Указания методические по проведению лабораторных работ по курсу «Физика» (для студентов и преподавателей) МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЕ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ ЧУВАШСКОЙ РЕСПУБЛИКИ АУ ЧР СПО «Чебоксарский машиностроительный техникум» Утверждаю заместитель директора по НППО Балабина Р.Ш. «____»_________________2012 г. Методические указания по проведению лабораторных работ по курсу «Физика» (для студентов и преподавателей) Разработали преподаватели: Курбатова А.Г., Дерезина Л.А. Рассмотрено на заседании предметной комиссии электротехнических дисциплин Протокол №__от « » _______ 2012г. Председатель комиссии _______________ Федоров Н.Г. 2011-2012 уч.год СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение……………………………………………………………………………………....3 2. Погрешности измерении……………………………………………………………………...4 3. Сведения о приближенных значениях…………………………………………………...8 4. Методика выполнения лабораторных работ 4.1 Подготовка к лабораторной работе…………………………………………………...9 4.2 Сборка электрической цепи…………………………………………………………...10 4.3 Выполнение измерений и вычислений ……………………………………………...10 4.4 Составление отчета……………………………………………………………………..11 4.5 Инструкции по технике безопасности…………………………………………….…12 5. Описание лабораторных работ Лабораторные работа №1 «Измерение ускорения свободного падения с помощью математического маятник»…………………………………………………………………………………………… 13 Лабораторные работа№2 «Наблюдение броуновского движения»……………….………15 Лабораторные работа№3 «Проверка зависимости между объемом, давлением, температурой для данной массы газа»………………………………………………………………….18 Лабораторные работа№4 «Определение влажности воздуха с помощью гигрометра и психрометра»……………………………………………….…………………………………………......21 Лабораторные работа№5 « Определение поверхностного натяжения жидкости»……….27 Лабораторное занятие №6 « Определение электрической емкости конденсатора»……...31 Лабораторное занятие №7 « Определение удельного сопротивления проводника»……..34 Лабораторное занятие №8 «Определение температурного коэффициента сопротивления проводника»……………………….…………………………………………………………..36 Лабораторное занятие №9 « Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источников электрической энергии»……………………………………………………………………....38 Лабораторное занятие №10 «Исследование мощности, потребляемой лампой, от напряжения на ее зажимах»…………………………………………………..…………………….......40 Лабораторное занятие №11 «Определение электрохимического эквивалента меди»………….42 Лабораторное занятие №12 «Изучение явления электромагнитной индукции»…….45 Лабораторное занятие №13 «Измерение силы тока в цепи с конденсатором»………...…48 Лабораторное занятие №14 «Измерение индуктивного сопротивления катушки»………50 Лабораторное занятие №15 «Изучение устройства и работы однофазного трансформатора»………………………………………………………………………………………………52 Лабораторное занятие №16 «Изучение работы простейшего детекторного радиоприемника»……………………………………………………………………………………………....54 Лабораторное занятие №17 «Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки»…………………………………………………………………………………...57 Лабораторное занятие №18 «Определение показателя преломления стекла»…………..…60 Лабораторное занятие №19 «Наблюдение сплошного и линейчатого спектров»………....62 Лабораторное занятие №20 «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»…………………………………………………………………..……..64 6.Список литературы……………………………………………………………..........67 Приложение1…………………………………………..…………………………………68 Приложение2………………………………………………………………………..……69 Приложение3……………………………………………………………………………..70 1.ВВЕДЕНИЕ Курс «Физика» для средних специальных учебных заведений является общеобразовательной дисциплиной и служит основой для изучения ряда дисциплин, формирующих технологические компетенции. Физика — наука экспериментальная, поэтому физический эксперимент является корневой структурой физического образования. Лабораторные работы проводятся с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспериментальных умений; формирования у них самостоятельности при решении задач, связанных с экспериментом. Составной частью современного научного познания является эксперимент, отличающийся от наблюдения активным оперированием реальными объектами, позволяющий изолировать изучаемый объект или процесс от побочных явлений или предметов. "Задача физики - по Галилею, - придумать эксперимент, повторить его несколько раз, исключив или уменьшив влияние возмущающих факторов..." Получая в ходе проведения эксперимента числовой результат, обучающихся должен понимать, какие допущения и пренебрежения были сделаны при постановке опыта и проведении расчетов. С этой позиции он должен оценивать и сопоставлять с табличными данными полученный результат, формулировать вывод. Описание лабораторных работ составлено по традиционному принципу с включением целей , теоретической и экспериментальной части работы с примерами записи полученных результатов в виде таблиц и графиков. Отдельно вынесены вопросы для самостоятельной проработки, приведен перечень рекомендуемой литературы. В теоретической части описания лабораторных работ сформулированы основные понятия и физические законы по теме работы, приведено обоснование и вывод рабочих формул. В экспериментальной части описания предлагается применение различных методик определения характеристик физических систем или универсальных физических постоянных, проверки физических законов. Количество часов на лабораторные работы, определенных учебной программой , составляет 40 часов. Лабораторные работы выполняются бригадами по 2 человека. На выполнение одной работы отводится на 2 академические часа. 2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИИ Измерение- это нахождение числового значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений (линейки, вольтметра, часы и т.