Методические указания по выполнению лабораторных работ по физике

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ

ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

--------------------------------------------

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

«БОГУЧАРСКИЙ МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ГБПОУ ВО «БМК»

МЕТОДИЧЕСКИЕ указания

по выполнению лабораторных работ по физике

Для профессий:

23.01.03 Автомеханик

35.01.13 Тракторист-машинист с/х производства

Для обучающихся 1 курса

2020 г.

Методические рекомендации по выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Физика» разработаны на основе Федерального государственного образовательного стандарта (далее – ФГОС) по программам подготовки квалифицированных рабочих, служащих: 23.01.03 Автомеханик, 35.01.13 Тракторист-машинист с/х производства.

УТВЕРЖДАЮ

Заместитель директора по УР

ГБПОУ ВО «БМК»

___________ Е.В. Жданова

Программа рассмотрена на заседании УМО ГБПОУ ВО «БМК»

протокол № 1 от 28 августа 2020 г.

Разработчик программы:

_________М.М. Коломойцев, преподаватель ГБПОУ ВО «БМК»

Содержание

1. Пояснительная записка…………………………………………………… 4

2. Критерии оценки практических заданий………………………………... 6

3. Техника безопасности…………………………………………………….. 7

4. Перечень практических и лабораторно- практических работ……… 8

4. Содержание лабораторно-практических занятий………………... .… .9-66

5. Список рекомендуемой литературы………………………………………..67-68

Пояснительная записка

Методические указания по выполнению лабораторно - практических работ по дисциплине Физика являются составной частью УМК по Физике и предназначены для профессий: 23.01.03 Автомеханик, 35.01.13 Тракторист-машинист с/х производства.

Цель методических рекомендаций по выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине "Физика":

организация выполнения обучающимися практических и лабораторных работ, предусмотренных программой по физике, формирование и закрепление навыков работы с лабораторным оборудованием, организация определения погрешности и числовой обработки результатов лабораторного эксперимента, формирование навыков самостоятельной работы студентов со справочной литературой, развитие внимательности и аккуратности при выполнении лабораторных работ, формирование общеучебных и общепрофессиональных компетенций студентов.

Весь процесс выполнения лабораторных работ включает в себя теоретическую подготовку, ознакомление с приборами и сборку схем, проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и сдачу зачета по выполненной работе.

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 или практической 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

Лабораторные работы проводятся в учебном кабинете лицея, оснащенном всем необходимым техническим и лабораторным оборудованием. Перед началом каждым занятием проводится инструктаж по технике безопасности.

Приступая к лабораторным работам, необходимо:

1. получить у лаборанта 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.

Преподаватель принимает выполненную учащимся лабораторную работу в индивидуальном порядке. Хорошо выполненные работы следует рекомендовать для ознакомления всем учащимся. Для зачета, по окончании лабораторных работ, учащийся представляет надлежащим образом оформленную тетрадь.

Целесообразно в конце занятия сообщать тему следующего практического занятия и указывать литературные источники. Учащиеся в таких случаях приходят с готовыми конспектами, и преподавателю остается дать лишь целевую установку занятия, распределить задания, показать технику выполнения. После этого учащиеся приступают к самостоятельной работе.

Критерии оценки практической работы.

Практические занятия оцениваются преподавателем, исходя из следующих критериев успешности работ:

1) соответствие содержания работы заданной теме и оформление в соответствии с существующими требованиями;

2) логика изложения, взаимосвязь структурных элементов работы;

3) объем, характер и качество использованных источников;

4) обоснованность выводов, их глубина, оригинальность;

5) теоретическая и методическая достаточность, стиль и качество оформления компьютерной презентации

Оценивая итоговое задание, преподаватель ставит отметку.

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.

- в отчете правильно и аккуратно выполнены все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления;

- правильно выполнен анализ погрешностей.

«4» (хорошо) ставится в том случае, если были выполнены требования к оценке «5», но допущены недочеты или негрубые ошибки.

«3» (удовлетворительно) ставится, если результат выполненной части таков, что позволяет получить правильные выводы, но в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

«2» (неудовлетворительно) ставится, если результаты не позволяют сделать правильных выводов, если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Техника безопасности при выполнении практических и лабораторных занятий.

Перед началом занятия:

1. Внимательно прослушайте вводный инструктаж преподавателя о порядке и особенностях выполнения практического занятия.

2. Внимательно изучите методические указания к работе, которую выполняете и строго руководствуетесь.

3. Подготовьте рабочее место для безопасной работы: уберите его, если на нем находятся посторонние предметы;

4. Проверьте и подготовьте к работе, согласно методическим указаниям, необходимые инструменты и принадлежности.

