Виртуальные лабораторные работы по учебному предмету «Физика».

Областное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

«Курский автотехнический колледж»

И.В. Авдулова

Виртуальные лабораторные работы

по учебному предмету «Физика».

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по специальности: «22.02.06 Сварочное производство», 23.02.01 «Организация перевозок и управление на транспорте (техник)»

Курск, 2021

Рассмотрено на заседании цикловой комиссией естественнонаучных дисциплин

Протокол № ____ от ______________

Председатель цикловой комиссии

______________ О.А. Морозова

Автор-составитель: И.В. Авдулова, преподаватель ОБПОУ «КАТК».

Рецензент: О.А. Морозова – преподаватель, ОБПОУ «КАТК»

Виртуальные лабораторные работы по учебному предмету «Физика»: Методические указания для самостоятельной работы студентов по специальности: 22.02.06 «Сварочное производство», 23.02.01 «Организация перевозок и управление на транспорте (техник)» / сост. И.В. Авдулова – Курск: ОБПОУ «КАТК», 2021. – 40 с.

Методические указания составлены представляют собой общие рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по специальности: 22.02.06. «Сварочное производство» и 23.02.01 «Организация перевозок и управление на транспорте (техник)». Данные указания содержат подробные инструкционные карты к лабораторным занятиям по всему курсу обучения физики и список использованной литературы. Материалы предназначены для студентов, обучающихся по программам среднего профессионального образования.

Авдулова И.В., 2021г.

ОБПОУ «Курский автотехнический колледж», 2021 г

Содержание

Пояснительная записка	4
Требования к выполнению лабораторных работ	6
Оценка ответов студентов при проведении лабораторных работ	7
Лабораторная работа №1 «Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости»	8
Лабораторная работа №2 «Проверка закона изобарного процесса Гей-Люссака»	11
Лабораторная работа №3 «Определение поверхностного натяжения жидкости»	15
Лабораторная работа №4 «Измерить ЭДС и определение внутреннего сопротивления источника тока»	18
Лабораторная работа №5 «Определение удельного сопротивления проводника»	22
Лабораторная работа №6 «Определение КПД электрического нагревателя воды»	26
Лабораторная работа №7 «Измерение периода колебаний пружинного маятника и изучение зависимости периода от массы груза (жесткости пружины)	29
Лабораторная работа №8 «Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа»	33
Лабораторная работа №9 «Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки»	36
Приложение №1	39

Пояснительная записка

При дистанционном обучении аналогом лабораторного занятия является виртуальная лабораторная работа. Цель методических указаний – облегчить работу преподавателя по организации и проведению в дистанционной форме, а также оказать помощь студентам в их выполнении.

При дистанционном обучении расширяются цели и задачи проведения лабораторных работ. На данный момент целью проведения лабораторных работ является формирование не только метапредметных и предметных, но и личностных результатов при освоении обучающимися программы.

Студенты не проводят реальные опыты на дистанционном обучении, следовательно, сами эти работы назвать лабораторными можно только с соблюдением ряда условий. Во-первых, обучающиеся должны изучить сам эксперимент на видеозаписи. В каждой инструкционной карте дана ссылка и подробное описание как найти видеролик с необходимой лабораторной работой, в котором подробно описано, как проводится данная работа в лабораторных условиях. Во-вторых, обязательное проведение опытов с фиксацией исходных и последующих данных на основе анимации, фотографии и т.д. В-третьих, обработка результатов проводится самостоятельно студентами, как и на реальных лабораторных занятиях в колледже.

Данные методические указания полностью основаны на применение виртуальных стендов лабораторных работ. Одним из онлайн-сервисов с виртуальными стендами является сайт mediadidaktika.ru. с огромным количеством лабораторных работ. Мediadidaktika.ru – это интуитивный, удобный и многофункциональный сервис, с одним лишь недостатком в отсутствии полного описания к работам. В данных методических рекомендациях этот недостаток был устранен. Для работы с mediadidaktika.ru регистрация не нужна, а для выхода к необходимой работе можно ввести в поисковой строке сервиса название работы, а кроме того дана ссылка в самой инструкционной карте.

Рис.1. Внешний вид онлайн-сервиса mediadidaktika.ru

Практическая значимость данных методических указаний заключается в возможности их применения не только в случае чрезвычайных ситуаций, но и очевидно при заочном обучении, при работе со студентами, длительно не посещающими учебные занятия по различным причинам.

Из-за огромного разнообразия ресурсов мною были составлены инструкционные карты лабораторных работ имеющих единую форму.

Ниже представлен план формы лабораторных работ.

1. номер лабораторной работы в соответствии с рабочей программой;

2. название лабораторной работы в соответствии с рабочей программой;

3. цель проведения лабораторного занятия;

4. перечень оборудования (реального или виртуального), используемого при проведении эксперимента;

5. ссылку на интернет – ресурс;

6. схему опыта;

7. последовательность выполняемых действий, то есть, задачи, решаемые для выполнения поставленной цели, с подробным объяснением;

8. таблицу для записи результатов эксперимента;

9. формулы для расчётов;

10. контрольные вопросы.

Задачи проведения лабораторных работ:

№ п/п	Формируемые результаты	Требования ФГОС	Базовые компетенции
1.	Владение навыками учебно-исследовательской деятельности.	Метапредметные результаты	Аналитические
2.	Понимание физической сущности наблюдаемых явлений.	Предметные результаты	Аналитические
3.	Владение основополагающими физическими понятиями, закономерностями, законами.	Предметные результаты	Регулятивные
4.	Уверенное пользование физической терминологией и символикой	Предметные результаты	Регулятивные
5.	Владение основными методами научного познания, используемыми в физике: измерение, эксперимент	Предметные результаты	Аналитические
6.	Умение обрабатывать результаты измерений.	Предметные результаты	Социальные
7.	Умение обнаруживать зависимость между физическими величинами.	Предметные результаты	Аналитические
8.	Умение объяснять полученные результаты и делать выводы.	Предметные результаты	Самосовершенствования

Требования к выполнению лабораторных работ.

При проведении виртуальных лабораторных работ возникает ряд особенностей.  Нет необходимости проводить инструктаж преподавателю, так как соприкосновения с реальным оборудованием у студентов не будет.

Студент должен выполнять лабораторные работы в соответствии с изучаемыми темами. Каждый студент после выполнения работы должен представить отчет о проделанной работе с анализом полученных результатов и выводом по работе.

Отчет о проделанной работе следует делать в рабочих тетрадях, аккуратно оформленным. С соблюдением основных правил выполнения схем, рисунков, графиков, таблиц. Содержание отчета указано в описании лабораторной работы.

Таблицы и рисунки следует выполнять с помощью чертежных инструментов (линейки, циркуля и т. д.) карандашом. Расчет следует проводить с точностью до двух значащих цифр. В Приложении 1 указаны правила расчета погрешностей измерений.

Критерий оценки лабораторной работы.

Оценку по лабораторной работе студент получает, с учетом срока выполнения работы, если:

1. расчеты выполнены правильно и в полном объеме;

2. сделан анализ проделанной работы и вывод по результатам работы;

3. отчет выполнен в соответствии с требованиями к выполнению лабораторной работы.

4. правильные ответы на контрольные вопросы к каждой работе.

