Правила выполнения лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА»

ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ:

140102, 140613, 150203, 210405, 210406, 220304, 230105, 260502

Оглавление:

Введение………………………………………………………………………..5

Правила выполнения лабораторных работ…………………………………...7

Подготовка к проведению и организация лабораторных работ……………8

Лабораторная работа № 1

Определение ускорения свободного падения с помощью

математического маятника……………………………………………………10

Лабораторная работа № 2

Проверка закона Гей-Люссака………………………………………………..12

Лабораторная работа № 3

Определение влажности воздуха……………………………………………..15

Лабораторная работа № 4

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости………..18

Лабораторная работа № 5 (социально- экономические дисциплины)

Определение коэффициента линейного расширения твёрдого тела………..21

Лабораторная работа № 5 (Техническое дисциплины)

Исследование электрического поля…………………………………………...24

Лабораторная работа № 6

Определение внутреннего сопротивления и ЭДС источника

электрической энергии…………………………………………………………27

Лабораторная работа № 7

Определение удельного сопротивления проводника………………………..29

Лабораторная работа № 8

Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой

накаливания, от напряжения на её зажимах………………………………….32

Лабораторная работа № 9

Определение электрохимического эквивалента меди………………………34

Лабораторная работа № 10

Электрические свойства полупроводников………………………………….36

Лабораторная работа № 11

Изучение явления электромагнитной индукции…………………………… 39

Лабораторная работа № 12

Определение индуктивности катушки в цепи переменного тока…………..42

Лабораторная работа № 13

Сборка простейшего радиоприёмника……………………………………….44

Лабораторная работа № 14

Проверка закона освещённости……………………………………………….46

Лабораторная работа № 15

Определение показателя преломления стекла..................................................49

Лабораторная работа № 16

Наблюдение интерференции, дифракции света…………………………….52

Лабораторная работа № 17

Определение длины световой волны с помощью

дифракционной решётки……………………………………………………...55

Лабораторная работа № 18

Наблюдение сплошного и линейчатого спектров

различных веществ…………………………………………………………….58

Лабораторная работа № 19

Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям…………...60

Лабораторная работа № 20

Наблюдение звёздного неба с помощью подвижной карты………………...65

Литература……………………………………………………………………70

Введение

Программы по физике для колледжей, рассчитанные на 168-216 учебных часов, предусматривают проведение лабораторных работ. В предлагаемом руководстве дается описание этих работ.

Лабораторные работы учебной дисциплины «Физика» разработаны в соответствии с рабочей программой и предназначены для студентов первого курса всех специальностей.

В результате изучения физики и выполнения лабораторных работ студент должен знать:

· основные положения физических теорий, фундаментальные законы и принципы, лежащие в основе современной физической картине мира;

· смысл физических понятий и величин;

· особенности физических процессов, их развитие и взаимосвязь.

Студенты должны иметь представление:

· об общих закономерностях физических явлений и процессов, характерных для всех разделов физики.

Студенты должны уметь:

· описывать и объяснять физические явления и свойства тел: механическое движение тел; свойства газов, жидкостей и твердых тел; электромагнитные явления, волновые свойства света;

· отличать гипотезы от научных теорий; делать выводы на основе экспериментальных данных;

· приводить примеры, показывающие, что: наблюдения и эксперимент являются основой для выдвижения гипотез и теорий, позволяют проверить истинность теоретических выводов;

· приводить примеры практического использования физических знаний, основываясь на знании законов и явлений природы;

· воспринимать и на основе полученных знаний и умений в практической деятельности самостоятельно оценивать полученную информацию в ходе проведенной работы;

· аргументировать свою точку зрения при обсуждении физических проблем возникающих по ходу выполнения определённого задания.

Лабораторные работы предназначены для активного и углубленного освоения научно-теоретических основ физики. В план лабораторных работ включены шесть разделов курса физики.

При составлении программ лабораторных работ учитывались умения, приобретённые студентами на начальных этапах изучения физики.

