Лабораторные работы по физике

БОУ СПО Чебоксарский экономико-технологический колледж
Лабораторные работы по физике
Часть 2
(пособие для студентов ЧЭТК)
Чебоксары – 2012
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее методическое пособие составлено для студентов I курса средних
специальных учебных заведений из расчета 38 часов лабораторного практикума. Каждая
лабораторная работа рассчитана на 2 часа. Тематика лабораторных работ соответствует
программе по физике для I курса с объемом 170 – 200 часов.
Цель настоящего пособия – оказать помощь учащимся в подготовке и выполнении
лабораторных работ, а также облегчить работу преподавателя по организации и
проведению лабораторных занятий.
Физический эксперимент имеет важное значение в обучении физике. Навыки,
полученные учащимися при выполнении лабораторных работ, необходимы им в
дальнейшем для изучения таких дисциплин, как электротехника, техническая механика и
др.
Для более эффективного выполнения лабораторных работ необходимо повторить
соответствующий теоретический материал, а на занятиях, прежде всего, внимательно
ознакомиться с содержанием работы и оборудованием.
В ходе работы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности; все
измерения проводить с особой тщательностью, для вычислений использовать
калькулятор, самостоятельно собирать установки и простые электрические цепи.
Отчеты по лабораторным работам необходимо составлять по следующей схеме:
Номер и название работы;
Цель;
Оборудование – приборы и материалы;
Краткая теория работы;
Ход выполнения работы (краткое содержание, рисунки или электрические
схемы, численные расчеты, таблица измеренных и вычисленных величин);
6. Расчет абсолютных и относительных погрешностей;
7. Выводы;
8. Ответы на контрольные вопросы;
1.
2.
3.
4.
5.
В конце занятия преподаватель ставит зачет, который складывается из результатов
наблюдения за выполнением практической части работы, проверки отчета, ответов на
контрольные вопросы.
Все лабораторные работы должны быть выполнены и защищены в сроки,
определяемые программой или календарным планом преподавателя. Учащиеся, не
получившие зачет, к аттестации по физике не допускаются.
Выписка из инструкции №59 по охране туда при
проведении лабораторных работ по физике
1. Требования правил безопасности перед началом работы
1.1 Внимательно изучить содержание и порядок проведения лабораторной
работы, а также безопасные приемы ее выполнения.
1.2 Подготовить к работе рабочее место, убрать посторонние предметы.
Приборы и оборудование разместить таким образом, чтобы исключить их
падение и опрокидывание.
1.3 Проверить исправность оборудования, приборов, целостность лабораторной
посуды и приборов из стекла.
2. Требования правил безопасности при проведении лабораторной работы
2.1 При выполнении лабораторной работы точно выполнять все указания
преподавателя, без его указания не выполнять самостоятельно никаких работ.
2.2 Соблюдать осторожность при обращении с приборами из стекла и
лабораторной посуды, не бросать, не ронять и не ударять их.
2.3 При сборке электрической схемы использовать провода с наконечниками, без
видимых повреждений изоляции, избегать пересечения проводов, источник
тока включать в последнюю очередь.
2.4 Собранную электрическую схему включать под напряжение только после
проверки ее преподавателем.
2.5 Не прикасаться к находящимся под напряжением элементам электрической
цепи, к зажимам конденсатора, не производить переключений в цепях до
отключения источника тока.
2.6 Наличие напряжения в цепи проверять только приборами.
2.7 Не допускать предельных нагрузок измерительных приборов.
2.8 Не оставлять без надзора не выключенные электрические приборы и
устройства.
2.9 При работе с щелочными аккумуляторами ни в коем случае нельзя их
наклонять, пробовать их на искру, прикасаться к зажимам языком, ставить на
них посторонние предметы.
2.10 Не допускать прямого попадания в глаза светового луча от лазера,
электрической дуги, проекционных аппаратов.
3. Требования правил безопасности по окончании лабораторной работы
3.1 По окончании работы отключить электрические приборы от источника
питания.
3.2 Привести в порядок рабочее место, сдать преподавателю приборы,
оборудование, материалы.
Лабораторная работа №10.
Определение электрохимического эквивалента меди.
Цель работы: методом электролиза определить электрохимический эквивалент меди
в растворе медного купороса и выяснить от чего он зависит.
Оборудование: весы с разновесами, амперметр, часы, электроплитка, аккумулятор,
реостат, ключ, медные пластины (2 шт.), соединительные провода, электролитическая
ванна с раствором медного купороса.
Теория:
Электролитическая диссоциация – процесс распада молекул солей, кислот и
щелочей на ионы при растворении водой. Получившийся при этом раствор с
положительными и отрицательными ионами называется электролитом.
Если в сосуд с электролитом поместить электроды, то, при подключении их к
источнику питания, по раствору пойдет ток. При этом положительные ионы будут
двигаться к катоду, а отрицательные к аноду. У электродов происходит окислительно –
восстановительные реакции, при которых на электродах выделяются вещества в чистом
виде, входящие в состав электролита.
Для электролиза справедлив закон Фарадея: масса выделившегося на электроде
вещества прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:
m=k∙I∙t,
где k – электрохимический эквивалент вещества.
Для каждого вещества значение k есть постоянная величина.
Из этого закона, измерив силу тока в цепи и время, можно найти k:
k = m/I∙t.
Ход выполнения работы:
1. Тщательно очистить поверхность медной пластины наждачной бумагой и
взвесить эту пластину на весах, предварительно их уравновесив.
2. Собрать цепь по схеме:
3. Заметить время, замкнуть цепь. Быстро установить реостатом силу тока 0,8 –
1,2 А. Пользуясь реостатом, поддерживать силу тока постоянной на протяжении
всего опыта.
4. Через 5 – 10 мин цепь разомкнуть, катод вынуть, осторожно ополоснуть водой,
высушить и повторно взвесить.
5. По результатам опыта определить электрохимический эквивалент меди.
6. Сравнить полученное значение с табличным и определить абсолютную и
относительную погрешности.
7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
8. Сделать вывод.
m1, г
m2, г
m, кг
I, А
t, с
k,
кг/Кл
kтабл.,
кг/Кл
k,
кг/Кл
k,
%
Контрольные вопросы
1. Почему молекулы кислоты, соли и щелочи в воде распадаются на ионы?