Форма контроля:

Представление студента к назначенному сроку оформленного с предъявляемыми требованиями отчета по лабораторной работе.

Оценка ответов студентов при проведении лабораторных работ.

Оценка «5» ставится в следующем случае:

1. отчет по лабораторной работе предоставлен преподавателю в указанный срок;

2. лабораторная работа выполнена в полном объеме;

3. студент самостоятельно выполнил виртуальный эксперимент и может пояснить любое свое действие;

4. в отчете правильно и аккуратно выполнил все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления; правильно выполнил анализ погрешностей;

5. на защите работы ответил на все вопросы.

Оценка «4» ставится в следующем случае: выполнение лабораторной работы удовлетворяет основным требованиям к ответу на оценку «5″, но студент допустил недочеты или негрубые ошибки, не повлиявшие на результаты выполнения работы.

Оценка «3» ставится в следующем случае: результат выполненной части лабораторной работы таков, что позволяет получить правильный вывод, но в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

Оценка «2» ставится в следующем случае: результаты выполнения лабораторной работы не позволяют сделать правильный вывод, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Перечень ошибок

Грубые ошибки: незнание определений основных понятий, законов, правил, основных положений теории, формул, общепринятых символов обозначения физических величии, единиц их измерения. Неумение читать и строить графики и принципиальные схемы.

Негрубые ошибки: неточности формулировок, определений, понятий, законов, теорий, вызванные неполнотой охвата основных признаков определяемого понятия. Ошибки в условных обозначениях на принципиальных схемах, неточности чертежей, графиков, схем. Пропуск или неточное написание наименований единиц физических величин.

Недочеты: нерациональные записи при вычислениях, нерациональные приемы вычислении, преобразований и решений задач. Арифметические ошибки в вычислениях, если эти ошибки грубо не искажают реальность полученного результата. Небрежное выполнение записей, чертежей, схем, графиков. Орфографические и пунктуационные ошибки.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 1

Тема занятия: сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости.

Цель занятия: определение изменения потенциальной и кинетической энергии груза, подвешенного на нити, проверка закона сохранения энергии.

Перед началом занятия необходимо знать: закон сохранение механической энергии.

После занятия необходимо уметь: определять изменения потенциальной и кинетической энергии груза

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория.

Закон сохранения энергии гласит, что механическая энергия изолированной системы не изменяется, если отсутствуют силы трения:

Е_потЕ_кин = const , где Екин– это кинетическая энергия тела, а Епот - это потенциальная энергия.

Для материальной точки или поступательно движущегося тела

Екин =(m²)/2

Потенциальная энергия тела, массой m, поднятого относительно выбранного уровня отсчёта на высоту:

Епот = mgh

О бычно рационально выбирать за уровень отсчёта потенциальной энергии самое низкое положение тела, соответствующее его устойчивому равновесию. При отклонении тела на некоторый угол  от вертикали (рис), ему сообщают потенциальную энергию, которая будет максимальной. Можно выразить высоту h через длину нити и угол отклонения:

h (1- cos )l

Тогда Е _пот mgh (1- cos )mgl (1)

Если отпустить груз без начальной скорости, то потенциальная энергия перейдёт в кинетическую. При отсутствии сил сопротивления в положении равновесия кинетическая энергия достигнет максимального значения, равного максимальной потенциальной энергии. При движении груз будет описывать дугу окружности радиусом, равным длине нити. Скорость тела при таком движении будет изменяться неравномерно, то есть движение не будет равноускоренным. Опираясь на теорию колебаний, для малых углов (для которых выполняется приближённое равенство  sin ) скорость будет изменяться по закону:   _max sin (t ₀  . Максимальная скорость связана с угловой скоростью вращения _max  l  . Угловая скорость связана с периодом колебательного движения, учитывая эту связь, получим:  _max  l(2/ Т)

Учитывая это, получим выражение для максимальной кинетической энергии: E_кин. =(2 m ² l ² )/ T ² (2)

Минимальное время прохождения из состояния с максимальной потенциальной энергией в состояние с максимальной кинетической энергией равно четверти периода t  T /4. Время t считывают с прибора на виртуальной установке. Описание установки и метода измерения.

Описание установки виртуальной лабораторной работы

Д ля работы используется установка, показанная на рисунке. В центре установки, где шарик, подвешенный на нити, отклонён на некоторый угол. Имеется панель «Параметры установки», в которой можно установить нужные параметры: угол отклонения  , длина нити l и масса шарика m. В правой части имеются виртуальные приборы: транспортир и линейка (горизонтальная и вертикальная). Их можно активизировать, поставив галочку в квадратик перед соответствующими надписями и использовать для измерений. В левом нижнем углу расположен секундомер. Чтобы включить секундомер нужно нажать на кнопку «пуск». Одновременно с включением секундомера шарик начнёт двигаться. Секундомер покажет время в секундах, равное четверти периода. Для повторения измерений сначала нужно нажать кнопку «стоп», показания секундомера обнулятся, а панель «Параметры установки» снова станет активной и в ней можно будет изменить указанные параметры.

План выполнения задания:

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=boAaOhIdidc

и просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=549

и выполняйте последовательность действий, описанных ниже.

Задание. Определение изменения потенциальной и кинетической энергии груза

1. Запустить виртуальный стенд

2. Введите нужные параметры , l , m , в соответствии, с вариантом совпадающем с последней цифрой по списку группы, он находится в конце документа.

3. Запишите их значения перед таблицей 1

4. Включите секундомер, нажав на кнопку «пуск», запишите измеренное время в таблицу 1.

5. Нажмите на кнопку «стоп», произойдет обнуление времени.

6. Повторите измерения 5 раз при тех же установленных параметрах. Результаты занесите в таблицу.

7. Определите среднее время. По среднему времени вычислите период Т.

8. Рассчитайте максимальную кинетическую энергию по формуле (2). Результат занесите в таблицу 1.

9. Рассчитайте максимальную потенциальную энергию по формуле (1). Результат занесите в таблицу 1.

10. Определите погрешности всех измеренных величин, результат занесите в таблицу 2.

11. Определите отношение Епот/Екин и сравните его с единицей. Сделайте вывод о выполнении закона сохранения энергии с учётом погрешности измерения.

=…., l = ….., m= …….

Таблица 1.

№	t,с	tср,с	Т,с	Екин, Дж	Епот, Дж	Епот/ Екин
1
2
3
4
5

Таблица 2.

 , 	, %	l, м	 l, %	 t, с	Екин, Дж	Епот , Дж	 Eкин,%	 Eкпот,%

Контрольные вопросы.

1. Какая энергия называется кинетической? По какой формуле она находится?

2. Какая энергия называется потенциальной? По какой формуле она находится?

3. Что называется полной механической энергией?

4. Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

5. От чего зависит максимальная скорость груза?

Начальные данные по вариантам к заданиям

Группа	m, кг		l, м
1	0,5	32	1,1
2	0,55	33	1,5
3	0,6	34	1
4	0,65	35	12
5	0,7	36	1,8
6	0,75	37	1.1
7	0,7	38	1
8	0,8	39	1,2
9	0,85	41	1,4
0	0,6	42	1,3

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 2-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. _ М.: Издательство «Дрофа», 2008 -398с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 2

Тема занятия: проверка закона изобарного процесса Гей-Люссака.