Выполнение лабораторных работ потребуют от студентов проявление наблюдательности и самостоятельности.

Цель настоящего пособия – оказать помощь обучающимся в подготовке и выполнении лабораторных работ.

Каждая работа включает в себя: название темы, цель работы, краткий теоретический материал, описание хода работы, контрольные вопросы.

Лабораторные занятия проводятся после лекций, теоретический материал которой служит основой для выполнения лабораторных работ. Выполнение лабораторных работ способствует систематизации и усвоению полученных знаний.

Каждому студенту заранее должно быть известно, какую работу он будет выполнять, чтобы подготовиться к ней: повторить соответствующий материал по учебнику, ознакомиться с описанием работы.

Перед началом лабораторных работ необходимо повторить со студентами наиболее доступные методы вычисления погрешностей и правила округления чисел при вычислениях.

В ходе выполнения работ необходимо строго соблюдать правила по технике безопасности, все измерения производить с максимальной тщательностью.

Каждый студент ведёт журнал отчёта для лабораторных работ, где осуществляются записи по следующей схеме: дата, наименование и номер работы; перечень оборудования; схема и зарисовка установки; основные расчетные формулы; запись цены деления шкалы измерительного прибора; таблица результатов измерений и вычислений; обработка результатов измерений и определение относительной погрешности.

Каждая лабораторная работа включает: краткие теоретические сведения, перечень необходимого оборудования, порядок проведения работы и вычислений погрешностей, таблицы и графики, контрольные вопросы.

Раздел «Порядок проведения работы» для большей четкости дан в виде отдельных пунктов, в каждом из которых предлагается проделать одну вполне определенную операцию. Рекомендуется, чтобы студенты сначала прочли целиком этот раздел и получили ясное представление о том, что им нужно делать.

После проведения эксперимента в лабораторной работе необходимо правильно сформулировать вывод к лабораторной работе, для этого студенты могут использовать памятку оформления вывода, содержащие вопросы, ответы на которые помогут им написать вывод к лабораторной работе:

· Какая конечная цель лабораторной работы?

· Какие косвенные и прямые измерения вы проводили в данной лабораторной работе?

· Какие закономерности вы обнаружили в процессе работы?

Каждая работа оценивается преподавателем и учитывается при выставлении зачёта.

Подготовка к проведению и организации лабораторных работ

Лабораторные работы преследуют цель закрепления теоретических знаний, полученных во время теоретических занятий; они способствуют выработке у студентов навыков и умений самостоятельной работы с измерительными приборами, проведении необходимых расчетов, оперированию необходимыми формулами.

При выполнении лабораторных работ предъявляются следующие требования:

• выполнять работы необходимо по схеме предложенной в предисловии;

• в разделе «Порядок выполнения» записать формулу закона, согласно которой выполняется работа, и получить из нее рабочую формулу для выполнения данной лабораторной работы;

• в таблицу результаты вычислений необходимо записывать аккуратно и соблюдая единицы измерения;

• после таблицы записать вычисления, производимые для нахождения всех требуемых неизвестных;

• вычисления производить с точностью до 2-х значащих цифр после запятой, например число 0,00000034256 необходимо записать как;

• произвести вычисление относительной погрешности.

Выполнение лабораторных работ связано с измерением физических величин и последующей обработкой результатов. Измерение, при котором данная физическая величина непосредственно сравнивается с соответствующей единицей измерения, называется прямым измерением. Измерение, при котором измеряются какие-либо связанные с данной физической величиной другие величины, а числовое значение ее находится по формуле, называется косвенным измерением.

Ошибки (погрешности), возникающие при измерениях, объясняются несовершенством методов измерения, погрешностями измерительных приборов, условиями опыта. Для исключения случайных ошибок и повышения степени точности необходимо производить как можно больше опытов по нахождению искомой величины. Истинным значением искомой величины является среднее арифметическое значение этой величины в ваших опытах. Оно может отличаться от табличного значения как объективно (независящие от нас), так и субъективно (зависящие от нас).

