Методические рекомендации к лабораторной работе "Измерение скорости света с помощью микроволновой печи"

Коми Республикаса йöзöс велöдан да том йöз политика министерство

Министерство образования и молодёжной политики Республики Коми

Государственное профессиональное образовательное учреждение

«Сыктывкарский торгово-технологический техникум»

Методические рекомендации к выполнению домашней лабораторной работы

«Измерение скорости света с помощью микроволновой печи»

по дисциплине ОУД.08 ФИЗИКА

Сыктывкар, 2016 г

Внеаудиторная самостоятельная работа (далее – ВСР) студента является неотъемлемой частью освоения образовательной программы по дисциплине ОУД.08 ФИЗИКА в рамках реализации ФГОС СПО.

Методические рекомендации по выполнению заданий внеаудиторной самостоятельной работы студентов по учебной дисциплине ФИЗИКА предназначены для подготовки по профессиям и специальностям СПО:

• 19.01.17 – Повар, кондитер;

• 19.01.04 – Пекарь;

• 38.01.02 – Продавец, контролер-кассир.

• 38.02.05. Товароведение и экспертиза качества потребительских товаров

• 19.02.10 Технология продукции общественного питания

• 19.02.03. Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий

Методические указания содержат требования к структуре, содержанию, оформлению заданий ВСР и составлены в соответствии с утвержденным учебным планом и программой по учебной дисциплине ОУД.08 ФИЗИКА.

Организация разработчик: Государственное профессиональное образовательное учреждения «Сыктывкарский торгово-технологический техникум» , 2016. –11с.

Методические рекомендации к выполнению внеаудиторной самостоятельной работы студентов в форме домашней лабораторной работы «Измерение скорости света с помощью микроволновой печи» по учебной дисциплине ОУД.08 ФИЗИКА /Составители: Исмагилов Р.Р. – студент группы ПК-12, Черепянская Н.Ф.– преподаватель высшей квалификационной категории. Сыктывкар: ГПОУ «СТТТ» , 2016. с.

Рассмотрены на заседании методического объединения протокол № 2 от 20 октября 2016 года.

Содержание:

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

1. Требования к результатам выполнения работы…………………………5

2. Требования к выполнению работы……………………………………….6

3. Требования к оформлению работы……………………………………….6

4. Критерии оценки лабораторно-практических работ………………….....7

5. Лабораторная работа

«Измерение скорости света с помощью микроволновой печи»……………………………………………………………………….8

1. Источники информации…………………………………………………11

Пояснительная записка

Цель методических указаний, содержащих подробный алгоритм действия по выполнению заданий ВСР, состоит в обеспечении эффективности самостоятельной работы, определении её содержания, установления требований к оформлению и результатам самостоятельной работы. Внеаудиторная самостоятельная работа выполняется студентом под руководством преподавателя, но без его непосредственного участия.

Выполнение лабораторно- практических работ по физике – это вид ВСР, который студенты проводят по некоторым темам с материалами и оборудованием, имеющимися в наличии домашних условиях.

Лабораторно-практические работы выполняются после изучения теоретической и практической части раздела или темы. В зависимости от содержания и объема темы лабораторно-практические работы по времени проводятся от 1 часа до нескольких дней (наблюдение за процессом)

Целью внеаудиторной самостоятельной работы студентов по дисциплине «Физика» в форме выполнения домашней лабораторной работы «Измерение скорости света с помощью микроволновой печи» является овладение фундаментальными знаниями по разделу «Основы электродинамики», опытом творческой, исследовательской деятельности, интеллектуальными навыками; развитие самостоятельности, ответственности и организованности, творческого подхода к решению проблем учебного и профессионального уровня.

Задачами внеаудиторной самостоятельной работы являются:

1) систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов;

2) углубление и расширение теоретических знаний;

3) развитие критического мышления, способностей к самообразованию, самосовершенствованию и самореализации;

5) развитие исследовательских умений, формирование интеллектуальных навыков;

6) использование материала, собранного и полученного в ходе выполнения ВСР для эффективной подготовки к контрольным работам, зачетам и экзаменам.

