Лабораторна робота № 1. 2. Визначення динамічної в’язкості рідини методом стокса

Ф І З И К А

 

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

 

БАЗОВИЙ ЦИКЛ

Рекомендовано науково-методичною радою

Київського національного університету будівництва і архітектури

як навчальний посібник для студентів усіх напрямів підготовки

 

Видання третє, виправлене і доповнене

 

 

Київ 2012

УДК: 53(075)

ББК 22.3я7

Ф50

 

 

Автори: В.І. Клапченко, І.О. Азнаурян, Н.Б. Бурдейна,
Ю.І. Григораш, В.Б. Долгошей, В.Є. Дугінов,
О.Ю. Колесник, Г.Ю. Краснянський, Г.В. Кучерова, О.В. Панова, С.М. Пономаренко, Г.Д. Потапенко, В.І. Тарасевич, Ф.Є. Хлистун, О.О. Худенко,
О.М. Бесараб

Рецензент: І.К. Коваль, доктор фіз.-мат. наук, професор кафедри фізики та астрономії Чернігівського національного педуніверситету, заслужений діяч науки та техніки

Л.Є. Пелевін, канд. техн. наук, професор кафедри будівельних машин

 

Рекомендовано науково-методичною радою Київського національного університету будівництва і архітектури, протокол № 8 від 21 червня 2011 року.

 

Фізика. Лабораторний практикум. Базовий цикл: навчальний посіб-

Ф50 ник / В.І. Клапченко та ін.; за заг. ред. В.І. Клапченка. – К.: КНУБА, 2012. – 168 с.

 

Посібник містить теоретичний матеріал до лабораторних робіт, методичні вказівки щодо їхнього виконання, а також контрольні запитання.

Мета навчального посібника – допомогти студентам у підготовці, виконанні, оформленні та захисті лабораторних робіт
базового практикуму.

Призначено для студентів усіх напрямів підготовки КНУБА.

 

 

УДК: 53(075)

ББК 22.3я7

 

©В.І. Клапченко, І.О. Азнаурян,

Н.Б. Бурдейна та ін., 2012

© КНУБА, 2012

Зміст

 

ВСТУП..................................................................................................... 5

Модуль 1. Механіка................................................................................ 7

Лабораторна робота № 1.1. ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ СИСТЕМИ ВІД РОЗПОДІЛУ ЇЇ МАСИ ВІДНОСНО ОСІ ОБЕРТАННЯ.................................. 7

Лабораторна робота № 1.2. ВИЗНАЧЕННЯ ДИНАМІЧНОЇ В’ЯЗКОСТІ РІДИНИ МЕТОДОМ СТОКСА.................................................................................................................... 11

Лабораторна робота № 1.3. Вивчення закономірностей руху маятника Максвела та визначення його моменту інерції................. 15

Лабораторна робота № 1.4. Вимірювання пружних характеристик МАТЕРІАЛІВ...................................................................................................................................... 21

Лабораторна робота № 1.5. Визначення КОЕФІЦІЄНТА ТЕРТЯ КОЧЕННЯ 26

Лабораторна робота № 1.6. ВИЗНАЧЕННЯ швидкості кулі
за допомогою балістичного маятника.................................... 31

Модуль 2. Молекулярна фізика.......................................................... 34

Лабораторна робота № 2.1. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИН МЕТОДОМ
ВІДРИВУ КІЛЬЦЯ.................................................................................................. 34

Лабораторна робота № 2.2. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМУ................... 38

Лабораторна робота № 2.3. ПЕРЕВІРКА ОСНОВНИХ ГАЗОВИХ ЗАКОНІВ 43

Лабораторна робота № 2.4. Визначення C_p/C_V для повітря методом Клемана – Дезорма................................................................................................................. 47

Лабораторна робота № 2.5. Визначення температурного коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл.......................................................................... 53

Модуль 3. Електрика та магнетизм................................................... 58

Лабораторна робота № 3.1. Вивчення розподілу потенціалу електростатичного поля.......................................................................................................................... 58

Лабораторна робота № 3.2. ВИЗНАЧЕННЯ ОПОРУ ПРОВІДНИКА
ЗА ДОПОМОГОЮ АМПЕРМЕТРА І ВОЛЬТМЕТРА....................... 63

