Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

ИЗМЕРЕНИЯ:

Установите начальное значение объема V_нач = 40 дм³ и начальную температуру Т₁ газа, близкую к числам из табл.1. Для этого нажмите кнопку «ВЫБОР», переместите маркер мыши так, чтобы его острие находилось в указанной точке вблизи границы столбика на градуснике, и коротко нажмите и удерживая левую кнопку мыши двигайте столбик.

Нажмите мышью кнопку «Старт» на экране и наблюдайте перемещение поршня на левой картинке модели и перемещение точки по красной кривой теоретической адиабаты. Попробуйте останавливать процесс нажатием кнопки «СТОП». Последующий запуск процесса осуществляется нажатием кнопки «Старт».

После автоматической остановки процесса запустите его снова, нажав кнопку «Старт», и останавливайте, нажимая кнопку «Стоп», когда крестик на теоретической адиабате (красная кривая) будет находиться вблизи следующих значений объема: 15, 20, 25, 30, 35 и 40 дм³ (6 значений), записывая при остановке значения объема, температуры и давления в таблицу 2.

Установите новое значение температуры Т₂, взяв его из таблицы 1, задавая V_нач = 40 дм³ и повторите измерения, записывая результаты в таблицу 3.

ТАБЛИЦА 1. Начальные значения температуры(не перерисовывать)

Бригада
Т1
Т2

ТАБЛИЦА 2. Результаты измерений

Т[К]
V[дм3]
p[кПа]

ТАБЛИЦА 3. Результаты измерений

Т[К]
V[дм3]
p[кПа]

ТАБЛИЦА 4. Результаты вычислений

ln V
ln p1
ln p2

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Постройте на одном рисунке графики экспериментальных зависимостей логарифма давления от логарифма объема для обеих адиабат (указав на них начальные температуры).

Для каждой адиабаты определите по графику экспериментальное значение показателя, используя формулу .

Определите число степеней свободы молекулы газа, исследуемого в данной компьютерной модели.

Подберите распространенный газ, структура молекулы которого близка к наблюдаемой.

Запишите ответы и проанализируйте ответы и графики.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Внутренняя энергия термодинамической системы.

2. Число степеней свободы и распределение энергии по степеням свободы.

3. Первое начало термодинамики.

4. Работа в термодинамике.

5. Что такое равновесные и неравновесные процессы?

6. Дайте определение удельной и молярной теплоемкости вещества.

7. Напишите формулу для теплоемкости при постоянном объеме.

8. Напишите формулу для теплоемкости идеального газа при постоянном давлении.

9. Что такое коэффициентом Пуассона?

10. Дайте определение изопроцесса. Перечислите известные изопроцессы.

11. Напишите уравнение для работы и нарисуйте PV-диаграмму изотермического процесса.

12. Напишите уравнение для работы и нарисуйте PV-диаграмму изобарического процесса.

13. Напишите уравнение для работы и нарисуйте PV-диаграмму изохорического процесса.

14. Дайте определение адиабатического процесса. Что такое показатель адиабаты?

15. Напишите уравнение адиабатического процесса.

16. Напишите формулу связи показателя адиабаты с числом степеней свободы молекулы идеального газа.

17. Напишите уравнение для работы и нарисуйте PV-диаграмму адиабатического процесса.

18. Политропические процесс, уравнение политропы.

19. Какой процесс называется обратимым?

20. Что такое цикл?

21. Чему равен термический коэффициент полезного действия для кругового процесса?

22. Обратимый и необратимый процессы.

23. Понятие энтропии. Неравенство Клаузиуса.

24. Изменение энтропии в процессах идеального газа.

25. Термодинамическая вероятность. Формула Больцмана.

26. Второе начало термодинамики.

литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2001. Гл.18, §§ 140-148.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000. Гл.27-28, §§ 27.1-28.2.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.1

ТЕОРЕМА ОСТРОГРАДСКОГО - ГАУССА ДЛЯ

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВАКУУМЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

· Знакомство с графическим моделированием электростатических полей.

· Экспериментальная проверка теоремы Остроградского-Гаусса.

· Экспериментальное определение величины электрической постоянной.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Рассмотрите внимательно схему опыта и зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.

Рис. 1

Как известно, электростатическое поле в вакууме изотропное. Следовательно, количество силовых линий, пересекающих произвольную замкнутую поверхность, содержащую внутри себя электрические заряды, будет пропорционально количеству силовых линий, пересекающих замкнутый контур, ограничивающий площадь сечения, в которой находятся электрические заряды этой замкнутой поверхности.

Такое допущение даёт возможность привести в количественное соответствие реальное трёхмерное электростатическое поле с его графической интерпретацией в плоской компьютерной модели, которая показана на рис. 1. Для этого определим число силовых линий Ф, которые фактически должны пересекать произвольную замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд q = 1мкКл. По теореме Остроградского-Гаусса имеем:

.

