой; изменение температуры тела и для определения внутренней энергии уравнение теплового баланса;
• понятия: необратимость тепловых процессов, адиабатный процесс; законы и формулы: первый и второй законы термодинамики, КПД тепловых двигателей;
• практическое применение: тепловые двигатели и их применение на транспорте, в энергетике и в сельском хозяйстве; методы профилактики и борьбы с загрязнением окружающей среды;
• понятия: электрический заряд, электрическое поле; напряженность, разность потенциалов, напряжение, электроемкость, диэлектрическая проницаемость;
• законы: Кулона, сохранения заряда, принцип суперпозиции; напряженности;
• понятия: электрический ток в металлах; сила тока; плотность тока;
• строение силы и ЭДС; электрическое сопротивление и удельное электрическое сопротивление;
• законы: Ома для участка цепи и для полной цепи, Кирхгофа, Джоуля-Ленца;
• формулы: силы и плотности тока; сопротивления, ЭДС, работы и мощности тока;
• понятия: электролиз, термоэлектронная эмиссия, вакуум, плазма, собственная и примесная проводимость полупроводников, р-n-переход в полупроводниках;
• законы: Фарадея (электролиза);
• практическое применение: электролиза в металлургии и гальванотехнике; электронно-лучевая трубка; полупроводниковые приборы (диод, транзистор);
• понятия: магнитное поле, магнитная проницаемость, магнитная индукция и
• напряженность магнитного поля, магнитный поток;
• законы: Ампера, правило «Буравчика»;
• практическое применение: электроизмерительные приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем;
• понятия: электромагнитная индукция, самоиндукция, индуктивность, потокосцепление;
• законы: электромагнитной индукции, правило Ленца;
• понятия: открыты колебательный контур; электромагнитное поле и электромагнитная волна; принцип радиосвязи, радиолокация и телевидение; шкала электромагнитных волн; энергия электромагнитной волны и плотность потока излучения;
• формулы: связи длины волны с частотой и скоростью;
• практическое применение: радиосвязь, телевидение и радиолокация; примеры практического применения электромагнитных волн инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского диапазона частот.
• понятия: свет, основные  понятия фотометрии; дифракция, интерференция, дисперсия и поляризация света;
• законы: отражение и преломление, полного внутреннего отражения света; принцип постоянства скорости света в вакууме; практическое применение: полное отражение, спектральный анализ;
• понятия: фотон, фотоэффект, корпускулярно-волновой дуализм, люминесценция;
• законы: фотоэффекта;
• практическое  применение: устройство и принцип действия фотоэлемента; примеры технического использования фотоэлементов;
• понятия: ядерная модель атома, атомное ядро;
• понятия: радиоактивность, изотоп, ядерные реакции, энергия связи, радиоактивный распад, цепная реакция деления, элементарная частица, атомное ядро, ядерные силы;
• законы: радиоактивного распада;
• практическое применение: устройство и принцип действия ядерного реактора;
• основные этапы развития перспективы получения энергии помощью термоядерных реакций;

Методические указания по выполнению лабораторной работы содержат теоретические основы, которыми студенты должны владеть перед проведением лабораторной работы; описание приборов и материалов; рекомендации по проведению самостоятельных исследований.

Теоретическая подготовка

Теоретическая подготовка необходима для проведения физического эксперимента, должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства к данной лабораторной работе.

Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание физической сущности процесса. Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы. Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей:

1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Оборудование.
4. Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин).
5. Расчеты – окончательная запись результатов работы.
6. Вывод.

Ознакомление с приборами, сборка схем

Приступая к лабораторным работам, необходимо:

1. 1. 1. 1. получить у преподавателя приборы, требуемые для выполнения работы;
         2. разобраться в назначении приборов и принадлежностей в соответствии с их техническими данными;
         3. пользуясь схемой или рисунками, имеющимися в пособии, разместить приборы так, чтобы удобно было производить отсчеты, а затем собрать установку;
         4. сборку электрических схем следует производить после тщательного изучения правил выполнения лабораторных работ по электричеству.

Проведение опыта и измерений

При выполнении лабораторных работ измерение физических величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.

Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например,   точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и в значительной степени – от своевременности  включения и выключения часового механизма.

Критерии оценок лабораторных работ

Оценка «5» (отлично) ставится, если обучающийся выполняет работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений; самостоятельно и рационально монтирует необходимое оборудование; все опыты проводит в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов; соблюдает требования правил безопасного труда; в отчете правильно и аккуратно выполняет все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления; правильно выполняет анализ погрешностей.

Оценка «4» (хорошо) ставится, если выполнены требования к оценке 5, но было допущено два-три недочета, не более одной негрубой ошибки и одного недочета.

Оценка «3» (удовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы; если в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

Оценка «2» (неудовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов; если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Лабораторные работы выполняются по письменным инструкциям, которые приводятся в данном пособии. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.

Внимательное изучение методических указаний поможет выполнить работу.

Небрежное оформление отчета, исправление уже написанного недопустимо.

В конце занятия преподаватель ставит зачет, который складывается из результатов наблюдения за выполнением практической части работы, проверки отчета, беседы в ходе работы или после нее. Все лабораторные работы должны быть выполнены и защищены в сроки, определяемые программой или календарным планом преподавателя. Студенты, не получившие зачет, к экзамену не допускаются.

Лабораторные работы и практические занятия (ЛПР) - основные виды учебных занятий, направленные на экспериментальное подтверждение и теоретических положений и формирование учебных и профессиональных практических умений.

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов

1. К выполнению лабораторных работ необходимо приготовиться до начала занятия в лаборатории. Кроме описания работы в данном учебном пособии, используйте рекомендованную литературу и конспект лекций. К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты.
2. При проведении эксперимента результаты измерений и расчетов записывайте четко и кратко в заранее подготовленные таблицы.
3. При обработке результатов измерений:

А) помните, что точность расчетов не может превышать точности прямых измерений;

Б) результаты измерений лучше записывать в виде доверительного интервала.

1. Отчеты по лабораторным работам оформляются согласно требованиям ЕСКД и должны включать в себя следующие пункты:
   • название лабораторной работы и ее цель;
   • используемое оборудование;
   • порядок выполнения лабораторной работы;
   • далее пишется «Ход работы» и выполняются этапы лабораторной работы, согласно выше приведенному порядку записываются требуемые теоретические положения, результаты измерений, обработка результатов измерений, заполнение требуемых таблиц и графиков, по завершении работы делается вывод.
2. При подготовке к сдаче лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.
3. Если отчет по работе не сдан во время (до выполнения следующей работы) по неуважительной причине, оценка за лабораторную работу снижается.

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

• Вход в лабораторию осуществляется только по разрешению преподавателя.
• На первом занятии преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности и напоминает студентам о бережном отношении к лаборатории и о материальной ответственности каждого из них за сохранность оборудования и обстановки лаборатории.
• При обнаружении повреждений оборудования персональную ответственность несут студенты, выполнявшие лабораторную работу на этом оборудовании. Виновники обязаны возместить материальный ущерб колледжу.
• При ознакомлении с рабочим местом проверить наличие комплектности оборудования и соединительных проводов (в случае отсутствия, какого либо элемента, необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю).
• Если во время проведения опыта замечены какие-либо неисправности оборудования, необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю.
• После окончания лабораторной работы рабочее место привести в порядок.
• Будьте внимательны, дисциплинированы, осторожны, точно выполняйте указания учителя.
• Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
• Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
• Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.
• Перед тем как приступать к работе, уясните ход ее выполнения.
• Постоянно следите за исправностью всех креплений в приборах, предназначенных для вращения.
• При выполнении опыта колебаний груза на стальном полотне или подвешенного на нити груза, следует надежно укрепить груз, чтобы он не сорвался.
• При изучении свободного падения тел на пол следует положить мешочек с песком.
•  