Во время работы:

1. Выполняйте только ту работу, которая разрешена преподавателем.

2. За разъяснениями по всем вопросам выполнения практического занятия обращайтесь к преподавателю.

3. Будьте внимательны и аккуратны. Не отвлекайтесь сами и не отвлекайте других. Не вмешивайтесь в процесс работы других обучающихся, если это предусмотрено инструкцией

По окончании работы:

1. Наведите порядок на рабочем месте и сдайте его преподавателю;

2. Сдайте преподавателю учебную литературу и инструменты;

При выполнении работы строго запрещается:

1. Бесцельно ходить по кабинету и лаборатории.

2. Покидать помещение кабинета(лаборатории) в рабочее время без разрешения преподавателя.

Перечень лабораторных и практических работ по физике

№	Тема	Количество часов
1	Изучение движения тела по окружности.	2
2	Изучение закона сохранения механической энергии	2
3	Изучение колебаний пружинного маятника	2
4	Определение ускорения свободного падения	2
5	Наблюдение процесса кристаллизации	2
6	Измерение влажности воздуха	2
7	Изучение особенностей теплового расширения воды	2
8	Решение задач по теме «КПД тепловых двигателей»	2
9	Изучение теплового расширения твердых тел	2
	Всего за 1 год обучения	18 часов

Лабораторная работа №1

Тема: «Изучение движения тела по окружности

Цель работы:	измерить ускорение шарика, скатывающегося по наклонному желобу.
Оборудование:	металлический желоб, штатив с муфтой и зажимом, стальной шарик, металлический цилиндр, измерительная лента, секундомер или часы с секундной стрелкой.
Описание работы:	Движение шарика, скатывающегося по желобу, приближенно можно считать равноускоренным. При равноускоренном движении без начальной скорости модуль перемещения s, модуль ускорения а и время движения t связаны соотношением .Поэтому, измерив s и t, мы можем найти ускорение а по формуле Чтобы повысить точность измерения, ставят опыт несколько раз, а затем вычисляют средние значения измеряемых величин.

Продолжительность занятия: 2 часа

Ход работы:

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

2. Отметьте на желобе начальное положение шарика, а также его конечное положение.

3. Измерьте расстояние между верхней и нижней отметками на желобе (модуль s перемещения шарика) и результат измерения запишите в таблицу.

4.  Выбрав момент, когда секундная стрелка находится на делении, кратном 10-ти, отпустите шарик без толчка у верхней отметки и измерьте время t до удара шарика о цилиндр. Повторите опыт 5 раз, записывая в таблицу результаты измерений. При проведении каждого опыта пускайте шарик из одного и того же начального положения, а также следите за тем, чтобы верхний торец цилиндра находился у соответствующей отметки.

5. Вычислите  и результат запишите в таблицу.

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

   № опыта	S, м	а, м/с2	t, с	tcp, с
   1
   2
   3
   4
   5

7. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

Контрольные вопросы:

1. Что такое равноускоренное движение?

2. Ускорение, его обозначение, формула и единица измерения.

3. Какую формулу мы использовали для нахождения среднего значения времени?

4. Может ли точка иметь ускорение, если ее скорость в данный момент равна нулю?

Литература: Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2019.

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2019.

Интернет-ресурсы:

1.http://www.consultant.ru

2.http://www.garant.ru

3. http://www.akdi.ru

4. http://ru.wikipedia.org

Лабораторная работа №2

Тема: Изучение закона сохранения механической энергии.

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

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

Продолжительность занятия: 2 час.

Ход работы

1. Привяжите груз к нити, другой конец нити привяжите к крючку динамометра и измерьте вес груза P₁ = тg (можно использовать массу груза, если она известна).

2. Измерьте расстояние l от крючка динамометра до центра тяжести груза.

3. Поднимите груз до высоты крючка динамометра и опустите его. Поднимая груз, расслабьте пружину и укрепите фиксатор около ограничительной скобы.

4. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное удлинение l пружины.

5. Растяните рукой пружину до соприкосновения фиксатора со скобой и отсчитайте по шкале максимальное значение модуля силы упругости пружины. Среднее значение силы упругости равно Р/2

6. Найдите высоту падения груза. Она равна h = l +

7. Вычислите потенциальную энергию системы в первом положении груза, т.е. перед началом падения, приняв за нулевой уровень значение потенциальной энергии груза в конечном положении: Е'_р = тgh = Р₁(l + ).