д.). Измерения могут быть прямыми и косвенными. Прямое измерение- это нахождение числового значения физической величины непосредственно средствами измерений. Например, длину - линейкой, атмосферное давление- барометром. Косвенное измерение- это нахождение числового значения физической величины по формуле, связывающей искомую величину с другими величинами, определяемыми прямыми измерениями. Например: сопротивление проводника определяют по формуле R=U/I, где U и I измеряются электроизмерительными приборами. Поэтому измерения никогда не могут быть выполнены абсолютно точно. Результат любого измерения приближенный. Неопределенность в измерении характеризуется погрешностью - отклонением измеренного значения физической величины от ее истинного значения. Перечислим некоторые из причин, приводящих к появлению погрешностей. 1. Ограниченная точность изготовления средств измерения. 2. Влияние на измерение внешних условий (изменение температуры, колебание напряжения ...). 3. Действия экспериментатора (запаздывание с включением секундомера, различное положение глаза...). 4. Приближенный характер законов, используемых для нахождения измеряемых величин. Перечисленные причины появления погрешностей неустранимы, хотя и могут быть сведены к минимуму. Для установления достоверности выводов, полученных в результате научных исследований, существуют методы оценки данных погрешностей. 2. Случайные и систематические погрешности Погрешности, возникающие при измерениях, делятся на систематические и случайные. Систематические погрешности- это погрешности, соответствующие отклонению измеренного значения от истинного значения физической величины всегда в одну сторону (повышения или занижения). При повторных измерениях погрешность остается прежней. Причины возникновения систематических погрешностей: 1) несоответствие средств измерения эталону; 2) неправильная установка измерительных приборов (наклон, неуравновешенность); 3) несовпадение начальных показателей приборов с нулем и игнорирование поправок, которые в связи с этим возникают; 4) несоответствие измеряемого объекта с предположением о его свойствах (наличие пустот и т.д). Случайные погрешности- это погрешности, которые непредсказуемым образом меняют свое численное значение. Такие погрешности вызываются большим числом неконтролируемых причин, влияющих на процесс измерения (неровности на поверхности объекта, дуновение ветра, скачки напряжения и т.д.). Влияние случайных погрешностей может быть уменьшено при многократном повторении опыта. Абсолютные и относительные погрешности Для количественной оценки качества измерений вводят понятия абсолютной и относительной погрешностей измерений. Как уже говорилось, любое измерение дает лишь приближенное значение физической величины, однако можно указать интервал, который содержит ее истинное значение Апр - DА < Аист < Апр + DА Величина DА называется абсолютной погрешностью измерения величины А. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Абсолютная погрешность равна модулю максимально возможного отклонения значения физической величины от измеренного значения. Апр - значение физической величины, полученное экспериментально, если измерение проводилось многократно, то среднее арифметическое этих измерений. Но для оценки качества измерения необходимо определить относительную погрешность e e= DА/Апр или e= (DА/Апр )*100%. Если при измерении получена относительная погрешность более 10%, то говорят, что произведена лишь оценка измеряемой величины. В лабораториях физического практикума рекомендуется проводить измерения с относительной погрешностью до 10%. В научных лабораториях некоторые точные измерения (например определение длины световой волны), выполняются с точностью миллионных долей процента. Погрешности средств измерений Эти погрешности называют еще инструментальными или приборными. Они обусловлены конструкцией измерительного прибора, точностью его изготовления и градуировки. Обычно довольствуются о допустимых инструментальных погрешностях, сообщаемых заводом изготовителем в паспорте к данному прибору. Эти допустимые погрешности регламентируются ГОСТами. Это относится и к эталонам. Обычно абсолютную инструментальную погрешность обозначают D иА. Если сведений о допустимой погрешности не имеется (например у линейки), то в качестве этой погрешности можно принять половину цены деления. При взвешивании абсолютная инструментальная погрешность складывается из инструментальных погрешностей весов и гирь. В таблице приведены допустимые погрешности наиболее часто встречающихся в школьном эксперименте средств измерения. Средства измерения Предел измерения Цена деления Допустимая погрешность линейка ученическая до 50 см 1 мм 1 мм линейка демонстрационная 100 см 1 см 0.5 см лента измерительная 150 см 0.5 см 0.5 см мензурка до 250 мл 1 мл 1 мл гири 10,20, 50 мг 1 мг гири 100,200 мг 2 мг гири 500 мг 3 мг гири 1 г 4 мг гири 2 г 6 мг гири 5 г 8 мг гири 10 г 12 мг гири 20 г 20 мг гири 50 г 30 мг гири 100 г 40 мг штангенциркуль 150 мм 0.1 мм 0.05 мм микрометр 25 мм 0.01 мм 0.005 мм динамометр 4 Н 0.1 Н 0.05 Н весы учебные 200 г 0.1 г Секундомер 0-30 мин 0.2 с 1с за 30 мин барометр-анероид 720-780 мм рт.ст. 1 мм рт.ст 3 мм рт.