Погрешность измерения – это оценка полученной ошибки при измерении.

· Среднее арифметическое всех измерений

(сложить все измеренные величины и разделить на количество произведённых измерений);

· Абсолютная величина разности между средним значением измеряемой величины и результатом отдельного измерения называется абсолютной погрешностью
;

Чтобы найти среднюю абсолютную погрешность, нужно сложить все абсолютные погрешности отдельных измерений и полученный результат разделить на число слагаемых ;

Окончательный ответ записывается в виде:

· Относительной погрешностью называется число, показывающее, какую долю (в процентах) от измеряемой величины составляет абсолютная погрешность

· Во многих случаях измерение считается удовлетворительным, если его относительная погрешность не превышает 5%.

Говоря о погрешностях, нельзя не рассмотреть погрешности приборов, с помощью которых производят измерения величин.

Средств измерения

Средства измерения	Предел измерения	Цена деления	Абсолютная инструментальная погрешность
Линейка ученическая чертёжная	До 50 см	1 мм	±1 мм
Весы учебные	200 г	-	±0,01 г
Секундомер	0-30 мин	0,2	±1 с за 30 мин
Штангенциркуль	150 мм	0,1мм	±0,05 мм
Микрометр	25 мм	0,01мм	±0,005 мм
Термометр лабораторный	0-1000 С	1 0С	±1 0С
Амперметр школьный	2 А	0,1 А	±0,05 А
Вольтметр школьный	6 В	0,2 В	±0,15 В

Для определения абсолютной инструментальной погрешности прибора надо знать его класс точности. Класс точности g прибора показывает, сколько процентов составляет абсолютная инструментальная погрешность от всей шкалы прибора.

Класс точности указывается на шкале прибора или в его паспорте (знак % при этом не пишется). Существуют следующие классы точности электроизмерительных приборов: 1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Зная класс точности прибора ( ) и всю шкалу (A_max), определяют абсолютную погрешность измерения физической величины этим прибором: .

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

Таблица 6.1.

№ п/п	l, м	t, c	Т, с	g, м/с2	gср., м/с2	, %

7. Сделать вывод, ответить на контрольные вопросы.

8. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Что называется математическим маятником?

2. Зависит ли ускорение свободного падения от широты местности, высоты над поверхностью земли? Если зависит, то почему?

3. Можно ли пользоваться маятниковыми часами в условиях невесомости?

4. В каких положениях действующая на шарик возвращающая сила будет максимальна, равна нулю?

5. Наблюдая за движением шарика в течение одного периода, ответьте на вопрос: будет ли оно равноускоренным?

6. Изменится ли результат определения ускорения свободного падения, если проделать опыт с шариком другой массы? С нитью другой длины?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

Рисунок 1.1.

2. Налить в стакан холодную воду.

2.1. Измерить температуру воды с помощью термометра (выразить ее по шкале Кельвина), значение занести в таблицу 5.1.

2.2. Запаянную трубку быстро вынуть из сосуда с горячей водой и опустить ее пластилином вниз в холодную воду.

2.3. Под водой отделить пластилин с помощью карандаша, не вынимая трубки из воды.

2.4. После того, как трубка остынет до комнатной температуры Т₂, надо опустить трубку в холодную воду глубже, чтобы уровень в стакане и уровень воды, зашедшей в трубку, сравнялись. В этом случае давление в трубке станет равным атмосферному давлению (см. рис. 2.2.).

Рисунок 2.1.

2.5. Измерить высоту столбика газа в трубке L₂ и записать показания измерений в таблицу (см. рис. 2.2.).

Рисунок 2.2.

3. Зная температуру Т₁ и Т₂ находим отношение .

4. Зная длины L₁ и L₂ находим отношение объемов . Закон Гей-Люссака, который мы должны проверить, имеет следующий вид: , но мы можем заменить отношение объемов отношением длин , и чтобы проверить закон Гей-Люссака, будем сравнивать отношения длин, т.е. .