2. Почему при нагреве сопротивление электролита уменьшается?
3. При каких условиях концентрация электролита в процессе электролиза остается
постоянной? Меняется?
4. Как к угольному электроду припаять провод?
Лабораторная работа № 11.
Изучение электрических свойств полупроводников.
Цель работы: Изучить выпрямительные свойства полупроводникового диода,
построить ВАХ диода, убедиться в односторонней проводимости транзистора.
Оборудование: источник питания (1 банка аккумулятора), миллиамперметр, диоды,
транзисторы, потенциометр, соединительные провода, ключ, вольтметр.
Теория:
Полупроводники это кристаллы, сопротивление которых с ростом температуры
уменьшается, так как образуются электронно-дырочные пары. Такая проводимость
называется собственной. Внедряя в полупроводники примеси, валентность которых
отличается от валентности полупроводника, можно создать в нем
электронную (n-типа) или дырочную (p-типа) проводимость.
Если в монокристалл полупроводника (например – германия),
обладающего проводимостью n-типа, впаять каплю индия, то в области,
примыкающей к месту контакта, образуется p-n переход, который
хорошо проводит ток в одном направлении (прямой от p к n) и
практически не проводит в другом направлении (обратном). Это
свойство используется в полупроводниковой технике для выпрямления
переменного тока и управления процессами, происходящими в цепях переменного тока.
Ход выполнения работы:
1. Собрать цепь по схеме
2. Диод включить в прямом (пропускном ) направлении: p к «+» источника
питания. Замкнуть цепь и отметить показания миллиамперметра. Цепь
разомкнуть.
3. Диод включить в обратном направлении, цепь замкнуть и убедиться в отсутствии
тока в цепи. Цепь разомкнуть.
4. Проделать то же самое со вторым диодом.
5. По результатам наблюдений сделать соответствующие выводы.
6. Составить цепь по схеме:
7. Замкнуть цепь. Подобрать положение ползунка потенциометра так, чтобы
вольтметр показал самое малое напряжение. Снять показания измерительных
приборов.
8. Перемещая ползунок потенциометра, снять 5 – 7 показаний миллиамперметра и
вольтметра.
9. Результаты измерений занести в таблицу.
10. Построить график зависимости силы тока от напряжения.
11. Сделать вывод
№ опыта
1
2
3
4
5
6
7
Сила тока I, mА
12. Проверить одностороннюю проводимость транзисторов.
13. Сделать вывод.
Контрольные вопросы
1. В чем различие проводимости проводников
и полупроводников?
2. Почему сопротивление полупроводников
при нагреве уменьшается?
3. На рисунке представлена вольтамперная
характеристика диода. Определить чему
равно внутреннее сопротивление диода в
пропускном направлении при U=0,2 В? В
запирающем направлении U= - 400 В?
Напряжение U, В
Лабораторная работа № 12
Определение индуктивности катушки и емкости конденсатора.
Цель работы: методом переменного тока определить индуктивность катушки и
емкость конденсатора; выяснить, как индуктивное сопротивление зависит от
индуктивности катушки; как емкостное сопротивление зависит от емкости конденсатора.
Оборудование: катушка со съемным сердечником, амперметр, вольтметр,
соединительные провода, лампа накаливания, батарея конденсаторов, источник
переменного напряжения 220 В.
Теория:
В цепи переменного тока катушка обладает реактивным сопротивлением. Причина
заключается в явлении самоиндукции: при изменении силы тока в катушке,
изменяющийся магнитный поток порождает в ней индукционный ток
противодействующего характера.
По закону Ома:
XL=U/I
(I)
Зная частоту переменного тока γ=50 Гц, используя формулу:
XL=L∙ω ,
можно определить индуктивность катушки:
L=XL/ ω
где ω=2∙π∙γ
(II)
В цепи переменного тока конденсатор обладает реактивным сопротивлением, так
как, постоянно перезаряжаясь, отдает энергию обратно генератору. Изменение емкости
конденсатора влияет на силу тока в цепи. Значит емкостное сопротивление зависит от
емкости конденсатора.
По закону Ома:
XC=U/I
(III)
Зная частоту переменного тока γ=50 Гц, используя формулу:
XC=1/C∙ω ,
можно определить емкость конденсатора:
где ω=2∙π∙γ
C=1/XC∙ω
Ход выполнения работы:
I. Исследование цепи переменного тока с катушкой:
1. Собрать цепь по схеме:
2. Включить цепь и, выдвигая сердечник из катушки. Снять показания амперметра
и вольтметра 8-10 раз.
3. Рассчитать по формулам (I) и (II) индуктивное сопротивление XL и
индуктивность катушки L.
4. Данные занести в таблицу.
№
I
деления
U,
В
А
XL,,
Ом
L,
Гн
1
…
10
5. Построить график XL=f(L)
6. Сделать вывод.
II. Исследование цепи переменного тока с конденсатором.
1. Собрать цепь по схеме.
2. Включить цепь и, вдвигая стержень в батарею конденсаторов, снять показания
амперметра и вольтметра 8-10 раз.
3. По формулам (III) и (IV) рассчитать емкостное сопротивление XC и емкость
конденсаторов C.
4. Данные занести в таблицу.
№
I
деления
А
U,
В
XC,
Ом
C
Ф
мкФ
1
…
10
5. Построить график XC =f(C).
6. Сделать вывод.
Контрольные вопросы
1. Чем реактивное сопротивление отличается от активного?
2. В цепи переменного тока амперметр и вольтметр показали соответственно 2,8 А
и 220 В. Каковы амплитудные значения этих величин?
3. Переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц подано на последовательно
соединенные элементы: R=5 Ом, L=0,135 Гн и С=75 мкФ. Определите полное
сопротивление, силу тока и напряжение на участках цепи.
Лабораторная работа № 13
Изучение работы и устройства трансформаторов.
Цель работы: изучить схему производства, передачи и распределения
электроэнергии; определить КПД трансформатора; изучить типы трансформаторов.