Откройте окно опыта. В нижнем правом прямоугольнике «Конфигурация» щёлкните мышью на кнопке «Один заряд». Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора величины заряда и установите значение q₁ = +1мкКл. Подсчитайте число силовых линий, выходящих из заряда. Их должно быть 6. Следовательно, силовая линия в плоской компьютерной модели опыта соответствует N = линиям реального трёхмерного кулоновского поля. На основании таких допущений и оценок создаётся возможность экспериментальной проверки теоремы Остроградского-Гаусса с помощью графического компьютерного моделирования электростатических полей в данной лабораторной работе.

ЭКСПЕРИМЕНТ 1. (Постоянное пространственное распределение переменного заряда внутри замкнутой поверхности)

1. В нижнем правом прямоугольнике «Конфигурация» нажмите мышью кнопку «Два заряда».

2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора первого заряда до установления значения, указанного в табл. 1 для вашей бригады.

3. Аналогичным образом установите заданное в табл.1 расстояние d между зарядами.

4. Установите мышью на кнопке «Силовые линии» флажок.

5. Установите величину второго заряда 0 и подсчитайте число силовых линий Ф₊ выходящих и Ф_- входящих через границы замкнутого контура, которым в нашем опыте будет являться прямоугольная рамка окна опыта. При этом внимательно смотрите за направлением стрелок на силовых линиях поля. Запишите эти данные и разность Ф = Ф₊ - Ф_- в таблицу 2.

6. Последовательно устанавливайте заряды: q₂ = +1, +2, +3, +4, +5мкКл и выполните п.5 ещё 5 раз.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2. (Переменное пространственное распределение постоянного заряда внутри замкнутой поверхности)

1. Установите значения q₁ и q₂ соответствующие значениям, указанным в таблице 1 для вашей бригады.

2. Установите также минимальное расстояние между зарядами d = 2м и на экране окна эксперимента, подсчётом определите числа Ф₊ , Ф_- и Ф.

3. Последовательно увеличивая расстояние между зарядами с шагом 0,5м, выполните п. 2 ещё 6 раз.

4. Результаты измерений запишите в табл. 3.

Таблица 1 - Установочные значения физических параметров для проведения экспериментов

Бригады
ЭКСПЕРИМЕНТ 1
q1,мкКл	-1	-2	-3	-4	-5	-4	-3	-2
d, м
ЭКСПЕРИМЕНТ 2
q1,мкКл	-5	-5	-5	-5	-5	-4	-4	-4
q2,мкКл	+1	+2	+3	+4	+5	+4	+3	+2

Таблица 2 - Результаты измерений в эксперименте 1

q₁ = _____ d =_____

q2 = 0 мкКЛ

q2 = +1 мкКЛ

q2 = +2 мкКЛ

q2 = +3 мкКЛ

q2 = +4 мкКЛ

q2 = +5 мкКЛ

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Таблица 3 - Результаты измерений в эксперименте 2.

q₁ = _____ q₂ = ______

d =2м

d = 3м

d = 4м

d = 5м

d =4,5 м

d =3,5 м

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

Ф+

Ф-

Ф

ОБРАБОТКА РЕЗУЛ ЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА

1. Постройте по данным табл.2 график зависимости потока вектора напряжённости Ф от величины заряда q.

2. По котангенсу угла наклона графика и используя теорему Гаусса, определите электрическую постоянную e₀ .

3. По данным, приведённым в табл.3, постройте график зависимости потока вектора напряжённости Ф от расстояния между зарядами d.

4. По построенным графикам сделайте анализ результатов и оцените погрешность проведённых измерений.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое электрическое поле (ЭП)?

2. Какие поля называют электростатическими?

3. Назовите источники ЭП.

4. Перечислите и разъясните основные свойства заряда.

5. Какая сила действует между зарядами? Запишите закон Кулона.

6. Что такое линейная, поверхностная и объемная плотность зарядов.

7. Что такое напряжённость электростатического поля?

8. Как определяется направление вектора напряжённости?

9. Дайте определение линии напряженности ЭП. Зачем их рисуют?

10. Какая линия называется силовой? Почему они не могу пересекаться?

11. Запишите формулу для напряженности поля точечного заряда.

12. Сформулируйте принцип суперпозиции для ЭП.

13. Что такое поток вектора напряжённости?

14. Сформулируйте и запишите теорему Гаусса для ЭП.

15. Теорема о циркуляции вектора напряженности электростатического поля.

16. Что такое потенциал ЭП?

17. Запишите формулу для потенциала поля точечного заряда.

18. Сформулируйте и запишите принцип суперпозиции потенциалов.

19. Какая линия называется эквипотенциальной?

20. От чего зависит густота силовых и эквипотенциальных линий?

21. В чём заключается физический смысл теоремы Остроградского-Гаусса?

22. Что такое электрический диполь и электрический момент диполя?