8. В конечном положении груза его потенциальная энергия равна нулю. Потенциальная энергия системы в этом состоянии определяется лишь энергией упруго деформированной пружины. Вычислите ее:

E_p = k ²/2 =P /2

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу

Р1 = тg	l		F	h= l+ 	Е'р = Р1 (l + )	Ep = k 2/2 =P /2

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

Контрольные вопросы

1. От чего зависит потенциальная энергия?

2. От чего зависит кинетическая энергия?

1. В каких случаях механическая энергия системы остается неизменной?

2. Какие силы называют консервативными?

Литература:

1. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2018.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2018.

3. Степанов С.В. Механика. Руководство по выполнению лабораторных работ. – ПФ РНПО Росучприбор

Лабораторная работа №3

Тема: Изучение закона сохранения механической энергии.

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

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

Продолжительность занятия: 1 час.

Ход работы

1. Привяжите груз к нити, другой конец нити привяжите к крючку динамометра и измерьте вес груза P₁ = тg (можно использовать массу груза, если она известна).

2. Измерьте расстояние l от крючка динамометра до центра тяжести груза.

3. Поднимите груз до высоты крючка динамометра и опустите его. Поднимая груз, расслабьте пружину и укрепите фиксатор около ограничительной скобы.

4. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное удлинение l пружины.

5. Растяните рукой пружину до соприкосновения фиксатора со скобой и отсчитайте по шкале максимальное значение модуля силы упругости пружины. Среднее значение силы упругости равно Р/2

6. Найдите высоту падения груза. Она равна h = l +

7. Вычислите потенциальную энергию системы в первом положении груза, т.е. перед началом падения, приняв за нулевой уровень значение потенциальной энергии груза в конечном положении: Е'_р = тgh = Р₁(l + ).

8. В конечном положении груза его потенциальная энергия равна нулю. Потенциальная энергия системы в этом состоянии определяется лишь энергией упруго деформированной пружины. Вычислите ее:

E_p = k ²/2 =P /2

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу

Р1 = тg	l		F	h= l+ 	Е'р = Р1 (l + )	Ep = k 2/2 =P /2

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

Контрольные вопросы

1. От чего зависит потенциальная энергия?

2. От чего зависит кинетическая энергия?

1. В каких случаях механическая энергия системы остается неизменной?

2. Какие силы называют консервативными?

Литература:

1. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

3. Степанов С.В. Механика. Руководство по выполнению лабораторных работ. – ПФ РНПО Росучприбор, 2002

Схема установки опыта

Лабораторная работа № 3

Изучение колебаний пружинного маятника

Цель: изучить колебания пружинного маятника и измерить жесткость пружины с помощью груза.

Оборудование: набор грузов, пружина, штатив, линейка, секундомер, весы, разновес.

Ход работы

1. Определите массу груза с помощью весов.

2. Отклоните груз на пружине вниз приблизительно на 2 см и отпустите его.

3. Измерьте не менее четырёх раз время 5-10-ти полных колебаний.

4. Вычислите период колебаний T.

5. Определите жёсткость пружины

Таблица к работе

№	m, кг	N	t, c	T,c	〈k〉, Н/м

Задачи к работе 1 вариант

1)Груз массой 9,86 кг колеблется на пружине, имея период колебаний 2с. Чему равна жёсткость пружины? Какова частота колебаний груза?

2)Найти массу груза, который на пружине жёсткостью 250Н/м делает 20 колебаний за 16с.

3) Сколько времени будут длиться 10 колебаний груза на пружине, если масса груза 100 г, а жесткость пружины 10 Н/м?

Задачи к работе 2 вариант

1) Какой жесткости следует взять пружину, чтобы груз массой 0,1 кг совершал свободные колебания с периодом 0,3 с ?

2)Определите массу груза, который на пружине жестко­стью 250 Н/м совершает 40 колебании за 32 с.

3) Определить промежуток времени, в течение которого тело массой 360 г совершит 20 колебаний на пружине жесткостью 10 Н/м.

рис. 1

Контрольные вопросы

1. От чего зависит период пружинного маятника?

2.Что такое жесткость пружины?

3. От чего зависит колебания пружинного маятника?

Литература:

1. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

3. Степанов С.В. Механика. Руководство по выполнению лабораторных работ. – ПФ РНПО Росучприбор, 2002

Лабораторная работа №4

Измерение ускорение свободного падения с помощью маятника.

Цель работы: измерить ускорение свободного падения с помощью маятника.

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

Описание работы: период колебаний математического маятника T = 2π . Поэтому, измерив длину маятника и период колебаний, можно определить ускорение свободного падения. Ход работы

1. Установите штатив на краю стола и закрепите у верхнего конца штатива с помощью муфты кольцо. Подвесьте к нему шарик на нити.