Лабораторна робота № 3.3. ГРАДУЮВАННЯ гальванометра........... 68

Лабораторна робота № 3.4. ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАРИ....................... 74

Лабораторна робота № 3.5. ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДОВОЇ ІНДУКЦІЇ ТА НАПРУЖЕНОСТІ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ......................................... 78

Лабораторна робота № 3.6. ВИВЧЕННЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ КОРОТКОГО СОЛЕНОЇДА 83

Лабораторна робота № 3.7. Визначення питомого заряду електрона методом схрещених полів........................................................................................... 88

Лабораторна робота № 3.8. Визначення ККД трансформатора.. 92

Лабораторна робота № 3.9. ВИЗНАЧЕННЯ ІНДУКТИВНОСТІ
КОТУШКИ І ДРОСЕЛЯ........................................................................................ 96

Модуль 4. Коливальні та хвильові процеси. Оптика.................... 100

Лабораторна робота № 4.1. Визначення параметрів згасання коливань фізичного маятника................................................................................ 100

Лабораторна робота № 4.2. Дослідження резонансних характеристик коливального контуру.......................................................................... 105

Лабораторна робота № 4.3. ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ ЗВУКУ
В ПОВІТРІ МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ХВИЛЬ................................................. 111

Лабораторна робота № 4.4. Вивчення роботи релаксаційного
генератора....................................................................................................... 115

Лабораторна робота № 5.1. ВИЗНАЧЕННЯ ДОВЖИНИ СВІТЛОВОЇ ХВИЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ БІПРИЗМИ ФРЕНЕЛЯ......................................................... 121

Лабораторна робота № 5.2. ВИЗНАЧЕННЯ ДОВЖИНИ СВІТЛОВОЇ ХВИЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ ДИФРАКЦІЙНОЇ РЕШІТКИ............................................................................. 126

Лабораторна робота № 5.3. ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛЯРИЗОВАНОГО СВІТЛА 131

Модуль 5. Фізичні основи квантової та ядерної фізики................ 134

Лабораторна робота № 5.6. ВИЗНАЧЕННЯ РОБОТИ ВИХОДУ ЕЛЕКТРОНА З МЕТАЛІВ МЕТОДОМ ГАЛЬМУВАННЯ ФОТОЕЛЕКТРОНІВ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ 134

Лабораторна робота № 6.1. ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ШИРИНИ
ЗАБОРОНЕНОЇ ЗОНИ НАПІВПРОВІДНИКА............................................ 138

Лабораторна робота № 6.2. Вимірювання ВОЛЬТ-АМПЕРНОЇ
ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ВИПРЯМЛЯЧА.. 145

Лабораторна робота № 6.3. ВИМІРЮВАННЯ СВІТЛОВОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЕЛЕМЕНТА....................................................... 150

Лабораторна робота № 7.1. ВИЗНАЧЕННЯ АКТИВНОСТІ РАДІОАКТИВНОГО ПРЕПАРАТУ.................................................................................................................................... 154

Лабораторна робота № 7.2. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОГЛИНАННЯ РАДІОАКТИВНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
РІЗНИМИ МАТЕРІАЛАМИ.............................................................................. 161

Список літератури..................................................................... 166

ДОДАТОК............................................................................................ 167

Вступ

 

Фізичному практикуму належить чільне місце у підготовці майбутніх фахівців – інженерів і технологів. Він, з одного боку, спрямований на більш глибоке засвоєння основних фізичних закономірностей, а з другого – допомагає майбутнім фахівцям набути навичок експериментування. Фізичний практикум є своєрідним вступом до подальшої самостійної роботи студентів.

У посібнику узагальнено багаторічний досвід проведення лабораторних робіт викладачами кафедри фізики КНУБА та вміщено нововведення, зумовлені потребами часу. На відміну від попередніх видань, таких як “Методичні вказівки” до виконання окремих лабораторних робіт [3–6], “Фізичний практикум” [7] 1999 р. та “Фізика. Лабораторний практикум” [8] 2006 р., даний посібник присвячений базовому практикуму, який не менш ніж на 90 % виконують студенти всіх спеціальностей, так чи інакше пов’язаних з будівельним виробництвом.

