Лабораторные работы по физике

 

Лабораторная работа № 1

 

Движение тела по окружности под действием силы тяжести и упругости.

 

Цель работы: проверить справедливость второго закона Ньютона для движения тела по окружности под действием нескольких.

Оборудование, средства измерения: 1)груз, 2)нить, 3)штатив с муфтой и кольцом, 4) лист бумаги, 5)Измерительная лента, 6)часы с секундной стрелкой.

Теоретическое обоснование

Экспериментальная установка состоит из груза, привязанного на нити к кольцу штатива (рис.1). На столе под маятником располагают лист бумаги, на котором нарисована окружность радиусом 10 см. Центр О окружности находится на вертикали под точкой подвеса К маятника. При движении груза по окружности, изображённой на листе, нить описывает коническую поверхность. Поэтому такой маятник называют коническим.

1.                 Центростремительное ускорение  маятника, направленное к точке О, создаётся одновременным действием на него силы тяжести  и силы натяжения нити . Второй закон Ньютона для движения груза массой  в векторной форме имеет вид

                                                      (1)

Спроецируем (1) на координатные оси X и Y.

(Х),                                             (2)

(У),                                         (3)

где - угол, образуемый нитью с вертикалью.

Выразим  из последнего уравнения

и подставим в уравнение (2). Тогда

                                                        (4)

Если период обращения Т маятника по окружности радиусом К известен из опытных данных, то

                                                                 (5)

период обращения можно определить, измерив время t, за которое маятник совершает N оборотов:

                                                                    (6)

Как видно из рисунка 1,

,                                                                (7)

 

                     

                                           Рис.1

 

Рис.2

где h=OK – расстояние от точки подвеса К до центра окружности О.

С учётом формул (5) – (7) равенство (4) можно представить в виде

.                                                                        (8)

Формула (8) – прямое следствие второго закона Ньютона. Таким образом, первый способ проверки справедливости второго закона Ньютона сводиться к экспериментальной проверке тождественности левой и правой частей равенства(8).

2.     Второй способ основан на непосредственном изменении равнодействующей  силы тяжести  и силы натяжения:

.

         Сила сообщает маятнику центростремительное ускорение

.

С учётом формул (5) и (6) второй закон Ньютона имеет вид

.                                                                          (9)

Сила F измеряется с помощью динамометра. Маятник оттягивают от положения равновесия на расстояние, равное радиусу окружности R, и снимают показания динамометра (рис.2) Масса груза m предполагается известной.

Следовательно, ещё один способ проверки справедливости второго закона Ньютона сводится к экспериментальной проверке тождественности левой и правой частей равенства(9).

o   порядок выполнения работы

1.     Соберите экспериментальную установку(см. рис. 1), выбирая длину маятника около 50 см.

2.     На листе бумаги начертите окружность радиусом R = 10 cм.

3.     Лист бумаги расположите так, чтобы центр окружности находился под точкой подвеса маятника по вертикали.

4.     Измерьте расстояние h между точкой подвеса К и центром окружности О сантиметровой лентой.

h =

5.Приведите в движение конический маятник вдоль начерченной  окружности с постоянной скоростью. Измерьте время t, в течение которого маятник  совершает N = 10 оборотов.

t =

     6. Вычислите центростремительное ускорение груза

7.     Вычислите

 Вывод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 2

Проверка закона Бойля-Мариотта

 

Цель работы: экспериментально проверить закон Бойля – Мариотта путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.

Оборудование, средства измерения: 1) прибор для изучения газовых законов, 2) барометр (одни на класс), 3) штатив лабораторный, 4) полоска миллиметровой бумаги размеров 300*10 мм, 5) измерительная лента.

Теоретическое обоснование

Закон Бойля – Мариотта определяет взаимосвязь давления и объема газа данной массы при постоянной температуре газа. Чтобы убедиться в справедливости этого закона или равенства

                                                                              (1)

достаточно измерить давление p₁ , p₂  газа и его объем V₁ , V₂ в начальном и конечном состоянии соответственно. Увеличение точности проверки закона достигается, если вычесть из обеих частей равенства (1) произведение . Тогда формула (1) будет иметь вид

                                                             (2)

или

                                                                      (3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прибор для изучения газовых законов состоит из двух стеклянных трубок 1 и 2 длиной 50 см, соединенных друг с другом резиновым шлангом 3 длиной 1 м, пластинки с зажимами 4 размером 300*50*8 мм и пробки 5 (рис. 1, а). К пластинке 4 между стеклянными трубками прикреплена полоска миллиметровой бумаги. Трубку 2 снимают с основания прибора, опускают вниз и укрепляют в лапке штатива 6. Резиновый шланг заполнен водой. Атмосферное давление  измеряется барометром в мм рт. ст.