2. Измерьте расстояние от точки подвеса до центра шарика

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

4. Измерьте время, в течение которого шарик совершает 40 колебаний.

5. Вычислите значение ускорения, выразив его из формулы для периода.

6. Результаты запишите в таблицу.

   № опыта	, м	N	t ,с	g , м/с2

1. Сравните полученное значение ускорение со значением 9,8 м/с² .

2. Запишите вывод.

Контрольные вопросы

1. Как зависит ускорение свободного падения от географической широты?

2. Как зависит ускорение свободного падения от высоты над Землёй?

3. Чему равно ускорение на других планетах?

Литература:

1. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 11 кл. – М., 2018.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. Учебник для 11 кл. – М., 2018.

3. Степанов С.В. Электричество . Руководство по выполнению лабораторных работ. – ПФ РНПО Росучприбор,

Лабораторная работа №5

Тема: Наблюдение процесса кристаллизации (Определение температуры кристаллизации вещества) 

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

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

Теория

   Одной из характеристик кристаллических тел, отличающих их от аморфных, является определённая температура плавления (и равная ей температура кристаллизации).  Другими словами, когда кристаллическое тело при постоянном нагревании достигает температуры плавления, его температура на некоторое время перестаёт повышаться, и только тогда, когда всё тело становится жидким, его температура начинает снова возрастать. Такая же задержка в изменении температуры происходит и при остывании жидкости, превращающейся в кристаллическое тело.

   По мере охлаждения расплавленного кристаллического вещества его частицы замедляют свое хаотическое движение. При достижении температуры плавления скорость движения частиц уменьшается, и они под действием сил притяжения начинают «пристраиваться»  одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура его остается постоянной. Это температура кристаллизации или температура плавления данного кристаллического тела.

   После этого как все вещество перейдет в твердое состояние, температура его снова начинает понижаться.

   Твёрдые парафины являются кристаллическими телами. В данной работе на опыте убедимся в кристаллической природе высокоочищенного (белого) парафина, применяемого в физиотерапии.

Ход работы

1.  Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:

Время, Т, мин.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Температура, t°, °C

 

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

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

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

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

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

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

7. По графику определите температуру кристаллизации парафина.

8. Запишите общий вывод и ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

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

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

3. Отметьте на графике участки, соответствующие:

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

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

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

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

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

Вариант выполнения лабораторной работы.

Время, Т, мин.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Температура, t°, °C	72	69	67	61	58	56	55	55	55	52	51	50	49

 

Литература:

1. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

3. Степанов С.В. Механика. Руководство по выполнению лабораторных работ. – ПФ РНПО Росучприбор, 2002

Лабораторная работа №6

Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА.»

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

Оборудование: 1. Психрометр.

Теория.

В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды, которая испаряется с поверхности морей, рек, океанов и т.п.

Воздух, содержащий водяной пар, называют влажным.

Влажность воздуха оказывает огромное влияние на многие процессы на Земле :на развитие флоры и фауны, на урожай сельхоз. культур, на продуктивность животноводства и т.д. Влажность воздуха имеет большое значение для здоровья людей, т.к. от неё зависит теплообмен организма человека с окружающей средой. При низкой влажности происходит быстрое испарение с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, что приводит к ухудшению состояния.

Значит, влажность воздуха надо уметь измерять. Для количественной оценки влажности воздуха используют понятия абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность – величина, показывающая, какая масса паров воды находится в 1 м³ воздуха (т.е. это плотность водяного пара). Она равна парциальному давлению пара при данной температуре.

Парциальное давление пара – это давление, которое оказывал бы водяной пар, находящийся в воздухе , если бы все остальные газы отсутствовали.

Относительная влажность воздуха – это величина, показывающая, как далек пар от насыщения. Это отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного   пара p₀ при той же температуре, выраженное в процентах:

Если воздух не содержит паров воды, то его абсолютная и относительная влажность равны 0. Предельное значение относительной влажности – 100%. Нормальной для человеческого организма считается влажность 60%.

Для измерения влажности воздуха используют приборы гигрометры и психрометры.

1. Конденсационный гигрометр. Состоит из укрепленной на подставке металлической круглой коробочки с отполированной плоской поверхностью. В коробочке сверху имеются два отверстия. Через одно из них в коробочку наливают эфир и вставляют термометр, а другое соединяют с резиновой грушей. Действие конденсационного гигрометра основано на определении точки росы.