I. Требования к результатам выполнения домашней лабораторной работы «Измерение скорости света с помощью микроволновой печи»

В результате выполнения домашней лабораторной работы, студент должен:

знать/понимать:

• смысл понятий: физическое явление, гипотеза, закон, теория, вещество, взаимодействие, электромагнитное поле, электромагнитная волна, ее свойства и характеристики;

• смысл физических величин: скорость света

• вклад ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики;

уметь:

• описывать и объяснять физические явления и свойства тел: распространение электромагнитных волн; волновые свойства света; отличать гипотезы от научных теорий;

• делать выводы на основе экспериментальных данных;

• приводить примеры, показывающие, что: наблюдения и эксперимент являются основой для выдвижения гипотез и теорий, позволяют проверить истинность теоретических выводов; физическая теория дает возможность объяснять известные явления природы и научные факты, предсказывать еще неизвестные явления;

• приводить примеры практического использования физических знаний: различных видов электромагнитных излучений для развития радио и телекоммуникаций, квантовой физики в создании ядерной энергетики, лазеров;

• воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, Интернете, научно-популярных статьях;

• применять полученные знания для решения физических задач;

• определять характер физического процесса по графику, таблице, формуле;

• измерять ряд физических величин, представляя результаты измерений с учетом их погрешностей;

• использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни: для обеспечения безопасности жизнедеятельности в процессе использования бытовых электроприборов, средств радио- и телекоммуникационной связи; оценки влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей среды; рационального природопользования и защиты окружающей среды

1. Требования к выполнению работы:

1. Изучить информацию по теме, в т.ч. по технике безопасности.

2. Составить план и порядок выполнения работы.

3. Подготовить материалы, оборудование, измерительные приборы.

4. Провести опыт или наблюдение.

5. Выполнить необходимые вычисления, опираясь на законы и формулы.

6. Сформулировать выводы.

7. Оформить работу в отдельную тетрадь для самостоятельных. работ согласно требованиям по оформлению лабораторных работ.

8. Сдать преподавателю на проверку в установленный срок.

9. Подготовить устный отчет.

1. Требования к оформлению:

1. Наличие темы, названия работы.

2. Наличие целей и задач.

3. Наличие теоретической части: основные положения, законы, формулы.

4. Наличие оборудования, материалов, средств измерения.

5. Наличие плана выполнения работы: ход или порядок выполнения работы.

6. Наличие выполненных измерений, наблюдений, вычислений, расчетов.

7. Наличие рисунков, графиков, схем, таблиц.

8. Наличие сформулированных выводов.

1. Критерии оценки лабораторно-практических работ:

Оценка «5» ставится в том случае, если обучающийся:

а) выполнил работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений;

б) самостоятельно и рационально выбрал и подготовил для опыта необходимое оборудование, все опыты провел в условиях и режимах, обеспечивающих получение результатов и выводов с наибольшей точностью;

в) в представленном отчете правильно и аккуратно выполнил все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления и сделал выводы;

г) правильно выполнил анализ погрешностей;

д) соблюдал требования безопасности труда.

Оценка «4» ставится в том случае, если выполнены требования к оценке «5», но:

а) опыт проводился в условиях, не обеспечивающих достаточной точности измерении,

б) или было допущено два-три недочета, или не более одной негрубой ошибки и одного недочета.

Оценка «3» ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы, или если в ходе проведения опыта и измерений были допущены следующие ошибки:

а) опыт проводился в нерациональных условиях, что привело к получению результатов с большей погрешностью, 

б) или в отчете были допущены в общей сложности не более двух ошибок (в записях единиц, измерениях, в вычислениях, графиках, таблицах, схемах, анализе погрешностей и т. д.), не принципиального для данной работы характера, но повлиявших на результат выполнения,

в) или не выполнен совсем или выполнен неверно анализ погрешностей

г) или работа выполнена не полностью, однако объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы по основным, принципиально важным задачам работы.