Цель занятия: экспериментальным путем проверить верность закона Гей-Люссака (доказать постоянную V/T).

Перед началом занятия необходимо знать: изобарный процесс и закон Гей-Люссака.

После окончания занятия необходимо уметь: экспериментально проверять верность закона Гей-Люссака.

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория

Изобарный процесс - это процесс, при котором изменяется состояние термодинамической системы при постоянном давлении. Стеклянный сосуд заполнен определенным газом, и этот сосуд присоединен к продолговатой стеклянной трубке. Каплей ртути закупорен газ в этой трубке. Вследствие того, что трубка находится в горизонтальном расположении, давление в сосуде постоянно остаётся равным атмосферному. Температура газа увеличивается от 0 до 100С. Исследуя различные газы Гей-Люссак получил для них следующие значения температурного коэффициента объёмного расширения α = (V – V₀ )/ V₀ · t:

Таблица 2.1. Температурный коэффициент объемного расширения газов

Газ	Температурный коэффициент объёмного расширения, 1/С
Воздух	0,003671
Водород	0,003661
Окись азота	0,003720
Циан	0,003877
СО2	0,003710
СО	0,003669
S О2	0,003903

Из этого вытекают следующие выводы:

а) при одинаковом повышении температуры, все газы и пары одинаково расширяются;

б) для всех газов увеличение объёма в интервале температур от температуры таяния льда до температуры кипения воды равно 100/26666 первоначального объёма.

(V – V₀)/V₀ = t, где  – температурный коэффициент объёмного расширения, численно равный относительному изменению объёма газа при изменении его температуры на 1 градус.

Опыт показывает, что при малых плотностях коэффициент объёмного расширения одинаков для всех газов:  = 1/273 1/С. Закон можно записать в виде: V = V₀(1 + αt). Объём данной массы газа при постоянном давлении меняется линейно при изменении температуры.

Реальные газы подчиняются основным газовым законам лишь приближённо и тем менее точно, чем больше плотность газа и ниже его температура. Газ, который в точности подчиняется газовым законам, называют идеальным.

В молекулярно-кинетической теории модель «идеальный газ» удовлетворяет следующим требованиям:

1. объём всех молекул газа много меньше объёма сосуда;

2. силы притяжения между молекулами малы, и ими пренебрегают;

3. молекулы взаимодействуют только при соударении (удар упругий), при этом действуют силы отталкивания;

4. время столкновения много меньше времени между столкновениями.

Тот факт, что численное значение температурного коэффициента объёмного расширения в предельном случае малых плотностей одинаково для всех газов, позволяет установить температурную шкалу, не зависящую от вещества, – идеальную газовую шкалу температур.

Взяв за основу шкалу Цельсия, можно определить температуру из соотношения: t = (V – V₀)/V₀, где V – объём газа при 0С, а V – его объём при температуре t. Так осуществляется определение температуры, не зависящее от вещества термометра.

С помощью шкалы Кельвина, закон Гей-Люссака можно записать проще:

1 + αt = 1 + 1/273(T – 273) = αT, тогда V = V₀αT.

Объём газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре. Следовательно, отношение объёмов газа одной и той же массы в различных состояниях при постоянном давлении равно отношению абсолютных температур: V₁/ V₂ = Т₁/ Т₂.

Таблица 2.2. Характеристики изобарного процесса

Постоянный параметр	Название изопроцесса	Связь между другими параметрами	Объяснение связи между параметрами с точки зрения МКТ
Р = const при m= cost.	Изобарный процесс (закон Гей-Люссака, 1802 год).	V / T = const; V1 /Т1 = V2 / Т2; V1 / V2 = Т1 / Т2.	Рост температуры означает увеличение средней кинетической энергии теплового движения молекул газа. Чтобы поддерживать давление постоянным, необходимо не допустить увеличения числа ударов о единицу площади поверхности стенки

Описание установки виртуальной лабораторной работы

Э кспериментальная установка представлена на рисунке. Газ содержится в цилиндре.

Слева есть панель «термометр», на ней Вы демонстрируется температура в Цельсиях и Фаренгейтах. Посередине отображается давление, создаваемое газом.

В верхнем правом углу представлены показания параметров газа, которые Вам предстоит снять, изначально выставив начальные параметры газа, согласно вашего варианта.

Ниже представлена панель с предоставлением выбора газа.

Еще ниже находится, есть секундомер, измеряющий время в секундах, на котором есть кнопки «пуск», «пауза» и «сброс». Используя представленную установку, достигается цель поставленной лабораторной работы.

План выполнения задания:

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=GZDngUEaBdQ и просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=89

и выполняйте последовательность действий, описанных ниже.

Задание. Нахождение соотношений температуры и объема.

1. Запустить виртуальный стенд.

2. Установить начальные параметры газа: давление P₀, температуру t₀ и объем V₀.

3. Выбрать для исследования газ из пяти возможных: воздух, ацетилен, метан, аргон, углекислый газ.

4. Нажать на кнопку «Пуск» для начала нагревания газа. При достижении кратных температур или давлений останавливать, нагрев кнопкой «Пауза».

5. Снять показания установившегося объема газа V_i и температуры t_i и найти отношение V_i /T_i.

6. Продолжить нагрев, нажав на кнопку «Пуск».

7. Вновь останавливать нагрев кнопкой «Пауза».

8. Записать значения конечного объема V_i при увеличении температуры T_i.

9. Найти отношения V_i /T_i и убедиться в их примерном равенстве, т.е. в справедливости закона Гей-Люссака.

10. Определить оценку абсолютной и относительной погрешностей измерения.

11. Данные исследования занести в таблицу.

№, п/п	газ	М, кг/моль (молярная масса)	m, кг (масса газа)	Начальные показатели
				P0, кПа (давление)	V0, м3 (объем)	t0, С (температура по Цельсии)	T0, К (температура Кельвина)
1
2

Конечные показатели				Vi/Ti, м3/К	V0/T0, м3/К	(V/T), м3/К	(V/T), %
Рi, кПа (давление)	Vi, м3 (объем)	ti, С (температура по Цельсии)	Ti, К (температура Кельвина)

2.12. Сформулировать выводы.

Контрольные вопросы

1. Запишите основные приборы и оборудование, необходимые для проведения данной работы.

2. Рассказать в чем состоит закон Гей-Люссака.

3. В чем отличие изобарного процесса от других изопроцессов.

4. Каким требованиям удовлетворяет модель «идеального» газа в молекулярно - кинетической теории.

5. Кто ввел абсолютную шкалу температур? Чем эта шкала отличается от шкалы по Цельсии.

6. Из чего состоит экспериментальная установка данной лабораторной работы? Опишите предназначение каждого из них.

7. Запишите основные приборы и оборудование, необходимые для проведения данной работы.

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 7-е изд., испр. и доп. – М. : Издательский центр «Академия», 2020. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. – 5-е изд., стер. – М.: Издательство «Дрофа», 2020 -256с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 3

Тема занятия: определение поверхностного натяжения жидкости.

Цель занятия: научиться определять поверхностное натяжение воды методом отрыва рамки.

Перед началом занятия необходимо знать: определение и формулу поверхностного натяжения воды методом отрыва рамки.