Точка росы – это температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

Продувают воздух через эфир (с помощью резиновой груши), при этом эфир быстро испаряется и охлаждает коробочку. Слой водяного пара, находящийся вблизи поверхности коробочки, благодаря теплообмену тоже станет охлаждаться. При определенной температуре этот водяной пар начнет конденсироваться и на отполированной поверхности коробочки появляются капельки воды (роса). По термометру определяют эту температуру, это и будет точка росы. В таблице «Давление насыщенных паров и их плотность при различных температурах» по точке росы находят абсолютную влажность – соответствующую этой температуре плотность паров или их давление.

Давление насыщенных паров и их плотность при различных температурах

t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3	t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3	t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3
- 5	401	3,24	6	933	7,30	17	1933	14,5
- 4	437	3,51	7	1000	7,80	18	2066	15,4
- 3	476	3,81	8	1066	8,30	19	2199	16,3
- 2	517	4,13	9	1146	8,80	20	2333	17,3
- 1	563	4,47	10	1226	9,40	21	2493	18,8
0	613	4,80	11	1306	10,0	22	2639	19,4
1	653	5,20	12	1399	10,7	23	2813	20,6
2	706	5,60	13	1492	11,4	24	2986	21,8
3	760	6,00	14	1599	12,1	25	3173	23,0
4	813	6,40	15	1706	12,8	26	3359	24,4
5	880	6,80	16	1813	13,6	27	3559	25,8

Чтобы найти относительную влажность, надо давление насыщенного пара при температуре точки росы разделить на давление насыщенного пара при температуре окружающего воздуха и умножить на 100%.

2. Волосной гигрометр. Его работа основана на том, что обезжиренный человеческий волос при увеличении влажности воздуха удлиняется, а при уменьшении влажности укорачивается. Волос оборачивают вокруг легкого блока, прикрепив один конец к раме, а к другому подвешивают груз. При изменении длины волоса указатель (стрелка), прикрепленный к блоку, будет двигаться, перемещаясь по шкале. Шкалу градуируют по эталонному прибору.

3. Психрометр. (от греч «психриа» - холод). Состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из них обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода смачивает марлю на резервуаре термометра и при её испарении он охлаждается. По разности температур сухого и влажного термометров по психрометрической таблице определяют влажность воздуха.

Ход работы.

Задание 1. Измеритьвлажность воздуха с помощью психрометра.

1. Подготовить таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

№ опыта	tсухого, 0С	tвлажного, 0С	Δt, 0С	φ, %
1

1. Рассмотреть устройство психрометра.

2. По показаниям сухого термометра измерить температуру воздуха t_сухого в помещении.

3. Записать показания термометра, резервуар которого обмотан марлей t_{влажного}

4. Вычислить разность показаний термометров Δt = t_сухого - t_{влажного}

5. По психрометрической таблице определить влажность воздуха φ

6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

7. Сделайте вывод о том, нормальная ли влажность воздуха в помещении.

8. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

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

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

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

4. При каком условии разности показаний термометров наибольшая?

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

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

7. Каким может быть предельное значение относительной влажности воздуха?

Психрометрическая таблица.

tсухого,0С	Разность показаний сухого и влажного термометров
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
5	100	86	72	58	45	32	19	6
6	100	86	73	60	47	35	23	10
7	100	87	74	61	49	37	26	14
8	100	87	75	63	51	40	28	18
9	100	88	76	64	53	42	31	21
10	100	88	76	65	54	44	34	24	14	4
11	100	88	77	66	56	46	36	26	17	8
12	100	89	78	68	57	48	38	29	20	11
13	100	89	79	69	59	49	40	31	23	14	6
14	100	90	79	70	60	51	42	33	25	17	9
15	100	90	80	71	61	52	44	36	27	20	12	5
16	100	90	81	71	62	54	45	37	30	22	15	8
17	100	90	81	72	64	55	47	39	32	24	17	10
18	100	91	82	73	64	56	48	41	34	26	20	13
19	100	91	82	74	65	58	50	43	35	29	22	15
20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24	18
21	100	91	83	75	67	60	52	46	39	32	26	20
22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28	22
23	100	92	84	76	69	61	55	48	42	36	30	24
24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31	26
25	100	92	84	77	70	63	57	50	44	38	33	27
26	100	92	85	78	71	64	58	51	45	40	34	29
27	100	92	85	78	71	65	59	52	47	41	36	30
28	100	93	85	78	72	65	59	53	48	42	37	32

Вариант выполнения работы.

Показания сухого термометра 24 ⁰С.

Показания влажного термометра 21 ⁰С.

Лабораторная работа №7 Изучение особенностей теплового расширения воды

Цель работы: освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.

Схема устройства.