ст термометр лабораторный 0-100 градусов С 1 градус 1 градус амперметр школьный 2 А 0.1 А 0.08 А вольтметр школьный 6 В 0.2 В 0.16 В Класс точности электроизмерительных приборов Стрелочные электроизмерительные приборы по допустимым значениям погрешностям делятся на классы точности, которые обозначены на шкалах приборов числами 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Класс точности g пр прибора показывает, сколько процентов составляет абсолютная погрешность от всей шкалы прибора g пр = (D и А/Амакс )*100% . Например абсолютная инструментальная погрешность прибора класса 2,5 составляет 2,5% от его шкалы. Если известен класс точности прибора и его шкала, то можно определить абсолютную инструментальную погрешность измерения D иА=( g пр * Амакс )/100. Для повышения точности измерения стрелочным электроизмерительным прибором надо выбирать прибор с такой шкалой, чтобы в процессе измерения располагались во второй половине шкалы прибора. Погрешность отсчета Погрешность отсчета получается от недостаточно точного отсчитывания показаний средств измерений. В большинстве случаев абсолютную погрешность отсчета принимают равной половине цены деления. Исключения составляют измерения стрелочными часами (стрелки передвигаются рывками). Абсолютную погрешность отсчета принято обозначать D оА Полная абсолютная погрешность прямых измерений При выполнении прямых измерений физической величины А нужно оценивать следующие погрешности: D иА, D оА и D сА (случайную). Конечно, иные источники ошибок, связанные с неправильной установкой приборов, несовмещение начального положения стрелки прибора с 0 и пр. должны быть исключены. Полная абсолютная погрешность прямого измерения должна включать в себя все три вида погрешностей. Если случайная погрешность мала по сравнению с наименьшим значением, которое может быть измерено данным средством измерения (по сравнению с ценой деления), то ее можно пренебречь и тогда для определения значения физической величины достаточно одного измерения. В противном случае теория вероятностей рекомендует находить результат измерения как среднее арифметическое значение результатов всей серии многократных измерений, погрешность результата вычислять методом математической статистики. Знание этих методов выходит за пределы школьной программы. Запись окончательного результата прямого измерения Окончательный результат измерения физической величины А следует записывать в такой форме А=Апр + D А, e= (DА/Апр )*100%. Апр - значение физической величины, полученное экспериментально, если измерение проводилось многократно, то среднее арифметическое этих измерений. D А- полная абсолютная погрешность прямого измерения. Абсолютную погрешность обычно выражают одной значащей цифрой. Пример: L=(7,9 + 0,1) мм, e=13%. Погрешности косвенных измерений При обработке результатов косвенных измерений физической величины, связанной функционально с физическими величинами А, В и С, которые измеряются прямым способом, сначала определяют относительную погрешность косвенного измерения e= DХ/Хпр , пользуясь формулами, приведенными в таблице (без доказательств). Абсолютную погрешность определяется по формуле DХ=Хпр *e, где e выражается десятичной дробью, а не в процентах. Окончательный результат записывается так же, как и в случае прямых измерений. Вид функции Формула Х=А+В+С Х=А-В Х=А*В*С Х=Аn Х=А/В Х= 3. СВЕДЕНИЯ О ПРИБЛИЖЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЯХ При работе с приближенными числами необходимо соблюдать следующие правила: 1. При сложении и вычитании приближенных чисел в результате следует сохранять столько десятичных знаков, сколько их в числе с наименьшим количеством десятичных знаков. Пример: 1,82 + 14, 368 3 + 5,8 = 1,82 + 14,37 + 5,8 = 22,0. 2. При умножении и делении в результате следует сохранять столько значащих цифр, сколько их в приближенном числе с наименьшим количеством значащих цифр. Примеры : 83 973 ∙ 0,4 = 84 ∙103 ∙ 0,4 = 33,6 ∙ 103 = 3 ∙104 . 3. При возведении в квадрат и клуб в результате следует сохра­нять столько значащих цифр, сколько их имеет возводимое в степень приближенное число. Примеры : 1,322 = 1,74; 3,63 = 46. 4. При извлечении квадратного и кубического корней в результа­те следует брать столько значащих цифр, сколько их в подко­ренном приближенном числе. Примеры : = 1,89 ∙ 10-4 ; = 1,61. 5. При вычислении промежуточных результатов следует брать на одну цифру больше, чем рекомендуют правила. В окончательном результате эта "запасная" цифра отбрасывается. 6. Пример: 4. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 4.1 ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ Подготовка к проведению лабораторных работ начинается в начале теоретического изложения изучаемой темы на уроках физики и продолжается по ходу её изучения при освоении материала на занятиях в техникуме и работе над ним в ходе самостоятельной подготовки дома и в библиотеках. Для качественного выполнения лабораторных работ студентам необходимо: 1) повторить теоретический материал по конспекту и учебникам; 2) ознакомиться с описанием лабораторной работы; 3) в специальной рабочей тетради записать название и номер работы, перечень необходимого оборудования, подготовить схему или зарисовку установки, таблицы для записи результатов измерений и вычислений, подготовить миллиметровую бумагу и графический масштаб для построения графиков; 4) выяснить цель работы, четко представить себе поставленную задачу и способы её достижения, продумать ожидаемые результаты опытов; 5) ответить устно или письменно на контрольные вопросы по изучаемой теме или решить ряд задач; 6) изучить порядок выполнения лабораторной работы. Подготовить лабораторное оборудование к работе, если нужно собрать электрическую схему. После проверки правильности собранной схемы преподавателем можно начинать выполнение лабораторной работы. 