5. Сделать необходимые расчеты, используя пункт 4 и результаты измерений занести в таблицу 5.1.

Таблица 5.1.

L1, мм	L2, мм	Т1, К	Т2, К		т, Т2

6. Сделать выводы о проделанной работе (справедлив ли закон Гей-Люссака).

7. Ответить письменно на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. В каких единицах измеряется давление?

2. Какой из макроскопических параметров газа остается постоянным при

а) изобарном,

б) изохорном,

в) изотермическом?

3. В какое время суток ветер дует с моря на сушу (морской бриз) и в какое время суток-с суши на море (береговой бриз)?

4. Где больше вероятность возникновения утренних заморозков - на возвышенности или в низине?

5. Почему батареи парового и водяного отопления помещают у пола, а не у потолка?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

Таблица 1.2.

tc, 0C	tвл, 0C	t, 0C	, %	абс, кг/м3	m, кг	m60C, кг	m, кг

1.3. Вычислить t = t_c – t_вл [⁰C];

1.4. Найти _табл [%] , используя таблицу 1.1.;

1.5. Полученные данные записать в таблицу 1.2.

2. Определить абсолютную влажность воздуха. Для этого нужно:

2.1. Найти плотность насыщенного пара (кг/ м³) при комнатной температуре в таблице 2.1.;

2.2.В таблице значение найти с помощью формулы ;

2.3.Полученные данные занести в таблицу 1.2.

3. Определить массу водяных паров в кабинете физики. Для этого нужно:

3.1. Определить объем кабинета физики (размер 10 м х 6м х4м);

3.2. Вычислить по формуле , массу водяных паров и результат занести в таблицу 1.2.

Таблица 2.1. Зависимость давления р и плотности насыщенного водяного пара от температуры.

4. Определить массу водяных паров, конденсирующихся при понижении температуры в кабинете физики до 6 С. Для этого нужно:

4.1.Определить массу водяных паров, насыщающих кабинет при t = 6 ⁰С по формуле: , взяв из таблицы 2.1 плотность насыщенного пара при t = 6 ⁰С;

4.2. Затем из массы водяных паров в кабинете (см. пункт 3.2) вычесть , т.е. определить по формуле: _;

4.3. Занести полученные результаты в таблицу 1.2.

5. Сделать вывод к лабораторной работе.

6. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Почему при продувании воздуха через эфир на полированной поверхности камеры психрометра появляется роса?

2. Почему показания влажного термометра психрометра меньше показаний сухого термометра? При каком условии разность показаний термометров наибольшая (наименьшая)?

3. Температура в помещении понижается, а абсолютная влажность остается прежней. Как изменится разность показаний сухого и влажного психрометра?

4. Сухой и влажный термометр показывает одну и ту же температуру. Какова относительная влажность воздуха?

5. Почему после жаркого дня роса бывает более обильной?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

Таблица 6.1.

№ п\п	Число капель	Масса всех капель М, кг.	Масса одной капли m, кг.	Диа­метр dш.к., м.	Коэф-т поверх .натяж. , Н\м.	Относительная погрешность ,%.
						-------

7. Сделать вывод о проделанной лабораторной работе.

8. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Зависит ли коэффициент поверхностного натяжения от массы и диаметра капли, ускорения свободного падения, свойств жидкости?

2. Изменится ли результат, если измерения проводить на экваторе или на Северном полюсе, где ускорение свободного падения отлично от ускорения в Белгороде?

3. Почему коэффициенты поверхностного натяжения горячей и холодной воды отличаются друг от друга? Как зависит коэффи­циент поверхностного натяжения от температуры?

4. Где выше поднимается вода в капиллярах равного радиуса — у по­дножия высокой горы или на ее вершине и почему?

5. Почему, прежде чем покрыть штукатурку масляной краской, предварительно производят грунтовку олифой?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

(для социально- экономических дисциплин)

Рисунок 1.1.

1.1. Познакомиться с работой индикатора.

1.2. Измерить начальную длину L₁ трубки прибора с точностью до 1 мм.