Оборудование: трансформаторы, амперметр, вольтметр, ваттметр, лампа
накаливания, соединительные провода, источник переменного напряжения 220 В.
Теория:
Трансформаторы широко используют в радиотехнике, электротехнике и
электронике для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный
ток той же частоты, но другого напряжения.
Внешний вид и схема одного из них (простейшего) показана на рисунке.
Основные элементы любого трансформатора:
сердечник (магнитопровод), две или более обмоток с
разным числом витков: с небольшим количеством
витков n1 толстой проволоки и с большим количеством
витков n2 проволоки.
Принцип действия трансформатора основан на
явлении электромагнитной индукции: переменный ток
первичной обмотки, соединенной с источником
электроэнергии, создает в магнитопроводе переменный
магнитный поток, который во вторичной обмотке
переменную ЭДС. ЭДС индукции в первичной обмотке
E1=n1∙e, во вторичной E2=n2∙e, поэтому E1/E2=n1/n2=k. При k>1 трансформатор
понижает напряжение, при k<1 – повышает.
Если вторичная обмотка разомкнута, то такой режим называют холостым ходом
трансформатора.
В рабочем режиме вторичную обмотку соединяют на нагрузку (потребителя).
При этом, согласно закону сохранения энергии мощность первичной обмотки P1
примерно равна мощности вторичной обмотки P2 (если не учитывать потери энергии),
то есть:
I1∙U1=I2∙U2
Поэтому:
U1/U2=I2/I1
С учетом энергетических потерь, в реальности P2<P1. Коэффициентом полезного
действия трансформатора называют величину:
η=(P2/P1)*100%
Основные типы трансформаторов: многообмоточный, автотрансформатор,
измерительные трансформаторы тока и напряжения, трансформатор электросварки.
Ход выполнения работы:
1. Изучить схему производства, передачи и распределения электроэнергии,
нарисовать ее в отчете и сделать вывод о применении трансформаторов в линиях
передачи электроэнергии на дальние расстояния.
2. Собрать цепь по схеме:
3. Меняя напряжение на вторичной обмотке, снять показания амперметра,
вольтметра и ваттметра 5-7 раз.
4. Рассчитать по формулам мощность первичной обмотки P1 и КПД
автотрансформатора η.
5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
№
1.
…
I1, А
U1,В
P1,Вт
U2, В
P2, Вт
η, %
7.
6. По результатам измерений и вычислений сделать вывод.
7. Изучите и опишите в отчете устройство, принципиальные схемы и принцип
работы следующих трансформаторов:
 Многообмоточный трансформатор;
 Автотрансформатор;
 Трансформатор электросварки;
 Измерительные трансформаторы тока и напряжения;
Контрольные вопросы:
1. Генератор мощностью 110 кВт вырабатывает переменный ток напряжением
220 В. Рассчитайте, какого диаметра медный провод необходим, чтобы этот
ток доставить потребителю по двухпроводной линии с потерями не более
10%. Расстояние от генератора до потребителя 20 км.
2. С какой целью магнитопровод набирается из тонких изолированных листов
электротехнической стали?
3. Почему обмотку высокого напряжения делают из тонкой, а низкого – из
толстой проволоки?
4. Кто и когда изобрел трансформатор?
Лабораторная работа №14
Изучение механических колебаний с помощью математического
маятника.
Цель работы:
I. Определить, как период колебаний маятника зависит от длины нити.
II. Определить ускорение свободного падения с помощью математического маятника.
Оборудование:
Математический маятник, линейка, секундомер.
Теория:
Математический маятник – это прибор для изучения механических колебаний. Он
представляет собой достаточно тяжелое тело, подвешенное на длинной, нерастяжимой
нити. При выведении маятника из положения равновесия, он совершает гармонические
колебания. При этом координата изменяется по закону:
x  xm  cos   t , где   2

2
T
 - циклическая частота
xm - амплитуда колебаний
Период колебаний Т – это время совершения одного полного колебания. Если N
колебаний совершено за t секунд, то
t
T
N
При изучении динамики колебаний была получена формула:
T  2
l
g
Эта формула позволяет определить ускорение свободного падения в любом месте
Земли с помощью математического маятника.
4 2l
T2
Порядок выполнения работы:
Измерить длину нити маятника l ;
Отклонить маятник от положения равновесия и, отпустив, одновременно включить
секундомер;
Отключить секундомер в момент, когда маятник совершит 40 колебаний;
t ср
Найти период колебаний T 
;
N
Повторить пункты 1-4, меняя длину нити и число колебаний (колебаний должно
быть не меньше 20) 5 раз;
4 2l
По формуле g  2 находим g ;
T
g
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7. Данные занести в таблицу
8.
№
l, м
tср, с
1
2
3
4
5
N
T, c
T2, c2
g, м/с2
9. Построить график Т2=f (l) и сделать вывод.
10. Оценить абсолютную погрешность
g  g 2  g3  g 4  g5
g ср  1
5
g  g èñò  g ñð
где g ист  9,81Н / кг
11. Оценить относительную погрешность
g 
g
100%
g
12. Сделать вывод.
13. Найти величины и написать все уравнения, характеризующие один из маятников
(таблица);
l
T 


Если амплитуда колебаний xm  10ñì , координата меняется по закону
x  xm  cos   t
x
  x 
m 
14. Используя закон сохранения энергии, найти  m для данного xm и сравнить с
результатом предыдущего пункта.
m m2
 m  2 ghm
mghm 
2
Лабораторная работа № 15
Сборка и настройка простейшего детекторного приемника.
Цель работы: с помощью набора деталей собрать детекторный радиоприемник и
проверить его работу через усилитель низкой частоты.
Оборудование: колебательный контур, диод, конденсаторы емкостью 270 пФ,
0,05 мкФ и 0,025 мкФ, антенна, усилитель низкой частоты, блок питания,
громкоговоритель.
Теория:
Радиосвязь – это беспроводная передача информации (речи, музыки) на дальние
расстояния с помощью электромагнитных волн. Электромагнитные волны с длиной
волны от 1 мм до10 км называются радиоволнами.
В радиопередатчике осуществляется амплитудная модуляция – это изменение
высокочастотного тока, созданного автогенератором на триоде или транзисторе,
наложением на него тока низкой частоты, полученного в цепи микрофона и
преобразованного трансформатором.