У пропонованому виданні відображено роботу з організаційно-методичного удосконалення дидактичних матеріалів та робочої програми з фізики згідно з вимогами Болонського процесу. Усі лабораторні роботи базового циклу, наведені в посібнику, згруповано в п’ять мікроциклів відповідно до уніфікованої робочої програми з фізики, яка складається з п’ятьох основних навчальних модулів. Розподіл робіт за мікроциклами відображено в табл. 1. Подібний розподіл характерний і для всіх інших видів навчальної роботи з фізики, зокрема для практичних занять та виконання індивідуальних контрольних робіт. Підготовлений та виданий у 2010 році посібник «Фізика. Збірник задач», в якому наведено методичні вказівки до розв’язування та оформлення задач, а також завдання для індивідуальних контрольних робіт, має аналогічну модульну структуру.

Таблиця 1

Номер модуля	Назва модуля	Номер мікроциклу	Номери лабораторних робіт	Максим. кількість
1.	Механіка	МЦ1	№1.1-1.6
2.	Молекулярна фізика	МЦ2	№2.1-2.5
3.	Електрика та магнетизм	МЦ3	№3.1-3.9
4.	Коливальні та хвильові процеси. Оптика	МЦ4	№4.1-4.4; 5.1-5.3
5.	Основи квантової фізики та фізики ядра	МЦ5	№5.6;6.1-6.3;7.1-7.2

Таким чином, технологією навчального процесу з курсу «Фізика» передбачено таке: паралельно з лекційним курсом за тематикою певного модуля відбуваються практичні заняття з розв’язування задач і виконання індивідуальної контрольної роботи з цього модуля, а також виконання лабораторних робіт з мікроциклу, присвяченого даному модулю. Номери лабораторних робіт, обов’язкові для виконання студентом в мікроциклі, визначає лектор, який до початку лабораторних занять повідомляє студентам повний список робіт.

Для підвищення якості навчальної роботи під час виконання лабораторних робіт студентам рекомендується проводити підготовку теоретичного матеріалу одразу до всіх робіт, внесених до списку мікроциклу. Крім того, викладачам, які ведуть лабораторний практикум, слід звернути увагу студентів на те, що потрібні для розуміння фізичної суті роботи поняття, терміни, явища, рівняння та закони в посібнику виділено курсивом. А їхні визначення можна знайти: а) в межах коротких теоретичних відомостей до роботи; б) у межах коротких теоретичних відомостей до інших робіт мікроциклу (там уміщено відповідні посилання); в) в підручнику чи конспекті лекцій з даного модуля.

Якість та повноту підготовки теоретичного матеріалу легко перевірити за допомогою контрольних запитань, наведених наприкінці кожної роботи.

 

Модуль 1. Механіка

 

Лабораторна робота № 1.1. ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ МОМЕНТУ ІНЕРЦІЇ СИСТЕМИ ВІД РОЗПОДІЛУ ЇЇ МАСИ ВІДНОСНО ОСІ
ОБЕРТАННЯ

Мета роботи: засвоїти основний закон динаміки обертального руху; виявити залежність моменту інерції системи від рівномірного розподілу її маси відносно осі обертання; ознайомитись з методом екстраполяції.

 

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: обертальний рух абсолютно твердого тіла; кутова швидкість та кутове прискорення, їхній зв’язок з лінійною швидкістю та лінійним прискоренням; момент сили; момент інерції та закон динаміки обертального руху абсолютно твердого тіла відносно нерухомої осі.

Література: [ 1, т.1 §§ 1.2–1.5, 2.2–2.5, 2.9, 4.1–4.3; 2, §§ 1–7, 16, 18; 3, §§ 1.1–1.4, 2.2, 2.5, 2.7, 2.16; 4, т.1 §§ 1, 3, 4, 7–9, 11, 13, 29, 39; 6, §§ 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.3.3; 7, §§ 1.1.1 – 1.1.3, 1.2.1, 1.2.3, 1.2.5, 1.3.1, 1.3.3, 1.3.5]

 

У лабораторній роботі застосовують непрямий метод визначення моменту інерції системи, що ґрунтується на законі динаміки обертального руху:

, (1.1.1)

де − кутове прискорення системи, − момент сили, − момент інерції.