1.3.Измерить начальную температуру Т₁ с точностью до 1 К, которая равна температуре воздуха в комнате.

2. Проводим опыт с установкой на рисунке 1.1.

2.1. Пропустить через трубку пар от нагревателя, дождаться, покаиз нее не пойдет пар, считая, что трубка нагрелась до температуры 373К.

2.2. Определить по индикатору удлинение трубки, L по формуле:

L =0,01мм n, где n – число делений по шкале индикатора; 0,01 мм –цена деления шкалы индикатора.

2.3. Вычислить коэффициент линейного расширения по формуле:

,где - это начальная температура трубки (температура в комнате), Т - конечная температура трубки (температура кипящей воды, Т = 373К), L - начальная длина трубки, L- удлинение трубки.

3. Повторить опыт с трубкой, выполненной из другого вещества, для этого нужно:

3.1. Использовать порядок выполнения работы пунктов 1.2-3.

4. Определить относительную погрешность метода для двух твердых тел. Для этого нужно:

4.1.Использовать справочный материал из таблицы 5.1. и определить относительную погрешность метода по формуле: , экспериментально определенный коэффициент линейного расширения, коэффициент линейного расширения, табличное значение коэффициента, наиболее близкое к экспериментальному значению.

Таблица 4.1.

Вещество	,К	Вещество	, К
Алюминий, дюралюминий	2,3 *10	Никель	1,28 *10
Бетон, цемент	(10 14) *10	Олово	2,1 *10
Бронза	1,8 *10	Платина	9 *10
Вольфрам	4 *10	Платинит	9 *10
Железо, сталь	1,2 * 10	Свинец	2,9 *10
Золото	1,4 *10	Стекло	9 *10
Инвар	6 *10	Цинк	2,9 *10
Латунь	1,9 *10	Чугун	1,0 *10
Медь	1,7 *10	Эбонит	7,0 *10

5.Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 5.1.

Таблица 6.1.

№ п/п	Начальная длинна L1, мм	Удлинение L, мм	Изменение температуры Т2 – Т1, К	Коэф- фициент линейного расширения , К-1	Табличное значение коэф- фициента , К-1	Вещество	Относи- тельная погрешность ,%

6. Сделать вывод проделанной работе.

7. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Что показывает коэффициент линейного расширения? От чего он зависит?

2.Как изменится длина медной проволоки при увеличении ее температуры на 1К, если первоначальная длина ее равна 1 метр?

3. Почему коэффициент линейного расширения, определенный экспериментально, отличается от табличного значения? Как повысить точность (на Ваш взгляд)?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

(для технических дисциплин)

Рисунок. 2

Устройство прибора, применяемого при изучении электрического поля, видно из схемы, представленной на рисунке 2. Основная часть прибора - станок С (плоский, прямоугольной формы лист изолятора). Симметрично вблизи краев этого листа вмонтированы клеммы - К. К этим клеммам снизу подключаются полюсы батареи Е, а сверху зажимаются гайками плоские электроды Э прижимающие фильтрованную бумагу.

Приборы и принадлежности: бумагу (ткань) Ф; 1. Гальванометр; 2. Два металлических зонда: 3. Станок для крепления электродов и бумаги (ткани); 4. Источник постоянного тока (ЛИП); 5. Соединительные проводники; 6. Линейка, химический карандаш и вода.

Порядок выполнения работы:

1. Начертить в протоколе координатную сетку, показанную на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1.

2. Укрепить фильтрованную бумагу (ткань) на станке С и смочить бумагу (ткань) водой.

3. Определим распределение потенциалов вдоль оси X. Для этого:

3.1. Присоединяем зонды к клеммам гальванометра.

3.2. Один из зондов устанавливаем в точке А.

3.3. Второе острие зондов устанавливаем в точке 1, и по показаниям гальванометра определяем потенциал точки 1 (если стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону, то следует поменять местами зонды.).

3.4. Не меняя положение первого зонда в точке А, аналогично измеряем потенциал точек 2,3,4, В.