Простейший радиоприемник состоит из колебательного контура, связанного с
антенной индуктивно или с помощью конденсатора, диода (детектора), конденсатора
(фильтра) и телефона. Радиоволны от передающих станций наводят в цепи антенны
индукционные токи. С помощью катушки, индуктивно связывающей антенну с
колебательным контуром, такие же токи создаются в колебательном контуре.
Усиливаются (выделяются) лишь те из них, частота которых совпадает с собственной
частотой колебательного контура (электрический резонанс):
γ=
для приема разных радиостанций в колебательном контуре используют
конденсатор переменной емкости, вращая ручку которого можно настраивать
колебательный контур на частоту нужной радиостанции.
Высокочастотные колебания не воспринимаются нашим ухом, поэтому в
приемнике из них необходимо выделить колебания низкой (звуковой) частоты. Это
осуществляется с помощью диода, обладающего односторонней проводимостью, и
конденсатора, сглаживающего пульсации. Конденсатор включают в цепь параллельно
телефон. График детектирования представлен на рисунке.
Ход выполнения работы:
1. Пользуясь принципиальной схемой, собрать детекторный радиоприемник и
показать преподавателю.
2. Подключить радиоприемник через блок питания и усилитель низкой частоты
к громкоговорителю (динамику), подключить антенну.
C1= 0,025 мкФ, С2= 50 - 550 пФ, С3= 270 пФ.
3. Нарисовать схему в отчете.
4. Плавно вращая ручку конденсатора переменной емкости, настроить
приемник на частоту принимаемой радиостанции и послушать ее передачу.
5. Продемонстрировать работу приемника преподавателю.
6. Отключить источник питания.
7. Разобрать приемник.
8. Написать вывод по работе.
Контрольные вопросы:
1. Какие два основных положения использовал Д. К. Максвелл для обоснования
теории об электромагнитных полях?
2. Дайте определение электромагнитной волны. С какой скоростью они
распространяются в вакууме, в веществе?
3. Как связаны скорость, длина волны и частота?
4. Кто и когда впервые создал и обнаружил электромагнитные волны?
5. В каком диапазоне длин волн (частот) может работать радиоприемник, если
емкость конденсатора в его колебательном контуре плавно изменяется от 50
до 500 пФ, а индуктивность катушки постоянна и равна 2 мкГн?
Лабораторная работа №16
Измерение показателя преломления стекла.
Цель работы: геометрическим методом определить показатель преломления
стекла и выяснить, зависит ли он от угла падения света на границу раздела двух
прозрачных сред.
Оборудование: стеклянная пластинка с плоскопараллельными гранями, линейка,
карандаш, лазерная указка.
Теория.
На границе раздела двух прозрачных разнородных сред свет меняет направление
своего распространения. Это явление называется преломлением света. Причина
преломления света: скорость света зависит от оптической плотности среды, чем она
больше, тем скорость меньше.
Закон преломления света гласит:
1. Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к точке падения луча
лежат в одной плоскости;
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления является
величиной постоянной для двух разных сред, называемой относительным
показателем преломления:
n=
=
Если первая среда воздух, то v1 = с = 300000 км/с. Тогда, зная показатель
преломления более плотной среды, можно определить скорость света в ней.
Ход выполнения работы.
1. В тетради нарисовать горизонтальную линию (границу раздела воздуха и
стекла).
2. Нарисовать прямую до пересечения с этой границей под углом к ней ( ход
падающего луча света).
3. Положить на лист плашмя стеклянную пластинку так, чтобы ее верхняя
грань совпадала с горизонталью, нарисованной на листе.
4. Глядя через нижнюю грань пластинки, нарисовать точку выхода
нарисованного луча вдоль кажущейся прямой.
5. Проверить правильность построения преломленного луча с помощью
лазерной указки.
6. Убрать пластинку, построить преломленный луч.
7. Провести перпендикуляр к точке падения луча.
8. На падающем и преломленном лучах построить отрезки равной длины и
достроить на них прямоугольные треугольники.
9. Измерить миллиметровой линейкой длины катетов a и b.
10. Так как sin α = a/c , а sin β = b/c, то n = a/b. Найти n. Вычислить скорость
света в стекле по формуле v = c/n.
11. Проделать пункты 1 – 10 для разных углов падения.
12. Рассчитать абсолютные и относительные погрешности n и vв ст:
nср =
vср =
Δn =
Δ
=
Δ
Δ
Δv =
=
=
δn =
Δ
=
Δ =
Δ
=
δv =
13. Данные и вычисленные величины занести в таблицу:
№
a,
b,
n
nср
Δn
δn
vв ст,
мм
мм
км/с
1.
2.
3.
vср,
км/с
Δv,
км/с
Δv,
км/с
14. Сделать вывод.
Контрольные вопросы.
1. Почему на границе двух прозрачных неоднородных сред свет испытывает
преломление?
2. В каких случаях свет на границе двух прозрачных сред не преломляется?
3. Покажите ход луча, падающего на боковую грань стеклянной призмы под
углом.
4. Как изменяется длина волны и частота света при переходе из воды в воздух?
5. Что называют абсолютным и относительным показателем преломления
вещества?
Лабораторная работа № 17
Определение длины световой волны с помощью дифракционной
решетки.
Цель работы:
I. Используя дифракционную решетку, определить длины волн границ видимой
части спектра – красного и фиолетового света.
II. Определить длину волны излучения лазера.
III. Определить период решетки DVD – диска.
IV. Определить период и число штрихов самодельной решетки.
Оборудование: лазерная указка, экран, дифракционная решетка, прибор для
определения длины световой волны, линейка, DVD- диск, самодельная решетка.
Теория.
Волны способны огибать края препятствий и заходить в область геометрической
тени. Характер огибания зависит от размера препятствия. При размерах препятствия d,
меньших длины волны λ, за преградой тени не образуется, волна огибает его полностью.
Дифракцией называется огибание волнами краев препятствий, соизмеримых с
длиной световой волны λ.