1 – термометр;

2 - ареометр;

3 – вискозиметр;

4 - капиллярный вискозиметр;

5 – сталагмометр.

Определение коэффициента теплового расширения жидкости.

Порядок выполнения работы:

1) Подсчитать общее число градусных делений  в шкале термометра измерить расстояниеl между крайними штрихами шкалы.

2) Вычислить приращение объема термометрической жидкости  , гдеr- радиус капилляра термометра.

3) С учетом начального (при 0⁰С) объема термометрической жидкости W - значение коэффициента теплового расширения  и сравнить его со значением . Значение используемых величин занести в таблицу.

1) Число делений 52

2) r=0,01 см. 

3) 

Жидкость	кг/м3	МПа-1	С-1	м2/с	Н/м
Вода пресная	998	0,49	0,15	1,01	73
Спирт этиловый	790	,78	1,10	1,52	23
Масло:
Автол М-8В	900	0,60	0,64	300	25
Индустриальное 20	900	0,72	0,73	110	25
Трансформаторное	890850	0,60	0,70	30	25
АМГ-10		0,76	0,83	20	25

Жидкость в термометре – автол.

Вид жидкости	r ,см	W,см3	T, 0С	L, см	W, см3	, 0С-1	С-1
Спирт	0,01	0,0274	27,4.10-3	5	15,7*10-4	0,573	0,64

Измерение плотности жидкости ареометром. Порядок выполнения работы:

1) Измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нем.

2) Вычислить плотность жидкости по формуле  где т иd –масса и диаметр ареометра. Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра G=mg и выталкивающей (архимедовой) силы P_A=pgw , где объем погруженной части ареометра W= ( d²/4)h.

3) Сравнить опытные значения плотности р со справочным значением р* . Значение используемых величин свести в таблицу.

Вид жидкости	m, г	d, см	h ,см	,г/см3	,г/см3
Вода	5,5	1,1	6	0,9	0,998

Определение вескости вискозиметром Стокса. Порядок выполнения работы:

1) Повернуть устройство №1 в вертикальной плоскости на 180⁰ и зафиксировать секундомером время t прохождения шариком расстояния l между двумя метками в приборе 3. Шарик должен падать по оси емкости без соприкосновения со стенками. Опыт выполнить 3 раза, а затем определить среднеарифметическое значение времени t.

2) Вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости жидкости  , гдеg - ускорение свободного падения; d, D - диаметры шарика и цилиндрической емкости; p, p_ш - плотности жидкости и материала шарика;

3)Сравнить опытным путем значение коэффициента вязкости  с табличным значением * . Значения используемых величин свести в таблицу.

Вид жидкости	, кг/м3	t,с	l,м	d,м	D,м	ш, кг/м3	,м2/с	*м2/с
М-8В	900	17	0,07	0,008	0,02	982	300·10	300·10

Практическая работа

Тема: Решение задач на расчет КПД тепловых двигателей.

Цель: совершенствовать у учащихся навыки решения задач с техническим содержанием.

Тест по теме «Тепловые двигатели».

1 вариант

1. КПД тепловой машины, работающей без потерь энергии, является максимальным, если ее рабочий цикл включает:

А. две адиабаты, две изохоры;

Б. две изобары, две изохоры;

В. Две изохоры, две изотермы;

Г. Две изотермы, две адиабаты.

1. Тепловой двигатель с КПД, равным 40%, за цикл совершает полезную работу 200 Дж. Какое количество теплоты получает двигатель от нагревателя?

А. 50 Дж;

Б. 120 Дж;

В. 300 Дж;

Г. 500 Дж.

1. Тепловая машина получает за цикл от нагревателя количество теплоты 100 Дж и отдает холодильнику 75 Дж. Чему равен КПД машины?

А. 20%;

Б. 40%;

В. 25%;

Г. 32%.

1. Каково максимально возможное значение КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 427˚С и холодильник с температурой 27˚С?

А. 0,06;

Б. 0,57;

В. 0,94;

Г. 0,43.

1. Температура нагревателя идеальной тепловой машины в 2,5 раза больше температуры холодильника. Чему равен максимальный КПД машины?

А. 25%;

Б. 40%;

В. 60%;

Г. 75%.

Таблица ответов

№ задания	1	2	3	4	5
Ответ

2 вариант

1. КПД тепловой машины, работающей без потерь энергии, является максимальным, если ее рабочий цикл включает:

А. две адиабаты, две изохоры;

Б. две изобары, две изохоры;

В. Две изохоры, две изотермы;

Г. Две изотермы, две адиабаты.

1. Тепловой двигатель с КПД, равным 40%, за цикл совершает полезную работу 200 Дж. Какое количество теплоты получает двигатель от нагревателя?