23. Рассчитайте, используя теорему Гаусса, поле электрического диполя.

24. Рассчитайте, используя теорему Гаусса, поле равномерно заряженной бесконечной плоскости.

25. Рассчитайте, используя теорему Гаусса, поле равномерно заряженной сферической поверхности.

26. Рассчитайте, используя теорему Гаусса, поле объёмно заряженного шара.

27. Рассчитайте, используя теорему Гаусса, поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити).

Литература

9. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Таисия Ивановна Трофимова. – 11-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 560 с.

10. Детлаф А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский – М.: Высшая школа, 2005.

11.Грабовский Р.И. Курс физики: учеб. пособие. / Р.И. Грабовский – 11-е изд. стер. - Спб.: Издательство "Лань", 2009. - 608 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.2

ИССЛЕДОВНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ И К.П.Д. ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

· Знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока.

· Исследование зависимости мощности и к.п.д. источника постоянного тока от сопротивления внешней цепи.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ:

, (1)

I- сила тока в цепи; Θ- электродвижущая сила источника тока, включённого в цепь; R- сопротивление внешней цепи; r- внутреннее сопротивление источника тока.

МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ:

. (2)

Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании цепи (R®0) и при R® эта мощность равна нулю. При всех других конечных значениях R мощность Р₁> 0. Следовательно, функция Р₁ имеет максимум. Значение R₀, соответствующее максимальной мощности, можно получить, дифференцируя Р₁ по R и приравнивая первую производную к нулю:

. (3)

Из формулы (3), с учётом того, что R и r всегда положительны, а Θ ¹ 0, после несложных алгебраических преобразований получим:

R₀ = r. (4)

Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения при сопротивлении внешней цепи равном внутреннему сопротивлению источника тока.

При этом сила тока в цепи

(5)

равна половине тока короткого замыкания. При этом мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного

. (6)

Когда источник замкнут на внешнее сопротивление, то ток протекает и внутри источника и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Мощность, затрачиваемая на выделение этого тепла равна

. (7)

Следовательно, полная мощность, выделяемая во всей цепи , определится формулой

= I²(R+r) = IΘ (8)

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ источника тока равен

. (9)

Из формулы (8) следует, что

, (10)

т.е. Р₁ изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при . Первое значение соответствует разомкнутой цепи ( R>> r ), второе – короткому замыканию ( R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид

(11)

Таким образом, к.п.д. достигает наибольшего значения h =1 в случае разомкнутой цепи (I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.

Рис. 1

1. Соберите на экране цепь, показанную на рис. 1. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.

2. Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку в нижней части экрана) и амперметр (кнопка там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр , измеряющий напряжение на нагрузке.

3. Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.

4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой . Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашей бригады.

Таблица 1 - Исходные параметры электрической цепи

Номер бригады
Е, В	10,0	9,5	9,0	8,5	8,0	8,5	9,0	9,5
r, Ом	4,8	5,7	6,6	7,5	6,4	7,3	8,2	9,1

5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.

6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показан63

ия электроизмерительных приборов в таблицу 2.

7. Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) Р₁, Р₂, Р_полн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.

8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P₁ = f(R), P₂ = f(R), P_полн=f(R), h = f (R) и U = f(R).

9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.

Таблица 2 - Результаты измерений и расчётов

R, Ом	2,0	2,5	3,0	…
U, В
I, А
P1, Вт
P2, Вт
Pполн, Вт
h

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое электрический ток?

2. Дайте определение силы тока.

3. Что принимают за направлениетока?

4. Что такое плотность тока?

5. Что необходимо для возникновения и существования электрического тока?

6. Дайте определение сторонних сил. Какова их природа?

7. Что такое ЭДС?

8. Что такое однородный и неоднородный участок цепи?

9. Что такое напряжение?

10. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи.

11. Что такое сопротивление? Дайте определение полного сопротивления цепи.

12. Какие существуют два способа соединения проводников?

13. Почему ток, при прохождении через проводник, нагревает его?

14. Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.

15. Как изменяется сопротивление при нагревании проводников?

16. Как найти общее сопротивление при параллельном и последовательном соединении проводников?

17. Сформулируйте закон Ома для неоднородного участка цепи.

18. Дайте определение узлу, ветви и контуру.

19. Что такое разветвленная электрическая цепь?

20. Сформулируйте первое и второе правило Кирхгофа для разветвленной электрической цепи.

21. Что такое ток короткого замыкания?

22. Что такое полная мощность?

23. Как вычисляется к.п.д. источника тока?

24. Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Таисия Ивановна Трофимова. – 11-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 560 с.

2. Детлаф А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский – М.: Высшая школа, 2005.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.3

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

· Знакомство с моделированием магнитного поля от различных источников.

· Экспериментальное подтверждение закономерностей для магнитного поля прямого провода и кругового витка (контура) с током.

· Экспериментальное определение величины магнитной постоянной.