После занятия необходимо уметь: определять коэффициент поверхностного натяжения с использованием формулы поверхностного натяжения.

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория.

У всякой жидкости – существование свободной поверхности. Молекулярное давление направлено внутрь жидкости, перпендикулярно к свободной поверхности.

Силы поверхностного натяжения в любой точке поверхности направлены по касательной к ней и по нормали к любому элементу линии, мысленно проведенной на поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, разделяющей поверхность на части: (1)

В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Н/м.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости. А зависит также от того, какая среда находится над свободной поверхностью жидкости. Следствием силы поверхностного натяжения, действующей на единицу площади поверхностного слоя, является молекулярное давление. Коэффициент поверхностного натяжения можно определить путем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва различных твердых тел от этой поверхности. Если сила, действующая на тело, равна по величине силе поверхностного натяжения, то тело оторвется.

Одним из способов измерения коэффициента  является метод отрыва кольца. Кольцо, изготовленное из материала, хорошо смачиваемого жидкостью, приводится в соприкосновение с её поверхностью. Рассмотрим кольцо с внешним диаметром и внутренним диаметром , касающееся поверхности жидкости. Толщина кольца .

При поднятии кольца с поверхности происходит разрыв поверхности жидкости по кромкам кольца. Длина границы перед отрывом кольца, по которой происходит разрыв поверхности, составляет

. (2)

Измерить силу F, необходимую для отрыва кольца, можно по формуле: (3), где – среднее удлинение пружины в момент отрыва кольца.

Принципиальная схема установки для определения коэффициента поверхностного натяжения изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки

К пружине подвешивается металлическое кольцо. Перед началом каждого опыта кольцо протирают и просушивают. Вращением винта опускаем кольцо до соприкосновения с поверхностью жидкости, при этом нужно следить, чтобы жидкости не касался столик для разновесов, вписанный в кольцо.

О писание установки виртуальной лабораторной работы

Экспериментальная установка представлена на рисунке. В правом нижнем углу дана панель «жидкость», на которой можно выбрать род жидкости. Посередине, находится панель «параметры пружины и кольца». На ней можно менять коэффициент жесткости пружины, диаметр кольца и толщину кольца. Наведя на кольцо и удерживая правую кнопку мыши можно привести в движения кольца. Для того, чтоб прийти в исходное положения необходимо нажать на кнопку «сброс». Используя представленную установку, достигается цель поставленной лабораторной работы.

План выполнения работы

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=9pcaBm2IJf8 и просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=346

и выполняйте последовательность действий, описанных ниже.

Задание. Определение поверхностного натяжения воды, масла, керосина.

1. Запустить виртуальный стенд

2. Выбрать исследуемую жидкость из трех возможных: вода, масло, керосин.

3. Установить параметры кольца и пружины: жесткость k, внутренний диаметр d₁, толщину кольца h (выбор данных величин на ваше усмотрение)

4. Определить длину границы разрыва по одному из равенств в формуле (2)

5. Привести кольцо в соприкосновение с жидкостью x = 0.

6. Медленно поднимать кольцо, придавая приращение сжатию пружины x 0. Зафиксировать показание x в момент отрыва кольца.

7. Нажать кнопку «сброс». Проделать опыт 3–5 раз.

8. Рассчитать среднюю силу упругости, которая в момент отрыва кольца равна силе поверхностного натяжения по формуле (3)

9. Рассчитайте коэффициент поверхностного натяжения по формуле (1).

10. Результаты измерений занесите в таблицу (расчеты ниже записаны должны обязательно).

11. Рассчитать погрешность измерений.

№ п/п

жидкость

k, Н/м

d1, м

d2, м

h, м

, м

, м

L, м

, Н

, Н/м

, Н/м

, Н/м

, %

1

2

3

12. Сформулировать выводы.

Контрольные вопросы

1. В какую сторону действует сила поверхностного натяжения?

2. Объяснить явление поверхностного натяжения. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?

3. Какие косвенные методы определения коэффициента поверхностного натяжения Вы знаете, их суть?

4. Объясните поднятие и опускание жидкостей в капиллярных трубках, можно ли определить , используя капиллярные трубки и как?

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 7-е изд., испр. и доп. – М. : Издательский центр «Академия», 2020. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. – 5-е изд., стер. – М.: Издательство «Дрофа», 2020 -256с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 4

Тема занятия: измерить ЭДС и определение внутреннего сопротивления источника тока.

Цель занятия: научиться экспериментально, измерять ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Перед началом занятия необходимо знать. Закон Ома для участка цепи, закон Ома для полной цепи, как подключаются в цепь приборы измерения силы тока и напряжения, технику безопасности при работе с электрическими цепями.

После окончания занятия необходимо уметь. Собирать электрические цепи параллельно соединённых проводников, снимать показания приборов, рассчитывать полное сопротивление параллельно соединённых проводников.

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория.

Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.

Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

 

ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах. Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.

Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.

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 части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir.

Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то,  согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение  , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir - напряжение на внутреннем участке цепи.

Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.

Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε₁ + ε₂ + ε₃

2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r_{батареи}= r₁ + r₂ + r₃

Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε_1, а сопротивление r_{батареи}= nr₁

3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.

Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

 

1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε₁= ε₂ = ε₃

2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника r_{батареи}= r₁/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы - параллельно или последовательно.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Отсюда

Поскольку и  , то

или Отсюда следует, что внутреннее сопротивление источника тока  (1)

а ЭДС будет  (2)

Описание установки виртуальной лабораторной работы

Э кспериментальная установка представлена на рисунке. В лево верхнем углу представлена панель «источник тока», на которой можно выбрать один из пяти источников тока. Внизу расположен ключ. который необходимо будет замыкать после эксперимента. В крайнем нижнем правом углу расположен реостат. Можно перемещать ползунок и менять значение сопротивления. Используя представленную установку, достигается цель поставленной лабораторной работы.

План выполнения работы

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=H8F2aQzK7j0 просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=380

и выполняйте последовательность действий, описанных ниже.

1. Задание. Рассчитайте ЭДС и внутреннее сопротивление цепи.

1. Запустить виртуальный стенд

2. Выберите источник тока 1.

3. Курсором наводим на ключ и замыкаем цепь.

4. Курсором наводим на реостат, двигаем ползунок реостата.

5. Установите ползунок реостата приблизительно в среднее положение, измерьте силу тока  и напряжение  , занесите в таблицу 1.

6. Передвиньте ползунок реостата, измерьте силу тока  и напряжение  , занесите в таблицу 1.

7. Вычислите внутреннее сопротивление r и ЭДС  источника тока по формулам (1) и (2)

8. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.

9. Выполните такие же действия для источников тока 2,3,4,5.

Таблица 1.

N п/п	Ɛизм., В	I1,А	I2,А	U1,В	U2,В	R1,Ом	R2,Ом	r,Ом	Ɛвыч.,В

10.Сделать вывод.

Контрольные вопросы.

1.Почему показания вольтметра при разомкнутом и замкнутом ключе различны?

2.Как повысить точность измерения ЭДС источника тока?

3.Можете ли вы предложить другие способы измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока?