Если свет представляет собой волновой процесс, то и для него при
определенных условиях должна наблюдаться дифракция. Существуют различные способы
наблюдения дифракции света:
1. Дифракция на круглом отверстии;
2. Дифракция на нити;
3. Дифракция на щели;
Недостатком всех этих способов является очень слабая по яркости
дифракционная картина.
Картина получается намного ярче,
если использовать простой оптический прибор
–
дифракционную решетку. Она представляет собой совокупность большого числа
регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на прозрачную или
зеркальную поверхность для работы в различных областях спектра применяют решетки, у
которых число штрихов на 1 мм составляет от 0,25 (в инфракрасном диапазоне) до 6000
( в рентгеновском диапазоне длин волн). Если известно число штрихов, то величина:
d=
=
это расстояние, через которое повторяются штрихи. Она называется периодом решетки.
Элементарная теория решетки состоит в следующем. Фронт световой волны,
падающий на дифракционную решетку, разбивается ее штрихами на отдельные
когерентные пучки. Эти пучки претерпевают дифракцию на штрихах и, огибая их,
интерферируют друг с другом.
Условие интерференционных максимумов:
Δr = k∙λ ,
(I)
где Δr – разность хода, k – порядок максимума, λ – длина волны.
Из рисунка видно:
Δr = d∙sinφ
(II)
Значит
k∙λ = d∙sinφ,
(III)
где d – период решетки, φ – угол,
под которым наблюдается максимум света.
Так как φ – мал, то sinφ = tgφ, а tgφ =
k∙λ = d∙
Из (IV) следует
, поэтому
(IV)
λ=∙
В данной работе эту формулу используют для вычисления длины световой
волны.
Анализ формулы (I) показывает, что положение световых максимумов зависит
от длины волны λ монохроматического света: чем больше длина волны, тем дальше
максимум от нулевого.
Белый свет имеет сложную структуру, поэтому нулевой максимум для него –
белая полоса, а максимумы высших порядков – набор семи цветных полос, совокупность
которых называют спектром соответственно I, II, … порядка.
Получить дифракционный спектр можно, используя прибор для определения
длины световой волны.
Порядок выполнения работы.
I. Определение длин волн границ видимой части спектра.
Порядок спектра n
Расстояние от
решетки до экрана
b, мм
Период решетки d,
мм
№ опыта
1. Собрать установку, изображенную на рисунке.
2. Установить на демонстрационном столе лампу и включить ее.
3. Направить прибор на лампу так, чтобы она была видна сквозь узкую щель
экрана.
4. Глядя сквозь дифракционную решетку, зафиксировать по обе стороны экрана
спектры I и II порядка.
5. Измерить по шкале бруска расстояние b от дифракционной решетки до
экрана.
6. Определить расстояние от щели до границы фиолетового и красного как
слева aл, так и справа ап для спектров I порядка и вычислить среднее
значение.
7. Опыт повторить, поменяв период решетки.
8. Результаты измерений занести в таблицу.
Границы
Границы
Длина
спектра
спектра
световой
фиолетового
красного
волны
света
света
ал,
ап, аср ал ап, аср,
Фиол Красн
мм
м ,
м
мм
λф,
λкр,
м
м мм м м
мм
мм
1.
2.
9. Длину световой волны определите по формуле (IV) .
10. Расчитать абсолютную и отностиельную погрешность, приняв
λист ф= 3,8∙10-7 м, λист кр= 7,6∙10-7м
λф ср=
λк ср=
Δλф=
Δλкр=
Δλф=
∙100%
Δλкр=
∙100%
11. Сделать вывод.
II. Определение длины волны излучения лазерной указки.
1. Собрать схему по определению длины волны , поместив лазер до
дифракционной решетки.
2. Измерить расстояния а и b для решетки с периодом d =
мм и вычислить λ1
по формуле (IV).
3. Проделать пункт 2 для решетки с периодом d =
мм и вычислить λ2.
4. Найти среднее значение длины волны излучения лазерной указки.
λср=(λ1+λ2)/2
III.
1.
Определение периода дорожек DVD-диска.
Собрать установку по схеме:
ЛУ – лазерная указка, Э – экран со шкалой, DVD – сегмент DVD-диска,
2. Измерьте расстояния а и c.
3. Вычислите период дорожек по формуле:
d=
,
так как sin φ =
4. Сделайте вывод.
Контрольные вопросы
1. Как и почему изменяется вид спектра, если использовать разные
дифракционные решетки?
2. Решетки имеют 50 и 100 штрихов на 1 мм. Какая из них даст на экране более
широкий спектр и почему,
3. Почему картина распределения максимумов на экране при освещении
дифракционной решетки лазерной указкой монохроматическая, а белым
светом – цветная?
4. Как бы изменилась дифракционная картина, если при прочих равных
условиях заменить источник красного света на фиолетовый? Почему?
5. Определите длину волны для линии в дифракционном спектре второго
порядка, совпадающей с изображением линии спектра третьего порядка, у
которого длина волны 400 нм.
Это интересно…
Хорошие дифракционные решетки очень высокой точности изготовления. Если
хотя бы одна щель из 150000 окажется смещенной от заданного положения более чем на
10-5 мм, то решетка бракуется.
Машина для изготовления решетки устанавливается на глубоко врытом в землю
массивном фундаменте. Перед тем, как вступает в действие алмазный резец, машина от 5
часов до 20 часов работает на холостом ходу (для стабилизации работы всех ее узлов).
Само же нарезание всего лишь одной решетки длится до семи суток, хотя время
нанесения одного штриха - 3 секунды.
Лабораторная работа № 18.
Изучение непрерывного и линейчатого спектров испускания.
Цель работы:
I. С помощью оптической скамьи получить дисперсионный и дифракционный
спектры белого света и сравнить их.
II. Используя разные светофильтры ,наблюдать за изменением спектров.
III. Провести опыт по поляризации света.
IV. С помощью призмы прямого зрения провести наблюдения спектров
испускания паров ртути, натрия.
V. С помощью спектроскопа провести наблюдение и изучение спектров газов
водорода, гелия, криптона, неона.
Оборудование:
Универсальная оптическая скамья, призма, дифракционная решетка,
светофильтры, спектроскоп двухтрубный, призма прямого зрения, высоковольтный
генератор с блоком питания, спиртовка, поваренная соль, лампа дневного света,
газоразрядные трубки.