Момент інерції абсолютно твердого тіла відносно нерухомої осі є скалярною фізичною величиною, яка дорівнює алгебраїчній сумі добутків мас всіх його елементарних точок на квадрат їхніх найкоротших відстаней до осі обертання та є величиною адитивною:

. (1.1.2)

Рис. 1.1.1

m 1

m 1

m 1

m 1

r

R

h

m

O

Роботу виконують на установці (рис. 1.1.1), що складається з хрестовини, жорстко зв’язаної з блоком радіусом . На хрестовині можуть закріплюватись на різних відстанях R від осі обертання чотири тягарці m ₁. На блок намотується нитка, один кінець якої закріплений на блоці, а до іншого прив’язано вантаж масою m. Коли описаній системі тіл дати свободу, вантаж m почне опускатися, а блок з хрестовиною i тягарцями − обертатися навколо нерухомої осі. На вантаж діють сила тяжіння i сила натягу нитки. Під дією цих сил вантаж рухатиметься зі сталим прискоренням. Обертання блока, якщо знехтувати тертям на осі, викликає момент сили , модуль якої, за третім законом Ньютона, дорівнює модулю сили . Плечем сили буде радіус блока , тому момент сили:

. (1.1.3)

Для визначення сили F ^/= F записують динамічне рівняння руху вантажу m. Використовуючи зв’язок кутового прискорення b з лінійним прискоренням i виражаючи останнє через висоту h i час опускання вантажу , з (1.1.1) відповідно до (1.1.3) можна одержати формулу для визначення моменту інерції системи тіл, що обертаються:

. (1.1.4)

Оскільки величина (у чому можна переконатися безпосередніми підрахунками), то формула (1.1.4) набуває простішого вигляду:

. (1.1.5)

Момент інерції системи J складається з моменту інерції блока з хрестовиною J ₀ i моменту інерції J ^/ тягарців m ₁, закріплених на хрестовині. Якщо вважати тягарці точковими масами, у разі їхнього симетричного розташування відносно осі обертання можна записати:

, (1.1.6)

де R – відстань тягарців від осі обертання.

J, кг×м^2

R ^2, м^2

J 0

Рис. 1.1.2

З (1.1.6) випливає лінійна залежність між J та R ². Визначивши момент інерції системи для різних значень R, можна побудувати графік залежності J = f (R ²) та методом екстраполяції отримати значення моменту інерції блока з хрестовиною J ₀. Приклад побудови такої залежності наведено на рис. 1.1.2.

Екстраполяція, екстраполювання (від лат. exstra і рolio – пригладжую, виправляю, змінюю) – особливий тип апроксимації, коли функція проксимується поза заданим інтервалом, а не між заданими значеннями. Тобто екстраполяція – це наближене визначення значень функції f (x) в точках x, що лежать поза відрізком [ x ₀, x _n], за її значенням в точках x ₀ < x ₁ <... < x _n. У статистиці екстраполяція – це поширення встановлених у минулому тенденцій на майбутній період (екстраполяція у часі застосовується для перспективних розрахунків чисельності населення); поширення вибіркових даних на іншу частину сукупності, не піддану спостереженню (екстраполяція в просторі).

Для більш точного вимірювання часу опускання вантажу в установці використовують електронний секундомір, який фіксує тривалість руху.

 

Порядок виконання роботи

1. Встановити тягарці m ₁ на максимальній i однаковій відстані R від осі обертання.

2. Намотуючи нитку на блок, підняти вантаж m на висоту h i зупинити, зафіксувавши хрестовину.

3. Відпустити хрестовину i виміряти час опускання вантажу. Дослід повторити тричі i знайти середнє значення часу опускання вантажу m.

4. Розрахувати значення моменту інерції J, підставляючи у формулу (1.1.5) середнє значення часу.

5. Проробити пп. 1-4 для кількох різних положень тягарців відносно осі обертання. Результати вимірювання i обчислення записати до табл. 1.1.1.

6. Побудувати графік залежності J від R ² (рис. 1.1.2) i методом екстраполяції визначити J ₀.

7. Визначити похибки вимірювання J (див. [8], гл. І, розділ 3).

8. Визначити масу тягарця m ₁, закріпленого на хрестовині.

9. Обчислити за формулою (1.1.6) моменти інерції J, скориставшись знайденими за графіком значеннями J ₀, величиною m ₁ та виміряними значеннями відстані R.

10. Одержані за формулою (1.1.6) значення моментів інерції J відобразити на графіку залежності J від R ².

 

Таблиця 1.1.1

№ пор.	R, м	r, м	m, кг	h, м	t, с	<t>, с	J, кг×м^2	R ^2, м	J 0, кг×м^2

Контрольні запитання

1. Дайте визначення механічного руху; поступального і обертального рухів.