При фиксации подвижной трубки в начальном положении (рис. 1, б) цилиндрический объем газа в неподвижной трубке 1 может быть найден по формуле

,                                                                                 (4)

где S – площадь поперечного сечения трубки 1ю

Начальное давление  газа в ней, выраженное в мм рт. ст., складывается из атмосферного давления и давления столба воды высотой  в трубке 2:

мм.рт.ст.                                                        (5).

где  - разность уровней воды в трубках (в мм.). В формуле (5) учтено, что плотность воды в 13,6 раза меньше плотности ртути.

При подъеме вверх трубки 2 и фиксации ее в конечном положении (рис. 1, в) объем  газа в трубке 1 уменьшается:

                                                                                 (6)

где  - длина воздушного столба в неподвижной трубке 1.

Конечное давление  газа находится по формуле

мм. рт. ст.                                                       (7)

Подстановка начальных  и конечных  параметров газа в формулу (3) позволяет представить закон Бойля – Мариотта в виде

                                                                   (8)

Таким образом, проверка справедливости закона Бойля – Мариотта сводится к экспериментальной проверке тождественности левой Л₈ и правой П₈ частей равенства (8).

Порядок выполнения работы

1.     Соберите экспериментальную установку (см. рис. 1,а).

2.     Подвижную трубку 2 опустите вниз и укрепите в лапке штатива.

3.     Откройте пробку 5 в неподвижной трубке.

4.     В трубки, соединенные резиновым шлангом, наливайте воду, пока не сравняются ее уровни около нижнего конца неподвижной трубки 1 и верхнего конца подвижной трубки 2.

5.     Неподвижную трубку закройте пробкой, поднимите подвижную трубку и зафиксируйте ее (см. рис. 1, б).

6.     Измерьте длину  воздушного столба в неподвижной трубке l.

=

7.Измерьте разность уровней  воды в трубках.

=

8.     Поднимите еще выше подвижную трубку 2 и зафиксируйте ее (см. рис. 1, в).

9.     Повторите измерения длины столба воздуха в трубке 1 и разности уровней воды в трубках. Запишите результаты измерений.

=                                    

=                                    

10.Измерьте атмосферное давление барометром.

=

11.Вычислите левую часть  равенства (8).

 

12. Вычислите правую часть  равенства (8).

13. Проверьте выполнение  равенства (8)

ВЫВОД:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 4

Исследование смешанного соединения проводников

Цель работы: экспериментально изучить характеристики смешанного соединения проводников.

Оборудование, средства измерения: 1) источник питания, 2) ключ, 3) реостат, 4) амперметр, 5) вольтметр, 6) соединительные провода, 7) три проволочных резистора сопротивлениями 1 Ом, 2 ОМ и 4 ОМ.

Теоретическое обоснование

         Во многих электрических цепях используется смешанное соединение проводников, являющееся комбинацией последовательного и параллельного соединений. Простейшее смешанное соединение сопротивлений = 1 Ом, = 2 Ом, = 4 Ом.

а)      Резисторы R2 и R3 соединены между собой параллельно, поэтому сопротивление между точками 2 и 3

 

(1)

б)      Кроме того, при параллельном соединении суммарная сила тока , втекающего в узел 2, равна сумме сил токов, вытекающих из него.

(2)

в)      Учитывая, что сопротивления R₁ и эквивалентное сопротивление  соединены последовательно.

, (3)

а общее сопротивление цепи между точками 1 и 3.

.(4)

         Электрическая цепь для изучения характеристик смешанного соединения проводников состоит из источника питания 1, к которому через ключ 2 подключены реостат 3, амперметр 4 и смешанное соединение трех проволочных резисторов R1, R2 и R3. Вольтметром 5 измеряют напряжение между различными парами точек цепи. Схема электрической цепи приведена на рисунке 3. Последующие измерения силы тока и напряжения в электрической цепи позволят проверить соотношения (1) – (4).

         Измерения силы тока I, протекающего через резистор R1, и равности потенциалов на нем  позволяет определить сопротивление  и сравнить его с заданным значением.