Оценка «2» ставится в том случае, если:

а) работа выполнена не полностью, и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов,

б) или опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно,

в) или в ходе работы и в отчете обнаружились в совокупности все недостатки, отмеченные в требованиях к, оценке «3».

Преподаватель может повысить отметку за оригинальный ответ на вопрос или оригинальное решение задачи, которые свидетельствуют о высоком уровне усвоения материала и развитии обучающегося; за решение более сложной задачи или ответ на более сложный вопрос, предложенные обучающемуся дополнительно после выполнения им каких-либо других заданий.

1. Лабораторная работа 
   «Измерение скорости света с помощью микроволновой печи»

Объект исследования:  электромагнитные волны.

Предмет исследования: скорость света.

Задачи исследования:

1. Изучить особенности измерения скорости света с помощью микроволновой печи в домашних условиях.

2. Изучить характеристики микроволновой печи.

3. Провести эксперимент: измерить скорость света с помощью микроволновой печи, измерительной линейки и некоторых продуктов питания в домашних условиях и определить степень достоверности полученных данных.

Теоретическая часть работы:

Скорость света – это абсолютная величина скорости, с которой распространяются в вакууме электромагнитные волны. Скорость света относится к фундаментальным физическим величинам, т.е. она характеризует не отдельные свойства тела или поля, а свойства пространства и времени в целом. За каждую секунду свет преодолевает расстояние, примерно равное 300 000 км! По современным представлениям, скорость света в вакууме – предельная  скорость движения частиц и распространения взаимодействий, ее табличное значение 299 792 458 м/с. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

• собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (микроволны, радиоволны,  рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.);

• предположительно - гравитационные волны.

• Микроволны являются одной из форм электромагнитной энергии, как и световые волны или радиоволны, и распространяются они, согласно предположению Максвелла, с конечной скоростью, равной скорости света.

• В современной технике микроволны используются в микроволновой печи, для междугородной и международной телефонной связи, передачи телевизионных программ, работы Интернета на Земле и через спутники. Но микроволны наиболее известны нам в качестве источника энергии для приготовления пищи – микроволновая печь (СВЧ-печь).

• Каждая микроволновая печь содержит магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электрическое поле частотой 2450 МГц, которое и взаимодействует с молекулами воды в пище. Микроволны «бомбят» молекулы воды в пище, заставляя их вращаться с частотой в миллиарды раз в секунду, создавая межмолекулярное трение, которое и нагревает еду. Волна идет от одной стенки печи к другой, отражается и идет обратно, интерферирует сама с собой, и возникают так называемые стоячие волны. В них чередуются пики и спады, и именно в пиках нагревается еда, а в спадах остается холодной.

• В микроволновой печи имеется специальная вращающаяся подставка, она сделана для того, чтобы пища разогревалась равномерно. В точках, где волны в печи интерферируют (складываются), образуются так называемые «горячие зоны» . Если бы вращающейся подставки не было, часть пищи попадала бы в горячую зону, а часть в холодную. Убрав подставку можно вычислить горячие зоны.  Расстояние  между  двумя  соседними интерференционными максимумами  равно половине  длины  электромагнитной  волны, тогда длина волны будет равна расстоянию между «горячими зонами» - L, умноженному на два. Если измерить линейкой расстояние между «горячими зонами», то, умножив это значение на два, можно получить значение длины электромагнитной волны: =2L

• Длина волны   , её частота    и скорость распространения  c связаны между собой формулой:

• C = 

• Таким образом, для измерения скорости света необходимо измерить длину электромагнитной волны и её частоту.

Исходя из приведенных рассуждений, для измерения скорости света в домашних условиях необходимы: микроволновая печь, измерительная линейка и некоторые продукты питания. Для расчета скорости света достаточно получить значения длины электромагнитной волны (которая связана с расстоянием между «горячими зонами») и её частоты

Что происходит с продуктом при работе микроволновой печи?

В камере печи создаётся электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне длин волн. Данное излучение не видимо человеческим глазом. Микроволновое излучение имеет высокий коэффициент поглощения веществом, что приводит к существенному нагреву. При этом внутри камеры образуется стоячая волна (рисунок 1).