2. Яке тіло називають абсолютно твердим?

3. Дайте визначення таким фізичним величинам: переміщення, шлях, швидкість, прискорення.

4. Дайте визначення таким фізичним величинам: кутова швидкість, кутове прискорення. Як обирають напрям цих векторів.

5. Запишіть формули зв’язку між лінійними та кутовими величинами під час руху по колу.

6. Дайте визначення нормального і тангенціального прискорень.

7. Сформулюйте закони Ньютона.

8. Запишіть основний закон динаміки обертального руху.

9. Дайте визначення моменту сили відносно нерухомої точки О. Як визначається напрямок цього моменту сили?

10. Дайте визначення моменту сили відносно нерухомої осі Оz.

11. Що називають моментом інерції точки (тіла або системи точок) відносно осі обертання?

12. Виведіть робочу формулу для розрахунку моменту інерції (1.1.5).

13. Сформулюйте теорему Штейнера.

Порядок виконання роботи

1. За допомогою штангенциркуля виміряти діаметр осі маятника d, диска D _д і зовнішній діаметр кільця D _к. Результати вимірювань записати в табл. 1.3.1.

2. Вписати значення мас осі , диска та кільця , вказані на частинах маятника, до табл. 1.3.1.

3. Розрахувати момент інерції маятника за формулою (1.3.13). Результат записати до табл. 1.3.1.

Таблиця 1.3.1
, кг	, кг	, кг	J t, кг^.м^2
d, м	D д , м	D к , м

 

4. Увімкнути прилад в мережу.

5. Встановити нульові показник секундоміра, натиснувши кнопку «S».

6. Перевірити стійкість приладу. Відрегулювати положення підставки (рис. 1.3.2) за допомогою ніжок опор 2, а також нижній кронштейн 5 так, щоб диск 9 на біфілярному підвісі перебував в центрі вікна фотодатчика 6.

7. Накласти кільце на диск. Установити потрібну довжину біфілярного підвісу так, щоб нижній край кільця маятника опинився на рівні оптичної осі фотодатчика. При цьому вісь маятника повинна зайняти горизонтальне положення.

8. Визначити за допомогою лінійки хід маятника h (відстань між положеннями центру мас маятника в найвищій та найнижчій точках). Для цього слід олівцем зробити позначку на стійці, яка вказує на положення центра мас маятника в найнижчій точці. Далі, акуратно обертаючи маятник, зафіксувати його у верхньому положенні і позначити положення центра мас в найвищій точці. Результати записати до табл. 1.3.2.

9. Перевести вмикач у положення «Увімкнено» для фіксації маятника у верхньому положенні за допомогою електромагніта 7.

10. Натиснути на кнопку «Пуск». Відбудеться вимикання електромагніта, маятник опускатиметься, а секундомір почне відлік часу. Після першого перетину маятником оптичної осі фотодатчика відлік часу припиниться.

11. Одразу після цього перевести вмикач у положення «Вимкнено».

12. Записати показники таймера, тобто час руху вантажу τ, до табл. 1.3.2. Скинути показники секундоміра, натиснувши кнопку «S».

13. Дослід повторити 3 рази.

14. Обчислити середній час <τ>.

15. За формулою (1.3.8) розрахувати момент інерції маятника. Результат обчислення записати до табл. 1.3.2.

16. Порівняти одержані значення моментів інерції, знайдених експериментально J (1.3.8) та за розрахунком J_t (1.3.13).

 

Таблиця 1.3.2
№	m, кг	d, м	h, м	τ, с	<τ>, с	J, кг^.м^2

 

Контрольні запитання

 

1. Що являє собою маятник Максвелла? Який рух він здійснює?

2. Що називають моментом інерції точки (тіла або системи точок) відносно осі обертання?

3. Сформулюйте закон збереження механічної енергії.

4. Як визначається кінетична енергія поступального та обертального руху абсолютно твердого тіла?

5. Який рух називають плоским рухом абсолютно твердого тіла?

6. На основі закону збереження енергії отримайте формулу для визначення моменту інерції маятника Максвелла.

7. Як розрахувати момент інерції маятника Максвелла, відповідно до його геометричних розмірів?