3.5. Результаты полученных изменений занесем в таблицу3.1.

Таблица 3.1

А, [В]	1, [В]	2, [В]	3, [В]	4, [В]	в, [В]

4. Обработать полученные результаты.

4.1. Вычислить значение разности потенциалов , используя данные таблицы 3.1.

- = ………В

- = ………В

- = ………В

- = ………В

- = ………В

4.2. Определить градиент потенциала вдоль линии А и В (для точек 1,2,3,4) и результаты полученных вычислений занести в таблицу4.1.

Таблица 4.1.

Е1,[В/м]	Е2,[В/м]	Е3,[В/м]]	Е4,[В/м]

5. Определим линии эквипотенциальной поверхности. Для этого:

5.1. Помещаем острие первого зонда в точку А.

5.2. Острие второго зонда помещаем в точку 1 и определяем значение .

5.3. Не изменяя положение первого зонда, перемещаем острие второго зонда по линииFE и, используя показания гальванометра, находим на этой линии точку, потенциал которой численно равен .

5.4. Полученное местонахождение точки на линииFE отмечаем на координатной сетке в протоколе.

5.5. Не меняя положение первого зонда в точкеА, аналогично находим на линиях NM и SR точки, потенциалы которых равны .

5.6. Повторяем опыт для линийDC, LK, РО.

5.7. Местонахождение полученных точек отмечаем на координатной системе. Полученные точки соединяем плавной кривой, которая изображает линию эквипотенциальной поверхности, с потенциалом равным .

5.8. Не меняя положение первого зонда в точке А, аналогично определяем линии эквипотенциальной поверхности для значений , , .

5.9. Получаем картину линий эквипотенциальной поверхности (рис. 1.1).

6. Сделать вывод.

7. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Чему равна разность потенциалов между любыми точками на эквипотенциальной поверхности?

2. Могут ли линии напряженности электростатического поля касаться друг друга или пересекаться?

3. Как расположены линии напряженности электрического поля по отношению к эквипотенциальным поверхностям?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.

Порядок выполнения работы.

1. Изучить шкалу амперметра и определить цену одного деления.

2.1. Собрать электрическую цепь по схеме (рис.2.1.). Для этого нужно учесть, что:

2.2. Амперметр в электрическую цепь подключается последовательно.

Рисунок.2.1.

2.3. Переключатель должен находится в разомкнутом состоянии.

3. Работа с электрической цепью.

3.1. Замкнуть электрическую цепь с первоначальным сопротивлением R = R₁ и определить с помощью амперметра силу тока I₁.

3.2. Заменяем в цепи сопротивление R₁ на R₂ вновь определяем силу тока в цепи I₂ с помощью амперметра.

4. Определяем внутреннее сопротивление источника, для этого сопоставить:

4.1. Сопоставить полученные данные при двух различных сопротивлениях внешней цепи:

4.2. Учесть, что ЭДС и внутреннее сопротивление данного источника электрической энергии – величины постоянные, не зависящие от состава внешней части электрической цепи.

4.3. Используя формулу (4.2.) найти r₀ по формуле (4.3.):

5.Определяем ЭДС источника тока, для этого нужно:

5.1.В одно из уравнений системы( 4.1.) подставить найденное значение r ;

5.2. Сопротивление вольтметра очень велико по сравнению с внутренним сопротивлением r ;

5.3. Значением падения напряжения внутри источника электрической энергии I r можно пренебречь;

5.4. Отсюда следует, что IR, т.e. U.

5.5. Подключив вольтметр к зажимам аккумуляторной батарее, находим .

6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 6.1.

Таблица 6.1.

№ / №	R, Ом	I, А	, В	r , Ом	U, В

7. Сделать вывод о проделанной работе.

8. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений.

2. В каком случае результат работы получится более точным: для батарейки карманного фонаря или для кислотного аккумулятора?

3. В каком случае вольтметр, включённый на зажимы генератора (источника тока), показывает ЭДС генератора и в каком сл