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 7-е изд., испр. и доп. – М. : Издательский центр «Академия», 2020. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. – 5-е изд., стер. – М.: Издательство «Дрофа», 2020 -256с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 5

Тема занятия: определение удельного сопротивления проводника

Цель занятия: определение удельного электрического сопротивления резисторного провода по техническому методу.

Перед началом занятия необходимо знать: что такое удельное сопротивление и от чего оно зависит; знать принцип действие измерительных приборов.

После окончания занятия необходимо уметь: вычислять удельное сопротивление проводников для различных металлов.

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория.

Класс устройств, которые применяются для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами.

С уществуют большое количество различных электроизмерительных приборов.

По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на следующие основные типы:

1. Приборы магнитоэлектрической системы , основанные на принципе взаимодействия катушки с током и внешнего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом.

2. Приборы электродинамической системы , основанные на принципе электродинамического взаимодействия двух катушек с токами, из которых одна неподвижна, а другая подвижна.

3. Приборы электромагнитной системы , в которых используется принцип взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки с током и подвижной железной пластинки, нaмагниченной этим полем.

4. Тепловые измерительные приборы, использующие тепловое действие электрического тока. Нагретая током проволока удлиняется, провисает, и вследствие этого подвижная часть прибора получает возможность повернуться под действием пружины, выбирающей образовавшуюся слабину проволоки.

5. Приборы индукционной системы , основанные нa принципе взаимодействия вращающегося магнитного поля с токами, индуктированными этим полем в подвижном металлическом цилиндре.

6. Приборы электростатической системы , основанные на принципе взаимодействия подвижных и неподвижных металлических пластин, заряженных разноименными электрическими зарядами.

7. Приборы термоэлектрической системы, представляющие собой совокупность термопары с каким-либо чувствительным прибором, например магнитоэлектрической системы. Измеряемый ток, проходя через термопару, способствует возникновению термотока, воздействующего на магнитоэлектрический прибор.

8. Приборы вибрационной системы, основанные на принципе механического резонанса вибрирующих тел. При заданной частоте тока наиболее интенсивно вибрирует тот из якорьков электромагнита, период собственных колебаний которого совпадает с периодом навязанных колебаний.

9. Электронные измерительные приборы - приборы, измерительные цепи которых содержат электронные элементы. Они используется для измерений практически всех электрических величин, а также неэлектрических величин, предварительно преобразованных в электрические.

По типу отсчетного устройства различают аналоговые и цифровые приборы.

Характеристики электроизмерительных приборов.

Пределом измерения электроизмерительного прибора называется максимальное значение измеряемой физической величины x_max, которое вызывает отклонение указателя шкалы прибора на всю шкалу.

Чувствительность S – это способность прибора реагировать на изменение измеряемой величины, т.е. величина, которая показывает, на сколько делений ∆n перемещается указатель прибора при изменении значения измеряемой величины ∆x на единицу:

.

Единицы измерения чувствительности зависит от рода измеряемой величины (дел/В, дел/А и т.д.).

Цена деления численно равна значению измеряемой величины x, вызвавшей отклонение указателя прибора на одно деление шкалы:

.

Цена деления измеряется в В/дел., А/дел. и т.д. Цена деления – это количество измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы прибора.

Приведенной погрешностью прибора называется отношение абсолютной погрешности к наибольшему возможному отклонению показателя прибора (номинальному показанию прибора):

.

В данной работе находится удельное сопротивление проводника. Электрическое сопротивление характеризует противодействие проводника протеканию тока. Для постоянного тока согласно закону Ома

Для однородного проводника с поперечным сечением Sи длиной l

откуда получим . (1)

Удельное электрическое сопротивление ρ является характеристикой материала проводника. Оно также зависит и от температуры проводника, согласно закону:

,

где и - соответственно удельные сопротивления при температурах 0 ⁰С и t ⁰С, – температурный коэффициент сопротивления. Для металлов α  0, т.е. с повышением температуры сопротивление металлов увеличивается.

Удельное сопротивление резисторного провода на основании определится следующим образом:

.

П одставляя в это выражение (5) и (6), получим:

. (2)

Описание установки виртуальной лабораторной работы

Экспериментальная установка представлена на рисунке. В левом нижнем углу расположена панель «параметры установки», можно установить следующие параметры такие, как длину активной части проводника, его диаметр, внутреннее сопротивление амперметра, произвольно. Справа расположена панель «материал проводника», по которой можно выбрать материал: нихром, фехрель, манганин, константан. С помощью панели «линейка» можно измерить длину проводника. Используя представленную установку, достигается цель поставленной лабораторной работы.

План выполнения работы

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=g8ZvZSwnAmM

просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=403

и выполняйте последовательность действий, описанных ниже.

1. Задание. Рассчитайте удельное сопротивление нихрома, фехрель, манганина, константана.

1. Запустить виртуальный стенд, выберите материал проводника нихром.

2. Установить, в соответствии, с вариантом совпадающем с последней цифрой по списку группы, он находится в конце документа, длину активной части проводника l, его диаметр d, а также внутреннее сопротивление амперметра R_A. Занести эти данные в таблицу 1.

3. При помощи регулятора тока установить произвольное значение силы тока I_А. Записать в таблицу 1 соответствующее ему напряжение U_B.

3. Аналогичные измерения, описанные в п.3, провести для нескольких значений силы тока.

4. По данным таблицы 1 рассчитать величину удельного сопротивления проводника по формуле (2).

5. Рассчитать абсолютную и относительные погрешности измерений (приложение 1).

6. Выполнить аналогичные действия для фехрель, манганина, константана.

Таблица 1

№	I, A	U, В	ρ, Ом∙мм2/м	Параметры
1				диаметр проводника: d = … мм длина активной части: l = ….. м площадь сечения проволоки: внутренне сопротивление амперметра RA = …… A
2
3
среднее

6. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1.От каких величин зависит электрическое сопротивление проводника?

2. Укажите формулу для расчета сопротивления по размерам проводника.

3.От каких величин зависит удельное сопротивление проводника?

4. Назовите методы измерений сопротивления проводника.

5. Запишите формулы для определения сопротивления проводника в техническом методе? Какие величины измеряют в этом методе?

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 7-е изд., испр. и доп. – М. : Издательский центр «Академия», 2020. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. – 5-е изд., стер. – М.: Издательство «Дрофа», 2020 -256с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 6

Тема занятия: определение КПД электрического нагревателя воды.

Цель занятия: научиться, экспериментально определять КПД электрического нагревателя воды.

Перед началом занятия необходимо знать: что такое КПД теплового двигателя, по какой формуле он рассчитывается.

После окончания занятия необходимо уметь: рассчитывать КПД электрического нагревателя воды.

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория.

Молекулы состоят из атомов то есть для того чтобы разделить молекулы на атомы надо ослабить силу притяжения атомов и выполнить работу то есть потратить энергию. При объединении атомов в образовании молекул энергия отделяется.
При сгорании топлива отделяется энергия. Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках. В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо.
В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах – в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).
Классификация органических топлив по агрегатному состоянию.