Теория.
Спектром называют разложение излучения данного источника по цветам. При
этом каждому цвету соответствует своя длина волны (частота) света. Спектр можно
получить с помощью стеклянной призмы,
дифракционной решетки и спектроскопа.
Причина разложения света в спектр состоит в
следующем: скорость света в вакууме для волн
различных частот одинакова, а в веществе –
различна (зависит от длины волны). Показатель
преломления вещества зависит от скорости распространения световых волн (n=c/v),
поэтому лучи разных длин волн преломляются по разному: меньше всего – кранный,
больше всего – фиолетовый.
Различают три вида спектров испускания:
1. Сплошной или непрерывный спектр – имеет вид непрерывно переходящих
друг в друга цветов, чередующихся от фиолетового до красного (или в
обратной последовательности, в зависимости от расположения призмы). Его
дают все нагретые до высокой температуры твердые тела, Солнце,
расплавленные металлы.
2. Линейчатый спектр – имеет вид отдельных узких спектральных линий
различного цвета и интенсивности, разделенных темными промежутками.
Его дают газы в атомарном (разреженном) состоянии или пары металлов.
Атомы каждого химического элемента имеют свой неповторимый
линейчатый спектр, характерный только для этого элемента.
3. Полосатый спектр – имеет вид цветных полос, разделенных темными
промежутками. Его дают газы в молекулярном состоянии.
Наблюдать спектр можно с помощью призмы прямого зрения, состоящей из трех
склеенных стеклянных призм, находящихся в светонепроницаемом футляре. А также с
помощью спектроскопа. Он состоит из: 1 – коллиматор
(труба со щелью и объективом), 2 – призма, 3 –
анализатор (зрительная труба с объективом и окуляром).
Для определения какой либо длины волны
наблюдаемых линий спектра спектроскоп
предварительно градуируют. Для этого наблюдают
известный спектр какого либо светящегося газа, где
много спектральных линий. Длину волны,
соответствующую какой-нибудь спектральной линии,
берут из справочника. Затем нить зрительной трубы
совмещают с каждой линией спектра и снимают показания отсчетного микрометрического
приспособления. После этого строят градуировочную кривую, на которой
зафиксированным длинам волн соответствуют определенные показания микрометра.
Схема устройства спектроскопа:
S – щель, L1 – объектив коллиматора, P –
призма, L2 – объектив анализатора, MN –
фотопластинка или окуляр
Порядок выполнения работы.
I. Опыт по сравнению дисперсионного и дифракционного спектров.
1. Собрать установку по схеме.
Ф – фонарь, К – конденсор, Щ – щель, Об – объектив, Пр – призма,
К…Ф - спектр.
2. Зарисовать дисперсионный спектр испускания лампы накаливания
проекционного фонаря.
3. Заменить призму дифракционной решеткой, получить на экране
четкий спектр.
4. Зарисовать дифракционный спектр.
5. Сделать вывод.
II. Назначение светофильтров.
1. Поместить на пути излучения различные светофильтры.
2. Сделать вывод.
III. Опыт по поляризации света.
1. Собрать установку по схеме.
Ф – фонарь, К – конденсор, О – отверстие, П – поляризатор, А – анализатор, Об
– объектив, Э – экран, Из – изображение отверстия.
2. Вращая поляризатор или анализатор, наблюдать за исчезновением
света.
3. Сделать вывод.
IV. Наблюдение и изучение спектровиспускания паров ртути и
натрия.
1. Включить лампу дневного света.
2. Призму прямого зрения направить на лампу и рассмотреть сплошной
спектр ее люминофора. Обнаружить на фоне сплошного спектра
несколько ярких линий паров ртути (фиолетовую, зеленую, желтую).
3. Зарисовать спектр.
4. Зажечь спиртовку. Направить призму прямого зрения на пламя
спиртовки и получить спектр пламени.
5. В пламя спиртовки внести поваренную соль, рассмотреть спектр
паров натрия.
6. Спиртовку погасить; наблюдаемый спектр зарисовать.
7. Сделать вывод.
V. Наблюдение линейчатых спектров.
Подготовительный этап.
Градуировочная кривая для спектроскопа показана на рисунке, где по оси
ординат отложены длины световых волн в миллимикронах (масштаб: в 1
мм – 2 ммк; за начало координат принимают λ = 400 ммк). По оси
абсцисс отложены показания микрометра ( масштаб: в 1 мм – 0,02 мм (по
микрометру); за начало координат принимают 1 мм).
По графику для линий спектра определите длины волн и цветность гелия,
водорода, паров натрия и ртути. Результаты занесите в таблицу.
Вещество
Водород
Гелий
Пары натрия
Пары ртути
Цвет линий
Длина волны
1. Откинуть планку прибора для зажигания спектральных трубок.
1 – корпус, 2 – кожух, 3 – откидная планка, 4 – кнопка.
2. Установить поочередно спектральные
трубки с известными газами.
3. Собрать установку для наблюдения линейчатых спектров по схеме:
1 – блок питания, 2 – высоковольтный генератор, 3 – газоразрядная трубка,
4 – спектроскоп, 5 – глаз наблюдателя.
4. Подключить прибор к источнику электрической энергии, соблюдая
полярность.
5. Рассмотреть спектры газов; отметить характерные для них цветные линии,
расположенные на некотором расстоянии друг от друга.
6. Отключить прибор. Спектры зарисовать, сохраняя расположение цветных
линий для каждого газа и относительное расстояние между ними.
7. Сделать вывод.
Контрольные вопросы.
1. Почему белый свет, пройдя сквозь призму, разлагается в спектр?
2. Как ширина спектра зависит от преломляющего угла призмы?
3. Почему дисперсионный спектр более насыщенной цветовой интенсивности,
чем дифракционный?
4. Почему сине–фиолетовая область сплошного дисперсионного спектра шире,
чем оранжево-красная?
5. Какую информацию позволяет получить спектральный анализ вещества?
Лабораторная работа № 19.
Изучение треков заряженных частиц.
Цель работы: по фотографиям, оставленным заряженными частицами в камере
Вильсона, идентифицировать их и определить основные характеристики частиц.