4.2 СБОРКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ При сборке электрических цепей требуется придерживаться следующих правил: 1) Проводить сборку цепи при отключенном источнике напряжения; 2) Вначале собирается последовательная цепь, а затем к ней присоединяются параллельные участки; 3) Сборку цепи начинают с "+" источника, а заканчивают на источнике напряжения; 4) При сборке цепей постоянного тока необходимо соблюдать полярность включения электроизмерительных приборов. "+" приборов необходимо подключать к "+" источника, а "-" приборов к "–" источника. 5) При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности, быть аккуратным, бережно относиться к оборудованию и приборам. 4.3 ВЫПОЛНЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ 1) Выполните лабораторную работу. При этом будьте внимательны при снятии показаний измерительных приборов. Старайтесь снять показания точнее, без излишне грубого округления. Результаты измерений занесите в таблицу. 2) Проведите вычисления искомых величин. При этом не нужно оставлять лишние цифры после запятой. Например, если U=12,3В и I=0,53А, то R=U/I=12,3B/0,53A=23,20754 Ом. Нет никакого смысла в результате вычисления сопротивления оставлять после запятой 5 знаков. Так как напряжение измерено с точностью до десятых долей вольта, то результат измерения сопротивления не будет превосходить эту точность. Точность измерения сопротивления будет ниже, чем точность измерения напряжения, поэтому в качестве ответа необходимо оставить R=23,2 Ом. 3) При вычислении относительной погрешности измерения, если δx < 10%, то результаты хорошие, δx < 20% - удовлетворительные и δx >20% - неудовлетворительные. 4) При вычислении абсолютной и относительной погрешностей необходимо знать правила округления: 4.1. В результате оставить одну значащую цифру, если число начинается с цифр 4,5,6,7,8,9 4.2. В результате оставить две значащие цифры, если число начинается с цифр 1,2,3 Например: δx =12,3%. Применяя правила округления, в качестве ответа запишем: δx =12%. Если δx=43,1%, то ответ будет δx =40% 5) При построении графиков необходимо выяснить функциональную зависимость. Аргумент (независимая переменная) откладывается по горизонтальной оси, а функция – по вертикальной. Необходимо правильно выбрать масштаб по осям координат. Масштаб не должен быть слишком большим или слишком малым. В противном случае график будет или очень маленьким, или очень большим. По осям координат откладываются не произвольные числа, а числа кратные (1,2,3,4,5)*10 , где К=0,1,2,… 6) Сделать выводы по лабораторной работе. 4.4 СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА Составление отчета - индивидуальная работа студента. Отчет является документом о проделанном эксперименте, поэтому в нем должны быть приведены все необходимые сведения для проверки результатов опытов и расчетов. Страницы отчета должны быть оформлены в соответствии с ГОСТ. Также в отчет должны входить: · цель работы; · теория; · оборудование; · схема опыта, если она приводится; · таблицы данных; · применяемые формулы и расчеты по ним; · графики зависимости при требовании в порядке выполнения работы; · выводы по результатам измерений и вычислений; · ответы на контрольные вопросы или решения задач. Схемы, таблицы, графики и другие построения выполняются только черным карандашом (тушью), чертежными инструментами. При выполнении схем должны соблюдаться стандартные обозначения (ГОСТы) указываемых элементов. Исправления и помарки в отчете не допускаются. При выполнении всех вышеуказанных требований выполненная работа зачитывается преподавателем автоматически, в противном случае зачет производится по результатам собеседования с преподавателем. 4.5 ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ Общие требования безопасности · Перед началом выполнения лабораторных работ по физике преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности. · Студенты допускаются к выполнению лабораторных работ по физике при личной записи об ознакомлении и росписи в "Журнале по технике безопасности". · В случае появления дыма, специфического запаха горелой изоляции, студент должен выключить установку и немедленно сообщить о произошедшем преподавателю. Основные правила техники безопасности · Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания. · Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описания, уясните ход её выполнения. · Произведите сборку электрических цепей, переключения в них, монтаж и ремонт электрических устройств только при отключении источника питания. Запрещается подключать к электрической сети 220В приборы и оборудование без разрешения преподавателя. · Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов были наконечники. · При сборке электрической цепи, провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно зажимайте клеммами. · Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголённым проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением). · По окончании работы отключите источник электропитания, после чего разберите электрическую цепь. · Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом преподавателю. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА Цель : вычислить ускорение свободного падения при помощи математического маятника. Оборудование: 1. часы с секундной стрелкой; 2. измерительная лента 3. шарик с отверстием 4. нить 5. штатив с муфтой и кольцом. Теория: Как известно, гравитационное поле Земли в любой точке ее поверхности характеризуется ускорением свободного падения g. Ускорение свободного падения можно определить экспериментально с помощью математического маятника. Математическим маятником называют материальную точку массой m, подвешенную на невесомой, нерастяжимой нити и совершающей гармонические колебания в вертикальной плоскости. Период колебаний математического маятника выражается следующей формулой: (1), где –длина подвеса, g-ускорение свободного падения, T – период малых колебаний маятника. Из формулы (1) можно вычислить ускорение свободного падения: (2) Из формулы (2) видно, что для определения ускорения свободного падения необходимо знать длину подвеса и период малых колебаний маятника. Длина может быть измерена непосредственно с помощью линейки (мерной ленты). Порядок выполнения работы 1. Установите на краю стола штатив. У верхнего конца укрепите при помощи муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 3–5 см от пола. 2. Отклоните маятник от положения равновесия на 5–8 см и отпустите его. 3. Измерьте длину подвеса мерной лентой. 4. Измерьте время Δ t 40 полных колебаний (N ). 5. Повторите измерения Δ t (не изменяя условий опыта) и найдите среднее значение Δ t ср 6. Вычислите среднее значение периода колебаний Т ср по среднему значению Δ t ср. 7. Вычислите значение gср по формуле: 8. Полученные результаты занесите в таблицу: Номер опыта l, м N Δ t , c Δ t ср , c g ср , 1 2 3 9. Сравните полученное среднее значение для g ср со значением g =9.8м/с2 и рассчитайте относительную погрешность измерения по формуле: εg Контрольные вопросы Вариант 1 1. Что называется математическим маятником?. 2. Что называется механическим колебанием?. 3. Чтобы помочь шоферу вытащить автомобиль, застрявший в грязи, несколько человек раскачивают автомобиль, причем толчки, как правило, производятся по команде. Важно ли, через какие промежутки времени подавать команду?. 4. Математический маятник за 10 с совершил 20 полных колебаний. Найти период колебаний. 5. Во сколько раз изменится частота колебаний математического маятника при увеличении длины нити в 3 раза?. Вариант 2 1. Какие колебания называют вынужденными?. 2. Что называют резонансом?. 3. Спортсмен раскачивается при прыжках на батуте со строго определенной частотой. От чего зависит эта частота?. 4. Частота колебаний крыльев комара 600 Гц, а период колебаний крыльев шмеля 5 мс. Какое из насекомых сделает при полете больше взмахов крыльями за 1 мин и на сколько?. 5. Как относятся длины математических маятников, если за одно и то же время один совершает 10, а второй 30 колебаний? . Рекомендуемая литература 1. Кикоин А.К, Кикоин И.К. Физика: учебник для 10 класса для школ с углубленным изучение физики. – М.: Просвещение, 1998. (Стр.11-25) 2. Омельченко В.П., Антоненко Г.В. Физика.- Р., 2005. (Стр. 63-76) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 НАБЛЮДЕНИЕ БРУНОВСКОГО ДВИЖЕНИЯ Цель: осуществить наблюдение броуновское движение с помощью школьного микроскопа. Оборудование : 1. Школьный микроскоп. 2. Окуляр 15х. 3. Объектив 40х. 4. Акварельные краски (тушь) , 1-2 см3 молока. 5. Предметные и покровные стекла (5-6 шт.). 6. Два сосуда с водой разной температуры. Теория . Броуновское движение - это беспорядочное движение малых (размерами в несколько мкм и менее) частиц, взвешенных в жидкости или газе , ,происходящее под действием толчков со стороны молекул окружающей среды. Открыто оно р.Броуном в 1827 году. Видимые только под микроскопом взвешенные частицы движутся независимо друг от друга и описывают сложные зигзагообразные траектории. Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды, его интенсивность увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением её вязкости и размеров частиц. Последовательно объяснение броуновского движения было дано А. Эйнштейном и М.Смолуховским в 1905-1906 годах на основе молекулярно-кинетической теорий. Согласно этой теории, молекулы жидкости или газа находятся в постоянном тепловом движении, причём импульсы различных молекул неодинаковы по величине и направлению. Если поверхность частицы, помещённой в такую среду, мала, как это имеет место для броуновской частицы, то удары, испытываемые частицей со стороны окружающих её молекул, не будут точно компенсироваться. Поэтому в результате»бомбардировки» молекулами жидкости или газа броуновская частицы приходит в беспорядочное движение, меняя величину и направление своей скорости примерно 1014 раз в секунду. Характер движения частиц при броуновском движении можно посмотреть на рис.1. Рис.1 Броуновское движение наблюдается в более сложных формах в технике. Это - тепловые шумы в радиосхемах, вибрации легких деталей в измерительных приборах и т.п. Осуществить наблюдение броуновского движения можно с помощью школьного микроскопа. Внешний вид микроскопа показан на рис.2 Рис.2 Он состоит из: окуляра-1, винта настройки-2, кронштейна-3, упорного винта-4, пружинного держателя-5, шарнира-6, основания-7, осветительного устройства-8, дисковой диафрагмы-9, предметного столика, микрообъектива-11, револьверной головки объективов-12, тубусодержателя-13. Для работы установите"микроскоп на стол предметным столиком от себя. Для удобства наблюдения тубусодержатель можно наклонить. Установите предметное стекло с препаратами на предметный столик, прижав его пружинными держателями. Глядя в окуляр, при помощи винтов настройки медленно поднимайте или опускайте тубус микроскопа до тех пор, пока в поле зрения не появится изображение препарата. При фокусировке можно осторожно передвигать препарат, т.