. (5)

Сопротивление  можно найти из закона Ома, измерив вольтметром разность потенциалов :

.(6)

         Этот результат можно сравнить со значением , полученным из формулы (1). Справедливость формулы (3) проверяется дополнительным измерением с помощью вольтметра напряжения  (между точками 1 и 3).

         Это измерение позволит также оценить сопротивление  (между точками 1 и 3).

.(7)

        

 

Экспериментальные значения сопротивлений, полученных по формулам (5) – (7), должны удовлетворять соотношению 9;) для данного смешанного соединения проводников.

Порядок выполнения работы

1.     Соберите электрическую цепь

 

 

 

2.     При помощи реостата установите в цепи определенную силу тока , измеряемую амперметром.

  3. Запишите результат измерения силы тока .

4. Подключите вольтметр к точкам 1 и 2 и измерьте напряжение  между этими точками.

5.Запишите результат измерения напряжения   

  6. Рассчитайте сопротивление .

   7. Запишите результат измерения сопротивления = и сравните его с сопротивлением резистора =1 Ом

  8. Подключите вольтметр к точкам 2 и 3 и измерьте напряжения  между этими точками

9.     Запишите результат измерения напряжения

10. Рассчитайте сопротивление

11. Запишите результат измерения сопротивления  и сравните его с сопротивлением (формула 1).

12. Подключите вольтметр к точкам 1 и 3 и измерьте напряжения  между этими точками

13. Запишите результат измерения напряжения

14. Рассчитайте сопротивление

15. проверьте справедливость формул (3) и (4).

В

Ом

Вывод:

 

Мы экспериментально изучили характеристики смешанного соединения проводников.

Проверим:

v    Дополнительное задание. Убедиться в том, что при параллельном соединении проводников справедливо равенство:

1.               Подключите амперметр последовательно с резистором  и измерьте силу тока , протекающего через резистор

А

2.               рассчитайте сопротивление резистора  и сравните его с заданным значением.

Ом

3.               подключите амперметр последовательно к резистору  и измерьте силу тока , протекающего через резистор

А

4.               Рассчитайте сопротивление резистора  и сравните его с заданным значением.

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 курс.

Лабораторная работа  № 1

 

Изучение явления электромагнитной индукции

 

Цель работы: доказать экспериментально правило Ленца, определяющее направление тока при электромагнитной индукции.

Оборудование, средства измерения: 1) дугообразный магнит, 2) катушка-моток, 3) миллиамперметр, 4) полосовой магнит.

Теоретическое обоснование

Согласно закону электромагнитной индукции (или закону Фарадея-Максвелла), ЭДС электромагнитной индукции E_i в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность, ограниченную этим контуром.

E_i = - Ф^’   

 

Для определения знака ЭДС индукции (и соответственно направления индукционного тока) в контуре это направление сравнивается с выбранным направлением обхода контура.

Направление индукционного тока (так же как и величина ЭДС индукции) считается положительным, если оно совпадает с выбранным направлением обхода контура, и считается отрицательным, если оно противоположно выбранному направлению обхода контура. Воспользуемся законом Фарадея – Максвелла для определения направления индукционного тока в круговом проволочном витке площадью S₀. Предположим, что в начальной момент времени t₁=0 индукция магнитного поля  в области витка равна нулю. В следующий момент времени t₂= виток перемещается в область магнитного поля, индукция которого направлена перпендикулярно плоскости витка к нам ( рис.1 б)

За направление обхода контура выберем направление по часовой стрелке. По правилу буравчика вектор площади контура  будет направлен от нас перпендикулярно площади контура.

Магнитный поток  пронизывающий контур в начальном положении витка, равен нулю (=0):

=0

Магнитный поток в конечном положении витка

Изменение магнитного потока в единицу времени

Значит, ЭДС индукции, согласно формуле (1), будет положительной:

 

E_i =

Это значит, что индукционный ток в контуре будет направлен по часовой стрелке. Соответственно, согласно правилу буравчика для контурных токов, собственная индукция на оси такого витка будет направлена против индукции внешнего магнитного поля.

Согласно правилу Ленца, индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность ограниченную контуром препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Индукционный ток наблюдается и при усилении внешнего магнитного поля в плоскости витка без его перемещения. Например, при в двигании полосового магнита в виток возрастает внешнее магнитное поле и магнитный поток, его пронизывающий.