8. Виведіть формулу для визначення моменту інерції маятника Максвелла на підставі законів динаміки поступального та обертального руху абсолютно твердого тіла.

 

Лабораторна робота № 1.4. Вимірювання пружних
характеристик МАТЕРІАЛІВ

 

Мета роботи: дослідити закономірності пружної деформації твердих тіл; визначити залежність деформації стального дроту від діючої сили та обчислити модуль Юнга.

 

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися із лабораторною установкою (рис. 1.4.3).

2. Виміряти за допомогою мікрометра діаметр та за допомогою лінійки довжину дроту до позначки на ньому.

3. Записати видовження дроту за показниками індикатора переміщення годинникового типу до навантаження (тобто без тягарців на платформі С).

4. Покласти на платформу С перший тягарець із набору тягарців Р та записати його масу і показники індикатора переміщення годинникового типу .

5. Поступово додати решту тягарців, виконуючи п.4 для кожного з них.

6. Отримані експериментальні дані записати до табл. 1.4.1.

7. Побудувати графік залежності видовження дроту від маситягарців m та визначити тангенс кута нахилу цієї залежності, тобто знайти відношення .

8. Розрахувати величину модуля Юнга Е за результатами досліду, використовуючи для цього формулу (1.4.3).

9. Визначити похибки вимірювання Е (див. [8], гл. І, розділ 3).

10. Порівняти отримане значення модуля Юнга Е з табличним його значенням для цього ж матеріалу.

Таблиця 1.4.1

№ п/п	, м	, м	m, кг	, м	, м/кг	E, 10^9 Па	E табл., 10^9 Па

Контрольні запитання

1. Що називають деформацією твердого тіла?

2. Якою є залежність між видовженням тіла та прикладеним зусиллям?

3. Охарактеризуйте основні види деформації.

4. Що таке залишкова деформація?

5. Що таке відносна деформація?

6. Що таке межа пружності?

7. Сформулюйте та запишіть закон Гука.

8. Які умови застосовності закону Гука?

9. Фізичний зміст модуля Юнга. Розмірність модуля Юнга.

10. Що таке деформація зсуву?

11. Виведіть робочу формулу для розрахунку модуля Юнга (1.4.3).

12. Які ще методи вимірювання модуля Юнга вам відомі?

Порядок виконання роботи

1. Вибрати для дослідження комплект, що складається із металевої пластини і кульки. Встановити пластину в напрямні пази похилої площини.

2. Вибрати і встановити кут нахилу площини коливань похилого маятника α (α =20°; α =30°; α =40°; α =50°; α =60°; встановити послідовно).

3. Відхилити маятник від положення рівноваги на кут β₀ = 12°÷13° (відхиляємо завжди на однаковий кут). Відпустити маятник і полічити кількість повних коливань n маятника за час досліду. Коливання маятника згасають, тому за зниження кутової амплітуди до β _n = 2° рахунок n припинити. Число повних коливань n записати до табл. 1.5.1.

4. Кожен дослід з визначення n для конкретного значення α повторити 3 рази. Визначити середнє значення n _сер і записати до табл. 1.5.1.

5. Виміряти штангенциркулем діаметр кульки маятника і визначити D.

6. Значення кутів β₀ ; β _n перевести в радіанну міру за формулою:

.

7. Коефіцієнт тертя кочення для отриманого значення n_сер розрахувати за формулою:

8. Вибрати новий кут нахилу площини похилого маятника і повторити п. 3–8.

9. Оскільки результат обчислень коефіцієнта залежить від похибок підрахунку n _сер, необхідно накреслити графік залежності n _сер = f (tgα). Для цього позначити експериментальні точки з табл. 1.5.1 і за їхнім положенням провести пряму лінію для графічного усереднення отриманих результатів (рис. 1.5.4).

10. На початку та наприкінці графіка (рис. 1.5.4) вибрати дві точки 1 і 2, спроектувати точки на осі n _сер і tgα і отримати по два значення координат,(n _сер1; n _сер2) і відповідно (tgα₁; tgα₂). Розрахувати значення μ_к за формулою:

Таблиця 1.5.1

α,град	tg α	n	n сер	β0 град	β n град	β0 рад	β n рад	D, м	μк, м

 

Контрольні запитання

1. Що називається тертям? Назвіть відомі вам види тертя.

2. Що називається силою тертя? Поясніть природу цієї сили.