А. 50 Дж;

Б. 120 Дж;

В. 300 Дж;

Г. 500 Дж.

1. Тепловая машина получает за цикл от нагревателя количество теплоты 100 Дж и отдает холодильнику 75 Дж. Чему равен КПД машины?

А. 20%;

Б. 40%;

В. 25%;

Г. 32%.

1. Каково максимально возможное значение КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 427˚С и холодильник с температурой 27˚С?

А. 0,06;

Б. 0,57;

В. 0,94;

Г. 0,43.

1. Температура нагревателя идеальной тепловой машины в 2,5 раза больше температуры холодильника. Чему равен максимальный КПД машины?

А. 25%;

Б. 40%;

В. 60%;

Г. 75%.

Таблица ответов

№ задания	1	2	3	4	5
Ответ

1. Вопрос: Чтобы перейти к решению задач, вспомним теорию…

• От чего зависит КПД теплового двигателя?

• Почему расширение рабочего тела надо проводить при более высокой температуре, чем сжатие?

• Как можно получить двигатель с максимальным КПД? (Цикл Карно)– ( плакат).

1. Решение графической задачи на расчет КПД (условие на доске)

Предварительно учащиеся (совместно) составляют алгоритм решения задачи. Затем решаем на доске по этапам (2 чел).

План решения задачи

• КПД=A/Qн

• Найти А полезную

• Определить, на каких участках рабочее тело получает тепло (обозначить Т)

• Найти ΔU

• Найти Анагр

• Найти Qн=ΔU+Aнагр

• Посчитать КПД

1. Решаем по вариантам (и на доске) задачи на расчет КПД (треугольники).

Вывод: КПД зависит не только от формы и размера цикла, но и от его расположения).

Лабораторная работа №9

Тема: Изучение теплового расширения твердых тел

Цель работы: Изучение основных положений молекулярно-кинетической теории, измерение коэффициента линейного теплового расширения твердых тел.

Приборы и принадлежности: нагревательная печь, пробирка с водой, термометр, индикатор удлинения часового типа, набор стержней из разных материалов.

Общие сведения

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

• тела состоят из молекул, а молекулы – из атомов;

• молекулы находятся в непрерывном движении;

• на расстояниях r r₀ ~0,1 нм молекулы отталкиваются, при – притягиваются, однако при r  10r₀ сила притяжения пренебрежимо мала (верхний график на рис. 1).

График потенциальной энергии взаимодействия молекул (атомов) представляет собой потенциальную яму (нижний график на рис.1).

Взаимодействие между атомами, которые размещаются в узлах кристаллической решетки, определяется зависимостью потенциальной энергии W_р от расстояния r между ними (рис.2). Расстояние между взаимодействующими атомами соответствует минимуму потенциальной энергии при абсолютном нуле температур.

рис. 1.	рис. 2.

Согласно представлениям классической физики, атомы при абсолютном нуле температур неподвижны, каждый из них находится в положении устойчивого равновесия − на дне потенциальной ямы. С повышением температуры атом начинает колебаться возле этого положения равновесия, имея среднюю кинетическую энергию kT. Температура является мерой средней кинетической энергии теплового движения атомов или молекул.

При некоторой температуре Т₁, не сильно отличающейся от нормальной температуры Т₀ = 273,15 К, которой по шкале Цельсия соответствует температура t = 0°C, суммарная кинетическая и потенциальная энергия атома равна Е. Это означает, что в процессе колебаний расстояние между атомами изменяется от к . Среднее расстояние между атомами будет равно Поскольку график потенциальной энергии не симметричен относительно положения равновесия – точки , то с увеличением температуры среднее расстояние между атомами будет возрастать. Следовательно, будут возрастать линейные размеры и объем тела. Это явление называется тепловым расширением.

Как видно из графика, (рис.2) расстояние между молекулами при температурах, не на много отличающихся от 0°C, практически линейно зависит от температуры. Это позволяет записать линейный размер (длину) L тела в виде:

,

(1)

где L₀ − длина тела при температуре  0°C, – коэффициент линейного теплового расширения твердого тела.

Для анизотропных твердых тел (кристаллов) коэффициент линейного теплового расширения зависит от направления, для изотропных (аморфных, таких как стекло, и поликристаллических, к которым принадлежат металлы) – не зависит. Для железа и бетона К^-1.

Из формулы (1) вытекает зависимость объема тела от температуры:

,

(2)

где − коэффициент объемного теплового расширения.