Топливо	Агрегатное состояние
	Твердое	Жидкое	Газообразное
Природное	Дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы	Нефть	Природный газ
Искусственное	Древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты	Мазут, керосин, бензин, соляровое масло, газойль, печное топливо	Газы нефтяной, коксовый, генераторный, доменный, газ подземной газофикации

Измерение КПД установки с электрическим двигателем. Вы помните, что КПД (коэффициент полезного действия) называется отношение полезной работы к полной работе, выраженное в процентах:

ɳ=Q_п /A_з, (1)

где где Аз – работа тока в водонагревателе за время τ- определяется по формуле:

Аз= I∙U∙τ, (2)

где Qп –количество теплоты, которое пошло на нагревание калориметра и воды в нём от температуры t₁ до температуры t₂:

Q_п = с_в∙m_в∙ (t₂ – t₁) + с_к∙m_к∙ (t₂ – t₁) (3).

После подстановки (2) и (3) в формулу (1), получим значение КПД:

Описание установки виртуальной лабораторной работы

Э кспериментальная установка представлена на рисунке. В правом нижнем углу представлена панель «параметры калориметра» выбор массу калориметра и массу воды, которая будет в нем. Панель: «материал калориметра» - для выбора материала: медь, алюминий, сталь, железо. Выше есть панель «параметры воды», где можно выбрать начальную температуры воды и ее объем.

Слева панель «параметра тока в электрической цепи», благодаря которой можно выбрать напряжение, которое создает источник тока. С помощью кнопки «пуск» начнется процесс нагревание воды в калориметре, дождавшись, когда температура достигнет температуры кипения (термометр расположен слева )с помощью кнопки пауза можно остановить процесс и зафиксировать время, показанное в крайнем нижнем правом углу.

Используя представленную установку, достигается цель поставленной лабораторной работы.

План выполнения работы

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=6PlvTC3-ObE

просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=478

и выполняйте последовательность действий, описанных ниже.

1. Задание. Рассчитайте КПД электрического нагревателя воды

1. Запустить виртуальный стенд

2. Выбрать вещество, из которого изготовлен калориметр, его массу и объём воды в соответствии с номером варианта, совпадающем с последней цифрой по списку группы, он находится в конце документа.

3. Выбрать (произвольно) начальную температуру воды и напряжение на источнике тока.

3 Значения всех измеренных (заданных) величин записать в таблицу.

4 Кнопкой «ПУСК» начать нагревание воды и прекратить его, нажав на кнопку «ПАУЗА» при достижении температуры кипения. При необходимости повторения эксперимента воспользоваться кнопкой «СБРОС».

5. Записать в таблицу время нагревания и конечную температуру воды.

Вещество калориметра		Значение писать без округления!!!
Удельная теплоёмкость вещества калориметра ск, Дж/ (кг∙ оС)		Удельная теплоёмкость воды св , Дж/ (кг∙ оС)
Масса калориметра mк, кг		Объём воды V, л
Сила тока I, А		Масса воды mв, кг
Напряжение U, В		Начальная температура t 1, о С
Время нагревания τ, с		Конечная температура t2, о С

6. Выполните вычисления.

7. В выводе укажите полученный результат измерения КПД.

Контрольные вопросы

1. Какое количество теплоты Q_кр рассеялось в окружающую среду? Сколько

процентов составляет эта величина от количества теплоты, выделившегося в

нагревательном элементе?

2. Изменится ли КПД нагревателя, если увеличить время нагревания (например, до получаса)? Если да, то как? Ответ обоснуйте.

Начальные данные по вариантам к заданиям

Группа	Вещество калориметра	Масса калориметра	Объём воды
1	железо	0,2 кг	2л
2	алюминий	0,2 кг	1л
3	медь	0,2 кг	2 л
4	сталь	0,2 кг	2 л
5	железо	0,4 кг	2 л
6	алюминий	0,4 кг	1 л
7	медь	0,4 кг	1 л
8	сталь	0,4 кг	1 л
9	железо	0,5 кг	1 л
0	алюминий	0,5 кг	1л

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 7-е изд., испр. и доп. – М. : Издательский центр «Академия», 2020. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. – 5-е изд., стер. – М.: Издательство «Дрофа», 2020 -256с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 7

Тема занятия: измерение периода колебаний пружинного маятника и изучение зависимости периода от массы груза (жесткости пружины).

Цель занятия: найти зависимость периода колебаний физического маятника от массы груза (жесткости пружины).

Перед началом занятия необходимо знать: что такое физический маятник, основные характеристики, и формулы.

После окончания занятия необходимо уметь: измерять периода колебаний пружинного маятника и изучение зависимости периода от массы груза (жесткости пружины).

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория

Колебание пружинного маятника при малых амплитудах происходят по гармоническому закону: (1)

где - смещение точки от положения равновесия в данный момент времени, - амплитуда смещения, - фаза колебания, - циклическая частота, t – время, _о – начальная фаза колебания.

Циклическая частота связана с линейной частотой  формулой:

Циклическая частота связана с периодом колебания Т формулой:

Скорость и ускорение являются гармоническими функциями времени, уравнение для скорости можно получить, взяв производную от выражения (1) по времени. Взяв вторую производную по времени от выражения (1), получим уравнение для ускорения. Амплитуда скорости определяется по формуле:

Амплитуда ускорения определяется по формуле:

Смещение х и скорость  в любой момент времени зависят от амплитуды и начальной фазы.

Начальные условия определяют состояние колебательной системы в начальный момент времени, их два: начальное смещение и начальная скорость, то есть при и . Начальную фазу находят, подставив начальное смещение в уравнение колебаний.

Циклическая частота пружинного маятника зависит от параметров системы - массы маятника m и коэффициента жесткости пружины k:

Период колебаний также может быть рассчитан по известной массе и коэффициенту жёсткости: (2)

Частота колебаний может быть рассчитана по известной массе и коэффициенту жёсткости: (3)

Описание установки виртуальной лабораторной работы

Экспериментальная установка представлена на рисунке. Колебания совершает пружинный маятник.

Слева есть панель «Параметры маятника», на ней Вы устанавливаете массу груза и коэффициент жесткости пружины.

Посередине отображается зависимость смешения груза на пружине от времени.

Снижу есть секундомер, измеряющий время в секундах, на котором есть кнопки «пуск», «пауза» и «сброс». Еще правее находится счётчик числа колебаний.

Используя представленную установку, достигается цель поставленной лабораторной работы

План выполнения задания:

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=gUgTti2Qkgk и просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=89

и выполняйте последовательность действий описанных ниже.

Задание 1. Изучение зависимости периода колебаний от массы маятника

1. Установите параметры пружинного маятника m и k в соответствии, с вариантом совпадающем с последней цифрой по списку группы, он находится в конце документа.

2. Рассчитайте теоретическое значение периода колебаний пружинного маятника по формуле (2). Рассчитайте частоту колебаний, используя формулу (3).

3. Запустите установку, нажав на кнопку «пуск». На координатной плоскости будет отображаться зависимость смещения колеблющегося груза от времени. Измерьте время t нескольких колебаний N. Для этого нужно нажать на кнопку «пауза», когда отобразится ровно N колебаний. Вычислите экспериментальное значение периода колебаний: Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1. Сравните теоретическое и экспериментальное значение периода.

4. Измените массу груза на величину шага, согласно вашего варианта. Проведите измерение периода для пяти разных масс, отличающихся на величину шага.