Оборудование: фотография треков, оставленных четырьмя частицами в камере
Вильсона, линейка, калька, карандаш.
Теория.
Ядерные реакции могут протекать как в естественных условиях (например, в
недрах звезд), так и в лабораторных экспериментах. Для изучения ядерных реакций в
лабораторных условиях необходимо располагать источниками и детекторами
элементарных частиц.
Элементарными частицами называются такие микрообъекты, которые
невозможно расщепить на составные части. К настоящему времени число открытых
элементарных частиц приблизилось к 400!
Источниками частиц могут служить радиоактивные препараты, космические
лучи, ядерные реакторы и ускорители заряженных частиц. Полученный от источника
пучок частиц направляют на определенный блок вещества, называемый мишенью. В
результате взаимодействия налетающих частиц с ядрами мишени, они могут рассеиваться
(менять траекторию), а при достаточно высоких энергиях могут возникать новые частицы.
Для того, чтобы их регистрировать, применяют специальные устройства, называемые
детекторами частиц.
Различают два основных класса детекторов: трековые детекторы и счетчики. В
отличие от счетчиков, которые лишь регистрируют влетающие частицы, трековые
детекторы позволяют визуально наблюдать или фиксировать фотографическими и
электронными методами треки частиц – следы, оставляемые ими в рабочем пространстве
детектора. К ним относятся камера Вильсона, пузырьковая камера и толстослойные
фотоэмульсии.
Для установления природы и свойств изучаемых частиц камеры помещают в
сильное магнитное поле. Это поле искривляет треки частиц, и появляется возможность
определения знака их заряда, массы, импульса, энергии.
Порядок выполнения работы.
На фотографии представлены треки частиц в камере Вильсона, находящейся в
магнитном поле с индукцией В=2,17 Тл, направленном перпендикулярно фотографии.
Начальные скорости всех частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии. ( I –
трек протона). Тонкие прямые линии – металлические проволочки, на которые подается
напряжение для очистки камеры от ионов перед наблюдением треков.
1. Определить направление вектора индукции магнитного поля.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Объясните, почему траектории частиц представляют собой дуги
окружностей.
Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер?
Почему кривизна траектории изменяется от начала к концу пробега частицы?
Объясните причины различия в толщине треков разных частиц. Почему трек
каждой частицы толще в конце пробега, чем в начале его?
Решите задачу: в поперечное магнитное поле с одной и той же скоростью в
одном и том же направлении влетают две частицы; чему равно отношение
удельных зарядов этих частиц, если радиусы кривизны их траекторий
оказались равными R1 и R2?
Положите на фотографию кальку и переведите на нее изображения треков.
Проведите на кальке хорды начальных участков треков, как показано на
рисунке. Измерьте высоту h и длину хорды l для треков I и III.
Воспользовавшись формулой
Определите радиусы кривизны треков R1 и R2 на их начальных участках.
9. Воспользовавшись формулой, полученной в пункте 6, найдите отношение
удельного заряда неизвестной частицы (трек III) к удельному заряду протона
(трек I).
10. Сравнив полученный результат с данными, приведенными в таблице,
определите, кокой частице принадлежит трек III.
позитрон
тритий
АльфаПи-мезон
частица
1836
0,33
0,5
9
Дополнительное задание: остальные треки принадлежат ядрам дейтерия и
трития. Какому именно ядру принадлежит трек II и трек IV?
11. Выведите формулу (I).
Лабораторная работа № 20.
Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.
Цель работы: по готовым фотографиям идентифицировать заряженные
частицы.
Оборудование: фотографии частиц, транспортир, линейка, карандаш.
Теория.
Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения импульса: сумма
импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых
взаимодействиях тел этой системы между собой. Сумму импульсов определяют как
векторную величину, так как импульс тела есть величина векторная.
Одним из видов взаимодействия тел и частиц является соударение. Для него
характерно сближение тел, их кратковременное взаимодействие, после чего они движутся
уже с другими скоростями. Различают упругие и неупругие соударения. Абсолютно
упругим называют удар, при котором в телах не остается никаких деформаций, и вся
кинетическая энергия, имевшаяся у тел до удара, превращается снова в кинетическую
энергию разлетающихся тел. При косом ударе скорости тел (частиц) не лежат на прямой,
соединяющей их центры, и частицы разлетаются под углом друг к другу. На фотографиях,
полученных в камере Вильсона, при таких соударениях частиц образуется «вилка».
На рисунке показана импульсная диаграмма
такого взаимодействия. М – масса налетающей
частицы, m – масса покоящейся частицы, v и v1 –
скорости налетающей частицы до и после
взаимодействия, u – скорость частицы «мишени»
после взаимодействия, θ – угол рассеяния, φ – угол
отдачи. По закону сохранения импульса:
Mv =Mv1 + mu1 (1)
В соответствии с законом сохранения энергии:
=
+
(2)
Рассматривая треугольник АОВ, применяя теорему синусов и закон сохранения
энергии, получим:
=
(3)
Исследуя треки заряженных частиц по готовым фотографиям и. используя
формулу (3), можно решить ряд интересных задач.
Порядок выполнения работы.
На фотографии след с – трек рассеянной частицы, d – трек протона.
1. Используя рисунок, начертить в тетради трек налетающей частицы и
продолжить его.
2. Начертить прямолинейные
участки треков
взаимодействующих частиц,
сохранив углы рассеянияθ и
отдачи φ.
3. Записать массу m известной частицы в а.е.м. и. используя формулу (3),
найти массу М рассеянной частицы.
4. Зная М, используя «Периодическую систему элементов Менделеева»,
определить, ядром какого элемента является рассеянная частица.
5. Исследования повторить (п. 1 - 4) для следующей фотографии, где след b –
трек рассеянного протона. Ядру
какого атома принадлежит след
a?
9.
6.
6. Исследования повторить (п.1 – 4) для решения следующей задачи:
сталкиваясь в камере Вильсона с атомом
газа, α-частица отклонилась на 1420.
Определите. С атомом какого газа
столкнулась α-частица.
7. Результаты исследований занести в таблицу:
№
1.
2.