Л                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  №1

• Исследование зависимости силы трения скольжения от веса тела
•    Цель работы: 1. выяснить, зависит ли сила трения скольжения от силы нормального давления, если зависит, то как.
•   2. Определить коэффициент трения дерева по дереву.
•    Приборы и материалы: динамометр, деревянный брусок, деревянная линейка или деревянная плоскость, набор грузов по 100 г.
• 
•  Выполнение работы.
• 1. Определили цену деления шкалы динамометра.
• 
• Цена деления динамометра: 
• (2H-1H)/10 дел = 0,1Н/дел
• 2. Определили массу бруска. Сначала подвесив брусок к динамометру нашли вес бруска   Pбруска=0,7Н
• Зная, что  P=mg  и   g=10м/с²   получим m_бруска=P/g 
• m_бруска=0,7Н/10м/с²=0,07кг
• 3.Определяем общий вес тела (силу нормального давления по формуле:
• Р=N=(m₁+m₂)∙g
• 1.Р=N=(0,07кг+0,1кг)∙10м/с²=
• 2.Р=N=(0,07кг+0,2кг)∙10м/с²=
• 3.Р=N=(0,07кг+0,3кг)∙10м/с²=
• 4.Р=N=(0,07кг+0,4кг)∙10м/с²=
• 5.Р=N=(0,07кг+0,5кг)∙10м/с²=
• 6.Провели измерения силы трения.
• 7. Подготовили таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

• 6. Из опыта видим, что сила трения зависит …  
• 7. В каждом опыте рассчитали коэффициент трения по формуле: . 
• Μ₁=0,4Н/1,7Н=
• μ=0,6Н/2,7Н=
• μ=0,8Н/3,7Н=
• μ=1,0Н/4,7Н=
• μ=1,2Н/5,7Н=
• Результаты расчётов занесли в таблицу.
• 8. По результатам измерений построили график зависимости силы трения от силы нормального давления: 
• 
• Определили по графику средние значения силы трения и силы нормального давления:
• N=3Н
• Fтр=0,68Н
• Вычислили среднее значение коэффициент трения:
• μ_ср=0,68Н/3Н=
• Вывод: 
• Ответы на контрольные вопросы.
• 1. Что называется силой трения?
• 2. Какова природа сил трения? .
• 3. Назовите основные причины, от которых зависит сила трения?

                        Лабораторная работа № 2,3

Тема: Изучение закона сохранения импульса

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

Оборудование: 1. Два металлических шарика разной массы.

                        2. Рама для подвеса шариков.

                        3. Измерительная линейка.

Теория

   Величина, равная произведению массы материальной точки на ее скорость, называется импульсом.

p=mυ  

p — импульс тела

m — масса тела

υ — скорость тела   

   Импульс тела направлен в ту же сторону, что и скорость тела.

   Единицей измерения импульса в СИ является 1 кг·м/с.

   Изменение импульса тела происходит при взаимодействии тел, например, при ударах.

   Для системы материальных точек полный импульс равен сумме импульсов. При этом следует иметь в виду, что импульс – это векторная величина, и поэтому в общем случае импульсы складываются как векторы, т.е. по правилу параллелограмма.

   Если на систему тел не действуют внешние силы со   стороны других тел, такая система называется замкнутой. Замкнутая система – это система тел, которые взаимодействуют только друг с другом.

   Закон сохранения импульса: в замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

m₁, m₂ — массы взаимодействующих тел, кг

υ₁, υ₂ — скорости тел до столкновения, м/с

υ'₁, υ'₂ — скорости тел после столкновения, м/с

   Закон сохранения импульса можно сформулировать и так: если на тела системы действуют только силы взаимодействия между ними («внутренние силы»), то полный импульс системы тел не изменяется со временем, т.е. сохраняется. Этот закон применим к системе, состоящей из любого числа тел. Отметим еще раз, что импульс – величина векторная, поэтому сохранение полного импульса означает сохранение не только его величины, но и направления.

   Закон сохранения импульса выполняется при распаде тела на части и при абсолютно неупругом ударе, когда соударяющиеся тела соединяются в одно. Если распад или удар происходят в течение малого промежутка времени, то закон сохранения импульса приближенно выполняется для этих процессов даже при наличии внешних сил, действующих на тела системы со стороны тел, не входящих в нее, т.к. за малое время внешние силы не успевают значительно изменить импульс системы.