Записав уравнение (1) для двух значений температуры, получим систему уравнений:

Решая систему уравнений, получаем,

,

(3)

где − приращение длины тела при его тепловом расширении; очевидно, что .

Абсолютная погрешность результата косвенных измерений коэффициента линейного теплового расширения:

,

(4)

где , , − погрешности измерения приращения x длины стержня, длины стержня L, температуры Т, соответственно.

Рис. 3.

О писание лабораторной установки

Установка (рис. 3) сос-тоит из наполненной водой пробирки 5, нагревательной печи 4, микрометрического индикатора 1, закрепленного в обойме винтом 2. Инди-катор может поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси вместе с кронштейном, на котором он закреплен. Образец (стержень) 6 располагается между толкателем 3 индикатора и дном пробирки. При нагревании образец расширяется и перемещает толкатель 3 индикатора. Удлинение стержня фиксируется на шкале индикатора.

Порядок выполнения работы

1. Заполните пробирку на три четверти водой комнатной температуры и измерьте начальную температуру воды Т₁. Результаты этого и дальнейших измерений заносите в табл. 1.

2. Измерьте штангенциркулем длину L₁ стержня–образца и поместите его в пробирку.

3. Приведите в контакт толкатель 3 индикатора удлинения с образцом и зафиксируйте индикатор удлинения винтом 4.

4. Совместите нулевое деление шкалы индикатора с его стрелкой.

5. Включите электронагреватель и, доведя воду в пробирке до кипения Т₂, снимите отсчет х удлинения образца. После чего выключите нагреватель.

6. Отпустите винт 4, отклоните индикатор 1 в сторону, выньте пробирку с образцом из печи, замените воду в пробирке водой комнатной температуры и замените образец.

7. Согласно пунктам 1  -  5 проведите измерения для второго образца.

8. Занесите в табл. 1 значение погрешностей измерения приращения длины стержня, длины стержня и температуры ( , , ), считая, что каждая из них равняется половине цены наименьшего деления шкалы соответствующего прибора.

Таблица 1

Образец	L, м	Т1, К	x, м	Т2, К	α, К-1	ΔL, м	ΔТ, К	Δx, м	Δα, К-1
1
Среднее значение
2
Среднее значение

ПРИМЕЧАНИЕ: Операции после помещения пробирки с образцом в печь нужно выполнять как можно быстрее, чтобы температура образца не успела повыситься, прежде чем будет установлен нуль на шкале индикатора.

9.Сравните полученные значения с табличными в таблице 2 и сделайте выводы относительно их соответствия.

Таблица 2

Свойства некоторых твердых тел

Вещество	Температура плавления, С	Удельная теплоемкость с, Дж/(кгК)	Удельная теплота плавления, , кДж/кг	Температурный коэффициент линейного расширения,  ·10-5, К-1
Алюминий Железо Латунь Лед Медь Олово Платина Пробка Свинец Серебро Сталь Цинк	659 1530 900 0 1100 232 1770 - 327 960 1300 420	896 500 386 2100 395 230 117 2050 126 234 460 391	322 272 - 335 176 58,6 113 - 22,6 88 - 117	2,3 1,2 1,9 - 1,6 2,7 0,89 - 2,9 1,9 1,06 2,9

Обработка экспериментальных данных

1. Для образца по формуле (3) найдите коэффициент линейного теплового расширения α.

2. Определите среднее значение α_ср:

.

3. Определите абсолютною погрешность отдельного вычисления косвенных измерений:

,

где = 10^-3 мм, = 0,5 мм, = 0,5^оС.

4. Определите среднее значение абсолютной погрешности:

.

5. Запишите окончательные результаты измерений в виде:

α_ист=α_ср ± Δα_ср.

6. Определите относительную погрешность измерения .

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетической теории.

2. Напишите и объясните формулу связи между средней кинетической энергией молекул и температурой тела.

3. Как строится график потенциальной ямы взаимодействия атомов (молекул)? Изобразите этот график.

4. Пользуясь графиком потенциальной ямы, объясните явление теплового расширения жидкостей и твердых тел.

5. Дайте определение коэффициента линейного теплового расширения твердого тела. В каких единицах он измеряется?

6. Запишите, как зависит длина тела от его температуры?

7. Как коэффициент линейного расширения связан с коэффициентом объемного расширения для изотропных твердых тел?

8. Как с физической точки зрения объяснить увеличение размеров твердого тела при возрастании его температуры?

9. Объясните, что характеризует температура тела?

10. В каких единицах измеряется коэффициент линейного расширения?

Литература:

1. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2017.

3. Степанов С.В. Механика. Руководство по выполнению лабораторных работ. – ПФ РНПО Росучприбор, 2002

49