3.
Угол
рассеяния θ, 0
Угол отдачи
φ, 0
Масса
рассеянной
частицы М,
а.е.м.
Масса
частицы
«мишени»
m, а.е.м.
Вид
частицы
газа
Контрольные вопросы.
1. Охарактеризуйте протон, электрон и α-частицу.
2. Какие методы позволяют изучать элементарные частицы?
3. Какие единицы измерения массы и энергии используются в атомной
физике? Дайте им определения и покажите их связь с единицами
измерения СИ.
4. На рисунке показан фотоснимок столкновения αчастицы с атомом кислорода в камере Вильсона.
Какой трек «вилки» представляет трек ядра
кислорода, а какой трек принадлежит α-частице?
Почему?
Лабораторная работа №21.
Астрономические наблюдения солнечных пятен.
Цель работы: с помощью телескопа получить изображение Солнца и оценить
размеры солнечных пятен.
Оборудование: телескоп школьного типа, окулярный микрометр для телескопа,
защитный фильтр.
Теория.
Солнце центральное и самое массивное тело солнечной системы. Солнце –
мощный источник энергии,
постоянно излучаемой им во
всех участках спектра
электромагнитных волн – от
рентгеновских до радиоволн.
Это излучение оказывает
сильное воздействие на все
тела солнечной системы,
нагревает их, влияет на
атмосферы планет, дает свет
и тепло, необходимые для
жизни на Земле.
Самый глубокий
слой атмосферы, толщиной
200 – 300 км, называется
фотосферой. От него исходит
почти вся та тепловая и
лучистая энергия Солнца, которая наблюдается в видимой части спектра.
На фотографиях фотосферы хорошо заметна тонкая ее структура в виде ярких
«зернышек» – гранул размером около 1000 км, разделенных узкими темными
промежутками. Эта структура называется грануляцией. Она оказывается следствием
перемешивания газов. Временами в отдельных слоях фотосферы темные промежутки
между гранулами увеличиваются, образуя небольшие округлые поры, некоторые из них
развиваются в большие темные пятна.
Впервые солнечные пятна наблюдал в
телескоп Галилей и заметил, что они перемещаются по
видимому диску Солнца. На этом основании он доказал,
что Солнце вращается вокруг своей оси. Пятна –
непостоянные образования. Число и форма пятен
непрерывно меняется. Обычно солнечные пятна образуются группами. .Количество групп
пятен периодически меняется в течении 11 лет, что называется циклом солнечной
активности. Наибольшее количество пятен наблюдается в пик солнечной активности.
Главной особенностью пятен является присутствие магнитных полей. В пятнах
напряженность поля очень велика.
Черными пятна кажутся лишь по контрасту с более горячей и оттого более яркой
фотосферой.
Работа проводится с помощью телескопа,
который установлен на штативе 3 и имеет зрительную
трубу 1 , азимутальную установку 2. Зрительная труба
состоит из корпуса. Объектива 4, муфты с механизмом
выдвижения 5 и окулярной трубки 6.
На рисунке показан ход лучей в телескопе.
Объектив телескопа дает действительное изображение
наблюдаемого объекта, а окуляр увеличивает это
изображение.
Порядок выполнения работы.
1. Расположить глаз у окуляра телескопа, установленного на Солнце и
откорректировать по глазу фокусировку окуляра.
2. Провести наблюдение поверхности Солнца, используя (обязательно!)
защитный светофильтр. Рассмотреть на Солнце пятна.
3. Зарисовать в тетради примерные размеры наблюдаемого диска Солнца и
положение пятен на нем.
4. Вычислить линейные mл и угловые mу масштабы изображения солнечного
диска: mл = Dл//D, mу = Dу/D. Здесь Dл – линейный диаметр Солнца, равный
1 390 600 км; Dу – угловой диаметр Солнца, равный приблизительно 1920
секундам дуги.
5. Измерить диаметр пятна d и вычислить линейный dл и угловой dу размеры
диаметра пятна: dл = mлd, dу = mуd.
6. Вычислить площадь измеренного пятна и сравнить с площадью поверхности
Земли.
7. Сделать вывод.
Содержание.
1. Предисловие.
2. Лабораторная работа № 10. Определение электрохимического эквивалента
меди.
3. Лабораторная работа № 11. Изучение электрических свойств
полупроводников.
4. Лабораторная работа № 12. Определение индуктивности катушки и емкости
конденсатора.
5. Лабораторная работа № 13. Изучение работы и устройства
трансформаторов.
6. Лабораторная работа № 14. Изучение механических колебаний с помощью
математического маятника.
7. Лабораторная работа № 15. Сборка и настройка простейшего детекторного
приемника.
8. Лабораторная работа № 16. Измерение показателя преломления стекла.
9. Лабораторная работа № 17.определение длины световой волны с помощью
дифракционной решетки.
10. Лабораторная работа № 18. Изучение непрерывного и линейчатого
спектров испускания.
11. Лабораторная работа № 19. Изучение треков заряженных частиц по
фотографиям (I).
12. Лабораторная работа № 20. Изучение треков заряженных частиц по
фотографиям (II).
13. Лабораторная работа № 21. Астрономические наблюдения солнечных
пятен.
Литература.
1. Кикин Д. Г., Самойленко П. И. Физика (с основами астрономии). – М.:
Высшая школа, 1981.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика 10. Физика 11. – М.:
Просвещение, 2004.
3. Громов С. В. Физика 10. Физика 11. – М.: Просвещение, 1997.
4. Евдокимов Ф. Е. Общая электротехника. – М.: Высшая школа, 1990.
5. Руководство по проведению лабораторных работ по физике для средних
специальных учебных заведений. М.: Высшая школа, 1988.
6. Кабардин О. Ф., Орлов В. А., Шифер Н. И. Лабораторные работы по физике
для средних ПТУ. – М.: Высшая школа, 1976.
7. Физика в формулах и схемах. – Санкт-Петербург: Виктория, 2005.
8. Шилов В. Ф. Лабораторные работы по физике. – М.: Просвещение, 2005.
9. Жданов Л. С., Жданов Г. Л.учебник по физике для средних специальных
учебных заведений. – М.: Наука, 1981.