к., подвижное изображение гораздо легче заметить, чем неподвижное. Найдя изображение, еще более медленным вращением винтов добейтесь наиболее резкого изображения. Качество изображения в микроскопе в значительной степени зависит от освещения, поэтому настройка освещения является важной подготовительной операцией. Свет от источника (окно, лампа) должен с помощью зеркала направляться через диафрагму предметного столика на препарат. Предметный столик снабжен диском, поворотом которого можно менять диаметр отверстия диафрагмы. Наблюдая в окуляр, поворачивайте зеркало до тех пор, пока все поле зрения не окажется равномерно освещенным. Фокусировка может считаться законченной, когда будут максимально устранены недостатки изображения в виде полос, пятен, бликов. Ведя наблюдение, не закрывайте свободный глаз для предупреждения его утомления. Порядок выполнения работы 1. Подготовить микроскоп для работы. 2. На предметное стекло нанести кисточкой 1-2 капли воды. 3. Коснутся несколько раз той же кисточкой поверхности краски (туши) и снова ввести кисточку в приготовленные капли. 4. Каплю окрашенной жидкости кисточкой перенести на другое предметное стекло и закрыть покровным стеклом. 5. Приготовленный препарат положить на предметный столик микроскопа. Зеркало микроскопа направить на источник света, чтобы получить хорошее освещение препарата. 6. Опустить объектив кремальерным винтом на расстояние ~ 0,5 покровного стекла. 7. Наблюдая в микроскоп, сфокусировать изображение микрометрическим винтом. 8. Сосредоточить внимание на какой-нибудь одной из наиболее легких броуновских частиц и, пронаблюдать за ее положением, сделать вывод о характере движения частицы. 9. Опыт повторить с водой более высокой температуры и с раствором молока. Сделать вывод. 10. Выполнить схематический чертёж наблюдаемого явления. Контрольные вопросы Вариант1 1. Что называют броуновским движением? Как объяснить это явление? 2. Почему, чем больше размер частиц, тем менее заметно их броуновское движение? 3. Почему с повышением температуры интенсивность броуновского возрастает? 4. Будет ли наблюдаться броуновское движение при температуре t=-273 C? 5. Можно ли наблюдать броуновское движение в условиях невесомости? Вариант 2 1. Назовите причину возникновения броуновского движения 2. Одинакова ли интенсивность движения броуновских частиц одного размера, находящихся в жидкостях одной температуры, но разной плотности? 3. Какое положение МКТ доказывают броуновское движение? 4. Чем отличается броуновское движение от диффузии? 5. Чем похоже броуновское движение с диффузией? Рекомендуемая литература 1. Кикоин А.К, Кикоин И.К. Физика: учебник для 10 класса для школ с углубленным изучение физики. – М.: Просвещение, 1998. (Стр.28-41) 2. Омельченко В.П., Антоненко Г.В. Физика.- Р., 2005. (Стр. 94-105) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ПРОВЕРКА ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ОБЪЕМОМ, ДАВЛЕНИЕМ И ТЕМПЕРАТУРОЙ ДЛЯ ДАННОЙ МАССЫ ГАЗА. Цель работы: опытным путем проверить справедливость уравнения состояния газа. Оборудование: 1. Прибор для проверки уравнения состояния газа (укороченный манометр). 2. Стакан химический с горячей водой. 3. Термометр. 4. Барометр (общий для всех) Теория Состояние данной массы газа характеризуется тремя параметрами: объемом V, давлением Р и термодинамической температурой Т. В природе и технике, как правило, происходит изменение всех трех величин одновременно, но при этом соблюдается закономерность, выраженная уравнением состояния газа: P1• V1 /T1 =P2• V2 /T2 =P•V/Т, при m = const. Для данной массы газа произведение объема на давление, деленное на термодинамическую температуру, есть величина постоянная. Проверить эту зависимость экспериментально можно, используя укороченный манометр (см. рис.1). Рис. 1. Прибор состоит из "V''- образной трубки, запаянной с одного конца. Стеклянная трубка наполнена маслом и закреплена на металлической пластинке с делениями, по которой определяется высота столбика газа Н, закрытого маслом, разность уровней масла h. Порядок выполнения работы Опыт 1 1. Измерить величину атмосферного давления по барометру Ратм . 2. Измерить температуру в комнате, она же первоначальная температура газа в закрытой трубке манометра Т1 . 3. Зарисовать положение масла в манометре (обозначить - опыт 1), указать численное значение его уровней в обоих коленах трубки. 4. Измерить длину газового столбика H1 в закрытой трубке (см. рис.1.). Объем столбика газа численно равен его длине (V = Н (V) - в таблице 1). 5. Измерить величину разности уровня масла в коленах трубки манометра h1 . 6. Рассчитать давление масла, создаваемое разностью его уровней по формуле: Pм =ρм gh1 где ρм = 9,2*102 кг/м3 , g = 10 м/с2 . 7. Вычислить величину давления газа в закрытой трубке манометра по формуле: P1 =Ратм ±Рм , в зависимости от положения масла в коленах манометра (выбрать вариант по рисункам 1 и 2). 8. Сделать вычисления постоянной C1 = P1 • H1 / T1 . Рис.1. P1 =Ратм +Рм Рис.2. P1 =Ратм –Рм Возможные положения уровня масла в манометре Опыт 2 1. Поместить манометр в стакан с горячей водой. 2. Измерить температуру горячей воды Т2 . 3. Сделать 2-ой рисунок положения уровней масла в манометре (обозначить - опыт2), новые измерения и вычисления для опыта 2 так же как в пунктах 4-7 опыта 1. 