5. Проанализируйте полученные результаты. Постройте график зависимости периода колебаний от массы.

Таблица 1. Определение периода колебания маятника при различных массах и неизменном коэффициенте жёсткости

Параметры маятника		Теоретические		Число колебаний N		Время колебаний t, с	Экспериментальные
		период	частота				период	частота
m, кг	k, Н/м	Т, с	 ,с-1				Тэ, с	э ,с-1

Задание 2. Изучение зависимости периода колебаний от коэффициента жёсткости пружины

1. Установите параметры пружинного маятника m и k в соответствии с вариантом, заданным преподавателем.

2. Рассчитайте теоретическое значение периода колебаний пружинного маятника по формуле (2). Рассчитайте частоту колебаний, используя формулу (3).

3. Запустите установку, нажав на кнопку «пуск». На координатной плоскости будет отображаться зависимость смещения колеблющегося груза от времени. Измерьте время t нескольких колебаний N. Для этого нужно нажать на кнопку «пауза», когда отобразится ровно N колебаний. Вычислите экспериментальное значение периода колебаний:

Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 2. Сравните теоретическое и экспериментальное значение периода.

4. Измените коэффициент жёсткости пружины маятника на величину шага, заданного преподавателем. Проведите измерение периода для пяти коэффициентов жёсткости пружины, отличающихся на величину шага.

5. Проанализируйте полученные результаты. Постройте график зависимости периода колебаний от коэффициента жёсткости пружины

Таблица 2 . Определение периода колебания маятника при различных коэффициентах жёсткости и неизменной массе

Параметры маятника		Теоретические		Число колебаний N		Время колебаний t, с	Экспериментальные
		период	частота				период	частота
m, кг	k, Н/м	Т, с	 ,с-1				Тэ, с	э ,с-1

Задание 3. Расчёт погрешности измерения периода колебаний

1. Определите погрешность измерения секундомера (приборную погрешность).

2. Определите абсолютные случайную и полную погрешности измерения периода.

3. Определите относительную погрешность измерения периода.

Контрольные вопросы:

1. Какие колебания являются гармоническими?

2. От чего и как зависит период колебаний пружинного маятника?

3. От чего и как зависит частота колебаний пружинного маятника?

4. Что понимают под начальными условиями колебаний?

5. Влияют ли начальные условия и амплитуда на период колебаний?

Начальные данные по вариантам к заданиям

Группа	m, кг	Шаг изменения массы m, кг	k, Н/м	Шаг изменения коэффициента жёсткости  k, Н/м
1	0,5	0,1	4,1	0,5
2	0,55	0,08	4,5	0,4
3	0,6	0,06	5	0,3
4	0,65	0,05	5,5	0,2
5	0,7	0,04	5,8	0,3
6	0,75	0,03	6.0	0,2
7	0,7	0,05	5	0,4
8	0,8	0,02	6,2	0,2
9	0,85	0,02	6,4	0,2
10	0,6	0,07	5,2	0,4

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 7-е изд., испр. и доп. – М. : Издательский центр «Академия», 2020. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. – 5-е изд., стер. – М.: Издательство «Дрофа», 2020 -256с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 8

Тема занятия: определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа.

Цель занятия: определить показатель преломления прозрачных пластинок из различных материалов.

Перед началом занятия необходимо знать: закон преломления света, принцип работы микроскопа.

После окончания занятия необходимо уметь: определять показатель преломления стекла.

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория.

В основе применяемого метода лежит явление кажущегося уменьшения толщины стеклянной пластинки при рассматривании сквозь него предмета-метки на нижней поверхности стекла. Схема прохождения пучка лучей через пластинку показана на рисунке.

Существует связь между действительной толщиной Н исследуемой пластинки, кажущейся толщиной и показателем преломления стекла. Установить эту связь можно из рассмотрения хода лучей от точки А через стеклянную пластинку. При этом предлагается, что глаз находится на той нормали к плоскости пластинки, которая проходит через точку А, и пучок лучей АВ составляет с нормалью малый угол .

Узкий пучок лучей АВ после преломления на границе раздела двух сред выходит из пластинки в воздух и составляет с нормалью и ее поверхности угол . Этот угол связан с углом через показатель преломления n так:

Наблюдателю кажется, что рассматриваемый пучок лучей исходит не из точки А, а из точки А₁, приподнятой на некоторую высоту АА₁. Рассматривая треугольники АВС и А₁ВС, можно написать, что

; или .

Принимая во внимание, что углы и малы, можно отношение тангенсов заменить отношением синусов этих углов, т.е. получить выражение: .

Таким образом, измерив толщину пластинки и кажущуюся толщину (h= h₂ -h₁) можно найти показатель преломления стекла.

Описание установки виртуальной лабораторной работы.

Экспериментальная установка представлена на рисунке. В левом нижнем углу представлена панель «параметров пластины», в которой можно менять значение Н и h. Правее находится панель выбора материала пластинки, нам понадобится материал только стекло. В крайнем левом углу находится окошко показывающее то. что будет видно в микроскоп при изменение параметров установки. А именно красный и синий крест.

Используя представленную установку, достигается цель поставленной лабораторной работы

План выполнения задания:

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=wyi8OafJXSY и просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=393

и выполняйте последовательность действий описанных ниже.

Задание 1. Определение показателя преломления стекла.

1. Запустите виртуальный стенд.

2. Выберите материал стекло.

3. Задайте толщину стеклянной пластинки в соответствии, с вариантом совпадающем с последней цифрой по списку группы, он находится в конце документа.

4. Определить кажущуюся толщину h стеклянной пластинки. Перемещая указатель до получения четкого синего креста в окошке, занесите показание в таблицу 1 – это будет h₁.

5. Установите на 10 мм верхний показатель h₂ и изменяйте, перемещая указатель до появления четкого красного креста. Запишите показания индикатора h_2.

6. Повторите опыт с другими значениями Н.

№ п/п	Материал	Н, мм	h1, мм	h2, мм	= , мм	n	nср	n	, %
1
2
3
4
5

Табличные значения показателей преломления некоторых твердых тел

№ п/п	Материал	n
1	Рубин	1,76
2	Алмаз	2,42
3	Стекло	1,5
4	Лед	1,31
5	Слюда	1,58

7. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Как связаны показатель преломления среды и скорость распространения света в ней?

2. Начертите ход лучей в микроскопе.

3. Что такое абсолютный показатель преломления среды? Что он характеризует, от чего он зависит?

4. Зависит ли абсолютный показатель вещества от того, каким светом его облучают? Если зависит то как?

5. Объясните для чего надо измерять натуральную величину стекла.

Начальные данные по вариантам к заданиям

Группа	Н, мм
1	50
2	55
3	60
4	65
5	70
6	75
7	70
8	80
9	85
10	60

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 2-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. _ М.: Издательство «Дрофа», 2008 -398с. :ил.

Инструкционная карта к лабораторной работе № 9

Тема занятия: измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки.

Цель занятия: измерить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Перед началом занятия необходимо знать: что такое длина световой волны, определение дифракционной решетки и принцип ее действия.

После окончания занятия необходимо уметь: определять длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Оборудование: компьютер, Интернет, инструкционная карта.