Рис.1 Микроволновая печь со стоячей волной

Стоячая волна образуется после отражения в результате интерференции (сложения) с исходной. Точки, в которых суммарная амплитуда волны максимальна, называются пучностями, а где амплитуда равна нулю – узлами.

В пучностях волны нагрев максимален, поэтому в них продукт плавится в первую очередь. Пучности представляют собой расплавленные области. Расстояние между центрами соседних пучностей равно половине длины волны (также, как и между соседними узлами). Поэтому для определения длины волны, необходимо это расстояние умножить на два.

Оборудование:

1. Микроволновая печь.

2. Лист картона размером с дно камеры микроволновой печи.

3. Продукты: яичный желток, сыр, сосиска, плитка шоколада, мука.

4. Тёрка.

5. Линейка.

6. Калькулятор

Измерения можно проводить как с использованием плитки шоколада, так и других продуктов. Алгоритм действий приводится для плитки шоколада. Если Вы решили работать с тёртым сыром, яичным желтком или сосикой, то просто замените в описании шоколад на другие продукты. Действия остаются теми же.

Практическая часть работы:

1. Положите шоколадку на лист картона.

2. Уберите из Вашей микроволновой печи вращающуюся платформу.

3. Установите лист картона в печь и включите её на 10 секунд.

4. Когда Вы достанете лист картона из печи, то увидите, что на шоколаде расплавились только отдельные участки. (Время может зависеть от печи – если шоколад расплавился полностью, время нужно уменьшить, если расплавленных участков не наблюдается, то увеличить.)

5. Используя линейку, измерьте расстояние между центрами расплавленных участков шоколада. Результат выразите в метрах. Это будет половина длины волны, создаваемой Вашей микроволновой печью.

6. На задней стенке печи должна быть наклейка, на которой указана частота электромагнитного излучения в герцах. Большинство печей работают на частоте 2450МГц. (Примечание: 1МГц=10⁶Гц.)

7. Используя расчетную формулу, определите скорость света.

8. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу

Таблица данных 

1. Определите полученное среднее значение скорости света в ваших опытах

2. Определите погрешности измерений:

Абсолютная погрешность ∆С = Стаб – Сср

Относительная погрешность δ=100%

1. Сформулируйте выводы по результатам работы. 

2. Ответьте на вопросы:

1. Что такое электромагнитные волны? Назовите примеры электромагнитных волн.

2. Перечислите основные свойства электромагнитных волн. Укажите области применения этих свойств.

3. Назовите характеристики электромагнитных волн и их физический смысл.

4. Что показывает скорость света? Какое значение имеет определение скорости света?

Источники информации

1. Длина электромагнитной волны [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B

2. Ещё раз о постоянстве скорости света [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.elementy.ru» Режим доступа: http://elementy.ru/lib/431403

3. Как измерили скорость света [Электронный ресурс]. Статья Philip Gibbs Режим доступа: http://cyber-ek.ru/science/measure_c.html

4. Микроволновое излучение [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

5. Микроволны в СВЧ-печах, их природа и свойства[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://medinteres.ru/interesnyie-faktyi/mikrovolnyi-v-svch-pechah.html

6. Можно ли превысить скорость света и нарушить классические теории науки [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.techjurnal.info»  Режим доступа: http://techjurnal.info/nauka/mozhno-li-prevysit-skorost-sveta-i-narushit-klassicheskie-teorii-nauki.html

7. Научный журнал Science опубликовал мнение ученых о превышении нейтрино скорости света [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.hep.by» Режим доступа: http://www.hep.by/2012/11/16/nauchnyj-zhurnal-science-opublikoval-mnenie-uchenyx-o-prevyshenii-nejtrino-skorosti-sveta/

8. Скорость света [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.ru.wikipedia.org» Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0

9. Чему равна скорость света. Формулы для определения скорости света [Электронный ресурс]. – Справочно - информационный интернет - портал «www.lifeandlight.ru» Режим доступа: http://lifeandlight.ru/istochniki-sveta/optika/chemu-ravna-skorost-sveta.html

14