4. Сделать вычисления постоянной С2 = Р2 * Н2 / Т2 . 5. Найти из опытов 1 и 2 среднее значение постоянной "С": Сср = (C1 +C 2 ) / 2 6. Вычислить абсолютную погрешность измерений: ΔС = | Сср - C1 | 7. Вычислить относительную погрешность измерений: δC=ΔC1 * 100% / Сср 8. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1. 9. Все вычисления по опытам 1 и 2 подробно записать до таблицы 1. Таблица 1. № опыта Ратм (Па) H (V) (м) h (м) Рм (Па) Р (газа) (Па) C (Па м/К) ΔC (Па м/К) δC (%) 1 2 Контрольные вопросы Вариант 1 1. Почему в данной работе объем газа можно выражать в условных единицах? 2. Изменится ли данное число "С", если опыт проводить с другой массой газа? 3. Определить массу 20 л воздуха, находящегося при температуре 273К под давлением 30 атм. 4. В закрытом со всех сторон сосуде находится неидеальный газ, молекулы которого при ударах о стенки передают им часть кинетической энергии. Будет ли нагреваться сосуд, если он теплоизолирован от окружающей среды? 5. В баллоне находится газ при температуре 273 К и давлении 1,2·105 Па. Вследствие нагревания давление газа возросло до 1,8·105 Па. На сколько градусов нагрелся газ? Вариант 2 1. Какие причины влияют на точность определения постоянной "С"? 2. Производит ли газ давление в состоянии невесомости? 3. Газ при давлении 126,6 кПа и температуре 300К занимает объем 0,60 м3 . Найти объем газа при нормальных условиях. 4. Запуск искусственных спутников Земли показал, что «температура» воздуха на высоте 1000 км достигает нескольких тысяч градусов. Почему же не расплавился спутник, двигаясь на указанной высоте? (Температура плавления железа 1520° С.) 5. Каким будет давление газа после его охлаждения от 30 до 0 о С, если при 30 о С давление газа было равно 2·105 Па? Объем считать постоянным. Рекомендуемая литература 1. Кикоин А.К, Кикоин И.К. Физика: учебник для 10 класса для школ с углубленным изучение физики. – М.: Просвещение, 1998. (Стр.42-54) 2. Омельченко В.П., Антоненко Г.В. Физика.- Р., 2005. (Стр. 105-108) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ГИГРОМЕТРА И ПСИХРОМЕТРА Цель: 1. Ознакомиться с устройством и принципом действия конденсационного гигрометра. 2. Научиться измерять и вычислять влажность воздуха. 3. Научиться пользоваться психрометрическими таблицами (Сборник вопросов и задач по физике [4] табл.8, 20). Оборудование: 1. Конденсационный гигрометр (рис.1). 2. Термометр. 3. Эфир. 4. Психрометры (рис.2) Теория В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность (ρа ) определяется массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, т.е. плотностью водяного пара. Абсолютную влажность можно определить по температуре точки росы – температуре, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. Температуру точки росы определяют с помощью гигрометра, а затем по таблице "Давление насыщающих паров и их плотность при различных температурах" находят соответствующую температуре точки росы плотность. Найденная плотность и есть абсолютная влажность окружающего воздуха. Относительная влажность В показывает, сколько процентов составляет абсолютная влажность ρа от плотности ρн водяного пара, насыщающего воздух при данной температуре: В = ρа • 100% / ρн (1) Для определения относительной влажности используют гигрометр и психрометр. Гигрометры (от греч. hygros—влажный и metron—мера), приборы для определения влажности воздуха. Существует три основных типа гигрометра.: одни показывают абсолютную влажность, другие — относительную, третьи—точку росы. Гигрометры, определяющие влажность воздуха по точке росы, носят название конденсационных гигрометров. Из конденсационных гигрометров, наиболее простое устройство имеет зеркальный гигрометр Ламбрехта (см. рисунок 1). Рис.1 Он состоит из металлической камеры 1, передняя часть 2 которой гладко отполирована; внутри камеры налит серный эфир и вставлен термометр 6 для измерения температуры эфира. В камеру входят две трубки, по которым посредством каучукового баллона 5 продувают через эфир воздух; при этом эфир испаряется, и вследствие этого температура воздуха в камере постепенно понижается. При опускании температуры до точки росы зеркальная наружняя поверхность 2 гигрометра покрывается мельчайшими капельками воды (запотевает) – «выпадает роса». При этом часть корпуса гигрометра 3 (внешнее кольцо) имеет комнатную температуру и остается сухой (для сравнения). Чем меньше влажность, тем ниже точка росы. Давление насыщенных паров при точке росы, определяемое по таблице 8 в сборнике вопросов и задач по физике [4]). Относительная влажность может быть определена по формуле (1). Для определения относительной влажности особенно часто пользуются гигрометр, носящии название психрометр. Рассмотрим устройства психрометра Августа (см. рис. 2). Рис.2 Он состоит: сухого термометра-1, панели-2, влажного термометра-3, чехла -4, сосуда с водой-5. Психрометр Августа имеет два термометра: "сухой" и "влажный". Они так называются потому, что конец одного из термометров находится в воздухе, а конец второго обвязан кусочком марли, погруженным в воду. Испарение воды с поверхности влажного термометра приводит к понижению его температуры. Второй же, сухой термометр, показывает обычную температуру воздуха. Определение влажности основано на сравнении показаний сухого t 1 и смоченного t 2 термометров. Так как с поверхности резервуара смоченного термометра происходит испарение воды, то его температура будет ниже, чем сухого. Причем разность между показаниями термометров будет тем больше, чем меньше влажность воздуха, так как при малой влажности испарение происходит более интенсивно и показания влажного термометра будут меньшими. Понижение температуры смоченного термометра продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие, при котором на испарение будет уходить столько тепла, сколько будет приходить из окружающей среды. Порядок выполнения работы Опыт 1 Работа с гигрометром . 