Содержание и теория.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких параллельных щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Общая ширина щели и непрозрачного промежутка называется периодом решетки. Например, если на дифракционной решетке имеется 100 штрихов на 1 мм, то период дифракционной решетки =0,01 мм.

На рисунке представлена схема хода лучей через решетку. Лучи, проходящие через решетку перпендикулярно ее плоскости, попадают в зрачок наблюдателя и образуют на сетчатке глаза обычное изображение источника света. Лучи, огибающие края щелей решетки имеют некоторую разность хода, зависящую от угла . Если эта разность пропорциональна , где - целое число, то каждая такая пара лучей образует на сетчатке изображение источника, цвет которого определяется соответствующей длиной волны .

С мотря сквозь решетку на источник света, наблюдатель, кроме этого источника, видит расположенные симметрично по обе стороны от него дифракционные спектры. Ближайшая пара спектров (1-го порядка) соответствует разности хода лучей, равной для соответствующего тона. Более удаленная пара спектров (2-го порядка) соответствует разности хода лучей равной и т.д.

Внешний вид установки, для определения длины световой волны изображен на рис. 2.

На оптической скамье может передвигаться пластина, в которой прорезана щель прямолинейной формы. Под щелью укреплена шкала с делениями. Щель освещается электрической лампочкой, между лампочкой и щелью вставляется монохроматический светофильтр. В другом конце оптической скамьи укреплен держатель Р, в который вставляется дифракционная решетка. Если смотреть на освещенную монохроматическим светом щель через дифракционную решетку, то кроме щели по бокам видны симметричные изображения ее. Каждое боковое дифракционное изображение смещено в сторону на величину . На рис.2 изображены лучи, образующие изображенные щели, очевидно: , где R-расстояние от решетки до щели М.

Т ак как угол мал, то можно с достаточной степенью точности заменить , т.е. .

Сравнивая последнее выражение с условием главного дифракционного максимума получаем расчетную формулу:

.

О писание установки виртуальной лабораторной работы.

Экспериментальная установка представлена на рисунке. В крайнем нижнем правом углу панель «спектр», можно выбирать светофильтр от красного до фиолетового.

Внизу слева расположена панель «расстояние от решетки до экрана», которую если менять меняется расположение решетки в окне выше справа. Окно показывает как меняется расположение линейки при движении относительно решетки.

План выполнения задания:

1. Перейдите по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=VPE9is9f_d0 и просмотрите видеоурок который пояснит, каким образом проводится лабораторная работа в реальных условиях.

2. Перейдите по ссылке http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=397

и выполняйте последовательность действий описанных ниже.

Задание 1. Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки. 1. Запустить виртуальный стенд.

2. Поместите шкалу на расстояние от дифракционной решетки. Возьмите последовательно значения R, в соответствии, с вариантом совпадающем с последней цифрой по списку группы, он находится в конце документа,

3. Выберите светофильтр начиная с красного, и по шкале щитка, рассматриваемой через решетку, определите расстояние от щели до наблюдаемой линии 1-го порядка (расстояние ).

4. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

5. Те же измерения проведите для лучей другого цвета.

6. Определите длину световой волны для всех цветов лучей и занесите в таблицу.

Порядок линии спектра

Расстояние от решетки до шкалы , м

Расстояние от прорези шкалы до линии , м

Длина световой волны, , м

К

О

Ж

З

Г

С

Ф

К

О

Ж

З

Г

С

Ф

1

Среднее значение длины волны

7. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы.

1. Какие волны называются когерентными?

2. Что называется дифракцией света? Объясните это явление.

3. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах? Какова окраска нулевого максимума?

4. Чем отличаются дифракционные картины при освещении решетки монохроматическим светом и белым светом? Объясните эти явления.

5. Что такое интерференция света? Участвует ли это явление при образовании дифракционного спектра на щели или решетке?

6. Как определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки?

Начальные данные по вариантам к заданиям

Группа	R, см
1	50
2	55
3	60
4	65
5	70
6	75
7	70
8	8 0
9	85
10	60

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования . – 2-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 448с.

2. Физика. Решение задач: учеб.пособие для ссузов/ Трофимова Т.И., Фирсов А.В. _ М.: Издательство «Дрофа», 2008 -398с. :ил.

Приложение 1.

Расчет погрешностей измерения

Выполнение лабораторных работ связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений.

Прямое измерение — определение значения физической величины непосредственно средствами измерения.

Косвенное измерение — определение значения физической величины по формуле, связывающей ее с другими физическими величинами, определяемыми прямыми измерениями.

Введем следующие обозначения:

A, B, C, ... — физические величины.

A_пр — приближенное значение физической величины, т.е. значение, полученное путем прямых или косвенных измерений.

ΔA — абсолютная погрешность измерения физической величины.

ε — относительная погрешность измерения физической величины, равная:

ε= (ΔA/А)*100%

ΔA_и — абсолютная инструментальная погрешность, определяемая

конструкцией прибора (погрешность средств измерения; указывается в

каждой работе при описании прибора в разделе Оборудование и средства

измерения)

ΔA_о — абсолютная погрешность отсчета (получающаяся от недостаточно

точного отсчета показаний средств измерения), она равна в большинстве

случаев половине цены деления; при измерении времени - цене деления

секундомера или часов.

Максимальная абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютной инструментальной погрешности и абсолютной погрешности отсчета при отсутствии других погрешностей: ΔA=ΔA_и + ΔA_о (см табл 1)

Абсолютную погрешность измерения обычно округляют до одной значащей цифры (ΔA≈0,17=0,2); численное значение результата измерений округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности (А=10,332≈10,3).

Результаты повторных измерений физической величины А, проведенных при одних и тех же контролируемых условиях и при использовании достаточно чувствительных и точных (с малыми погрешностями) средств измерения, отличаются друг от друга.

В этом случае A_пр находят как среднее арифметическое значение всех измерений, а ΔA (ее в этом случае называют случайной погрешностью) определяют методами математической статистики.

В школьной лабораторной практике такие средства измерения практически не используются. Поэтому при выполнении лабораторных работ необходимо определять максимальные погрешности измерения физических величин. При этом для получения результата достаточно одного измерения.

Таблица 1

Абсолютные инструментальные погрешности средств измерений

№ п/п	Средства измерений	Предел измерения	Цена деления	Абсолютная инструментальная погрешность
1.	Линейка ученическая	До 30 см	1 мм	Половина цены деления
2.	Лента измерительная (рулетка)	До 2 м	0.5 см	Половина цены деления
3.	Штангенциркуль	150 мм	0,1 мм	0.05 мм
4.	Динамометр учебный	4 Н	0,1 Н	0.05 Н
5.	Весы учебные	200 г		0.01 г
6.	Секундомер	0-30 мин	0,2 с	1 с за 30 мин
7.	Термометр лабораторный	0-100 0 С	0 0 С	1 0 С
8.	Амперметр школьный	Определить по шкале в зависимости от прибора	Определить по шкале в зависимости от прибора	Половина цены деления
9	Вольтметр школьный	Определить по шкале в зависимости от прибора	Определить по шкале в зависимости от прибора	Половина цены деления

Относительная погрешность косвенных измерений определяется, как показано в таблице 2. Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется по формуле ΔA=A_пр ε (ε выражается десятичной дробью).

45