 

Направление обхода контура				Ф1	Ф2		ξi (знак)	Ii (напр.)	IА
				-B1S0	-B2 S0	-(B2 –B1)S0<0	+		+15мА

 

Порядок выполнения работы

1. Катушку – маток 2 (см. рис. 3) подключите к зажимам миллиамперметра.

2. Северный полюс дугообразного магнита внесите в катушку вдоль ее оси. В последующих опытах полюса магнита перемещайте с одной и той же стороны катушки, положение которой не изменяется.

         Проверьте соответствие результатов опыта с таблицей 1.

         3. Удалите из катушки северный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице .

 

Направление обхода контура				Ф1	Ф2		ξi (знак)	Ii (напр.)	IА
				-B1S0	-B2 S0	-(B2 –B1)S0<0	+		+2мА

 

4. Внесите в катушку южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице

 

Направление обхода контура				Ф1	Ф2		ξi (знак)	Ii (напр.)	IА
				B1S0	-B2 S0	-(B2 –B1)S0<0	+		+2мА

 

        

5. Удалите из катушки южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице .

 

Направление обхода контура				Ф1	Ф2		ξi (знак)	Ii (напр.)	IА
				B1 S0	B2 S0	(B2 – B1)S0 >0	-		-2мА

 

Вывод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 3

Измерение показателя преломления стекла

 

Цель работы: измерить показатель преломления стекла с помощью плоскопараллельной пластинки.

Оборудование, средства измерения: 1) плоскопараллельная пластинка со скошенными гранями, 2) линейка измерительная, 3) угольник ученический.

Теоретическое обоснование

Метод измерения показателя преломления с помощью плоскопараллельной пластинки основан на том, что луч, прошедший плоскопараллельную пластинку, выходит из нее параллельно направлению падения.

Согласно закону преломления показатель преломления среды

             (1)

 

Для вычисления  и  на листе бумаги проводят две параллельные прямые AB и CD на расстоянии 5-10 мм друг от друга и кладут на них стеклянную пластинку так, чтобы ее параллельные грани были перпендикулярны этим линиям. При таком расположении пластинки параллельные прямые не смещаются (рис.1, а).

Располагают глаз на уровне стола и, следя за прямыми AB и CD сквозь стекло, поворачивают пластинку вокруг вертикальной оси против часовой стрелки (рис. 1, б). Поворот осуществляют до тех пор, пока луч QC не будет казаться продолжением BM и MQ.

Для обработки результатов измерений обводят карандашом контуры пластинки и снимают ее с бумаги. Через точку M проводят перпендикуляр O₁ O₂ к параллельным граням пластинки и прямую MF.

 

 

Затем на прямых ВМ и МF  откладывают равные отрезки МЕ₁=МL₁  и опускают с помощью угольника из точек Е₁  и L₁  перпендикуляры L₁L₂   и Е₁ Е₂  на прямую О₁ О₂. Из прямоугольных треугольников L₁L₂М и Е₁ Е₂ М находим sin, а sin .

Следовательно, 

                            n=,  (2)

т.е. измерение коэффициента преломления света сводится к измерению линейкой длин отрезков L₁L₂   и Е₁ Е_2.      

Отметим, что можно с помощью циркуля построить окружность с центром в точке М и радиусом МЕ, а затем построить треугольники  L₁L₂М и Е₁ Е₂ М.

Порядок выполнения работы.

1.                   Положите плоскопараллельную пластинку на параллельные прямые АВ и СD

а) сначала ориентируйте параллельные грани пластинки перпендикулярно АВ и СD. Убедитесь, что параллельные линии при этом не смещаются.

б)расположите глаз на уровне стола и, следя за линиями АВ и СD сквозь стекло, поворачивайте пластинку вокруг вертикальной оси против часовой стрелки до  тех пор, пока луч QC не будет казаться продолжением ВМ и МQ.

2. Обведите карандашом контуры пластинки, после чего снимите ее с бумаги.

3. Через точку М ( см. рис. 1,б) проведите с помощью угольника перпендикуляр О₁ О₂   к параллельным граням пластинки и прямую МF ( продолжение МQ).

4. С центром в точке М проведите окружность произвольного радиуса, отметьте на прямых  ВМ и МF  точки L₁   и Е₁ (МЕ₁=МL₁  )

5. Опустите с помощью угольника перпендикуляры из точек L₁   и Е₁ на прямую О₁ О_{2  .}

6. Измерьте линейкой длину отрезков L₁L₂   и Е₁ Е_2.      

7. Рассчитайте показатель преломления стекла по формуле 2.

Вывод.