   Под ударом в механике понимается кратковременное взаимодейс­твие двух или более тел,  возникающее в результате их соприкосно­вения (соударение шаров, удар молота о наковальню и др.). Самым простым является прямой (центральный) удар, то есть такой удар, при котором скорости соударяющихся тел до удара направлены по линии, соединя­ющей центры тел. При соударении взаимодействие  длится такой короткий промежуток времени (иногда измеряемый тысячными долями секунды) и возни­кают столь большие внутренние силы взаимодействия, что внешними силами можно пренебречь и систему соударяющихся тел можно считать замкнутой и применять к ней закон сохранения импульса.

   В зависимости от упругих свойств тел соударения могут проте­кать весьма различно. Принято выделять два крайних случая: абсо­лютно упругий и абсолютно неупругий удары.

   Абсолютно упругим называется удар, при котором после взаимодействия тела полностью восстанавливают свою форму. Таких ударов в природе не существует, так как всегда часть энергии затрачивается на необратимую деформацию тел. Однако для некоторых  тел, например стальных закаленных шаров, потерями механической энергии при столкновении можно пренебречь и считать удар абсолютно упру­гим. В случае центрального абсолютно упругого удара двух тел с массами m₁, m₂  и скоростями υ₁, υ₂  до удара и υ′₁, υ′₂ после удара можно записать закон сохранения импульса тел:

   Абсолютно неупругим называется удар, при котором после соп­рикосновения тел они не восстанавливают полностью свою форму, со­единяются вместе и движутся как единое целое с одной скоростью. При этом ударе часть их механической энергии переходит в работу деформации тел (внутреннюю энергию). Столкновение двух шаров из пластилина, когда после столкновения шары слипаются и движутся вместе, является примером абсолютно неупругого удара. В случае центрального абсолютно неупругого удара двух тел с массами m₁, m₂  движущихся со скоростями υ₁, υ₂  до удара и υ′ после удара можно записать законы сохранения импульса тел:

   Закон сохранения импульса служит основой для объяснения обширного круга явлений природы, применяется в различных науках:

1. Закон строго выполняется в явлениях отдачи при выстреле, явлении реактивного движения, взрывных явлениях и явлениях столкновения тел.
2. Закон сохранения импульса применяют: при расчетах скоростей тел при взрывах и соударениях; при расчетах реактивных аппаратов; в военной промышленности при проектировании оружия; в технике - при забивании свай, ковке металлов и т.д

Описание работы

Установка состоит из двух стальных шаров, на длинных подвесах и измерительной линейки под шарами. Центры масс соприкасающихся шарв лежат на одном уровне от точки подвеса. Отведя один из шаров (например, большей массы) в сторону и отпустив его, можно произвести прямой (центральный) удар шаров.

Если до столкновения один из шаров покоился υ₂=0, то выражение закона сохранения импульс                        а упростится. При прямом ударе оба шара после столкновения движутся по одной прямой, поэтому от векторной формы записи закона сохранения импульса можно перейти к алгебраической и учитывая, что после столкновения оба шара движутся в одном направлении, получим:

m₁∙υ₁= m₁∙υ′₁ + m₂∙υ′₂ 

   рис. 2

   Для определения скорости первого шара υ₁ до удара  и скоростей шаров υ′₁ и υ′₂ после удара воспользуемся законом сохранения механической энергии. Потенциальная энергия шара в положении максимального отклонения равняется его кинетической энергии при ударе , отсюда .

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

рис. 3

Треугольник АВС прямоугольный (опирается на диаметр). Катет АВ является средней пропорциональной величиной между гипотенузой АС=2l и своей проекцией на гипотенузу АD  (рис.3,б):  АВ²=АС·AD то есть , откуда . Следовательно, величины скоростей можно выразить так: где S₀,  S₁ - максимальные отклонения первого шара до и после удара; S₂ - максимальное отклонение второго шара после удара.

Запишем уравнение закона сохранения через выражения скоростей:

  или  m₁∙S₀= m₁∙S₁ + m₂∙S₂.

Таким образом, проверка закона сохранения импульса в данной работе сводится к проверке справедливости последнего уравнения.

 При малых углах отклонения шара от положения равновесия S₀,  S₁ и S₂ можно заменить соответствующими величинами, отсчитанными по горизонтальной шкале.

Вып