1. Измерить температуру окружающего воздуха tкомн 2. Наполнить камеру гигрометра летучей жидкостью (эфир 3-4 см3 ) 3. Установить термометр в камеру гигрометра (рис.1). При помощи груши продувать воздух через эфир и внимательно следить за полированной поверхностью стенки камеры 1, сравнивая ее с поверхностью кольца 2 (рис.1). Заметив появление росы (начало запотевания), записать температуру точки росы tросы 4. Опыт повторить 1-2 раза. 5. Определить температуру точки росы как среднее арифметическое измеренных температур. 6. По таблице (см. таблицу 1) определить плотность пара соответственно при температуре точки росы и комнатной. ρн –плотность пара при точке росы, ρа –плотность пара при комнатной температуре. 7. Вычислить относительную влажность B1 по формуле: B1 = ρн (tросы ) •* 100% / ρн (tкомн ) Опыт2 Работа с психрометром. 1. Проверить наличие воды в стаканчике психрометра и при необходимости долить ее. 2. Определить температуру сухого термометра tcyx 3. Определить температуру влажного термометра tвл 4. Определить разность показаний термометров: Δt = tсух –tвл , °С.Пользуясь психрометрической таблицей (см. таблицу 2), определить относительную влажность В2 . 5. Результаты измерений и вычислений записать в отчет по лабораторной работе. Контрольные вопросы Вариант 1. 1. Почему при продувании воздуха через эфир на полированной поверхности стенки камеры гигрометра появляется роса? В какой момент появляется роса? 2. Температура в помещении понижается, а абсолютная влажность остается прежней. Как изменится разность показаний термометров психрометра? 3. Почему после жаркого дня роса бывает более обильна? 4. При какой температуре выпадет роса, если абсолютная влажность воздуха 7,3*10-3 кг/м3 ? 5. При понижении температуры от 27 до 10 градусов из каждого кубического метра воздуха выделилось 8 г воды. Какова была относительная влажность воздуха при 27 градусах? Вариант 2. 1. Почему показания влажного термометра психрометра меньше показаний сухого термометра? При каком условии разность показаний термометров наибольшая? 2. Сухой и влажный термометры психрометра показывают одну и ту же температуру. Какова относительная влажность воздуха? 3. Почему перед дождём ласточки летают низко? 4. Относительная влажность воздуха 73% .Что показывает сухой и влажный термометры психрометра, если разность их показаний равна 4 градусам? 5. В сводке погоды днём сообщалось, что температура воздуха составляет 25 градусов, относительная влажность – 75% . Выпадет ли ночью роса, если температура понизится до 17 градусов? Рекомендуемая литература 1. Кикоин А.К, Кикоин И.К. Физика: учебник для 10 класса для школ с углубленным изучение физики. – М.: Просвещение, 1998. (Стр.64-75) 2. Омельченко В.П., Антоненко Г.В. Физика.- Р., 2005. (Стр. 113-115) Таблица1. Давление насыщенных паров воды, мм рт. ст. Таблица 1 С° Десятые доли градусов 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 5 6.54 6.59 6.64 6.68 6.73 6.78 6.82 6.87 6.92 6.97 6 7.01 7.06 7.11 7.16 7.21 7.26 7.31 7.36 7.41 7.46 7 7.51 7.57 7.62 7.67 7.72 7.78 7.83 7.88 7.94 7.99 8 8.05 8.10 8.16 8.21 8.27 8.32 8.38 8.44 8.50 8.55 9 8.61 8.67 8.73 8.79 8.85 8.91 8.97 9.03 9.09 9.15 10 9.21 9.27 9.33 9.40 9.46 9.52 9.59 9.65 9.72 9.78 11 9.85 9.91 9.98 10.04 10.11 10.18 10.25 10.31 10.38 10.45 12 10.52 10.59 10.66 10.73 10.80 10.87 10.94 11.02 11.09 11.16 13 11.23 11.31 11.38 11.46 11.53 11.61 11.68 11.76 11.84 11.91 14 11.99 12.07 12.15 12.23 12.30 12.38 12.46 12.55 12.63 12.71 15 12.79 12.87 12.96 13.04 13.12 13.21 13.29 13.38 13.46 13.55 16 13.64 13.72 13.81 13.90 13.99 14.08 14.17 14.26 14.35 14.44 17 14.53 14.63 14.72 14.81 14.91 15.00 15.10 15.19 15.29 15.38 18 15.48 15.58 15.68 15.78 15.87 15.97 16.07 16.18 16.28 16.38 19 16.48 16.59 16.69 16.79 16.90 17.00 17.11 17.22 17.32 17.43 20 17.54 17.65 17.76 17.87 17.98 18.09 18.20 18.31 18.43 18.54 21 18.66 18.77 18.89 19.00 19.12 19.24 19.35 19.47 19.59 19.71 22 19.83 19.95 20.08 20.20 20.32 20.45 20.57 20.70 20.82 20.95 23 21.07 21.20 21.33 21.46 21.59 21.72 21.85 21.98 22.12 22.25 24 22.38 22.52 22.65 22.79 22.93 22.07 23.20 23.34 23.48 23.62 25 23.76 23.91 24.05 24.19 24.34 24.48 24.63 24.77 24.92 25.07 Таблица 2 Психрометрическая таблица относительной влажности воздуха Разность показаний сухого и влажного термометров 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 1 100 90 81 73 64 57 50 43 36 31 26 20 16 11 7 3 2 100 90 82 74 66 59 52 45 39 33 29 23 19 16 11 7 3 100 90 83 75 67 61 57 47 42 35 31 26 23 18 14 10 4 100 90 83 76 69 63 56 49 44 39 34 29 26 21 17 13 10 5 100 91 84 77 70 64 57 51 46 41 36 32 28 24 20 16 14 6 100 91 85 78 71 65 59 54 48 43 39 34 30 27 23 19 17 7 100 92 85 78 72 66 61 56 50 45 41 35 33 29 26 22 19 8 100 92 86 79 73 67 62 57 52 47 43 39 35 31 28 25 22 9 100 92 86 80 74 68 63 58 54 49 45 41 37 33 30 27 25 10 100 93 86 81 75 70 65 60 55 51 47 43 39 35 32 29 27 11 100 94 87 82 76 71 66 61 57 53 48 45 41 38 34 31 28 12 100 94 88 82 77 72 67 62 58 55 50 47 43 40 36 33 30 13 100 94 88 82 78 73 68 63 59 56 52 48 44 42 38