3. Як встановити напрям вектора сили тертя?

4. Поясніть виникнення сили тертя кочення під час руху тіла без проковзування.

5. Якою є умова кочення тіла без ковзання?

6. Що називається коефіцієнтом тертя ковзання? Яка його розмірність?

7. Що називається коефіцієнтом тертя кочення? Яка його розмірність?

8. Опишіть метод вимірювання коефіцієнта тертя кочення в установці похилого маятника.

9. Як вивести формулу для розрахунку коефіцієнта тертя кочення в цій лабораторній роботі?

10. Які фактори впливають на величину коефіцієнта тертя кочення?

Лабораторна робота № 1.6. ВИЗНАЧЕННЯ швидкості кулі
за допомогою балістичного маятника

 

Мета роботи: вивчити основні поняття та закони кінематики поступального руху; закон збереження імпульсу; закон збереження енергії за поступального руху; практично визначити швидкість кулі.

 

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: система відліку, траєкторія, шлях і переміщення; швидкість і прискорення; збереження імпульсу та енергії в механіці; абсолютно пружний та непружний удар.

Література: [ 1. т.1 §§ 1.1–1.4; 2.5; 3.3 – 3.5; 3.7. 2. §§ 1–4; 9; 13;15. 4. т.1 §§ 1; 3; 4; 19; 21; 24; 27; 28; 6, §§ 2.2.1, 2.2.2, 2.3.2, 2.5.3; 7, §§ 1.2, 1.3, 1.4].

 

Перед виконанням ознайомитись з вказівками до роботи № 1.3.

Балістичний маятник являє собою масивне тіло симетричних розмірів, підвішене на довгих нерозтяжних нитках довжиною (рис. 1.6.1). Принцип дії такого пристрою для визначення швидкості кулі ґрунтується на тому, що куля масою , яка летить горизонтально зі швидкістю , влучає в масивне тіло масою і застрягає в тілі. Розглядаємо взаємодію кулі з тілом, застосовуючи принцип абсолютно непружного удару. В результаті взаємодії тіл утворюється складне тіло масою , яке починає рухається з швидкістю .

Для визначення швидкості кулі скористаємося законом збереження імпульсу для непружного удару:

(1.6.1)

Запишемо рівняння закону збереження енергії складного тіла , яке утворилось в процесі непружної взаємодії. Унаслідок руху складного тіла зі швидкістю його кінетична енергія перетворюється на потенціальну енергію на висоті (рис. 1.6.1).

. (1.6.2)

Висоту підйому можна виразити через довжину нитки (рис. 1.6.1):

, (1.6.3)

де – кут, на який відхиляється підвіс маятника після влучення кулі.

Після чого з рівнянь (1.6.1) та (1.6.3) визначається швидкість початкового руху тіла :

. (1.6.3)

З рівняння закону збереження імпульсу для непружного удару (1.6.1), врахувавши (1.6.3), знайдемо швидкість , з якою летіла куля:

, (1.6.4)

де – маса тіла, яка складається з суми мас мішені та підвісу
(); – маса кулі; – довжина підвісу маятника; – прискорення вільного падіння.

Отже, виконання роботи зводиться до вимірювання кута після пострілу та розрахунку швидкості за формулою (1.6.4).

 

Порядок виконання роботи

1. Дотримуючись правил техніки безпеки, встановити прилад, який копіює балістичний маятник. Техніка безпеки стосується встановлення приладу таким чином, щоб в напрямку польоту кулі не могли опинитися люди.

2. Встановити пристрій для проведення прицільного пострілу.

3. Визначити значення маси кулі ; маси тіла та довжини нитки (вимірюються перед початком досліду або задаються викладачем). Усі дані записати в табл. 1.6.1.

4. Зробити постріл і виміряти кут .

5. Розрахувати значення швидкості за формулою (1.6.4) і записати в табл. 1.6.1.

6. Дослід повторити декілька разів ().

7. Розрахувати середнє значення швидкість руху кулі за формулою:

.

Таблиця 1.6.1

Довжина нитки , м	Маса тіла, M, г	Маса кулі , г	Значення кута , градус	Швидкість кулі , м/с	Середнє значення швидкості , м/с
Маса підвісу , г	Маса мішені,г

 

Контрольні запитання

1. Що розуміють під поняттям «система відліку»?

2. Що таке траєкторія, шлях та переміщення під час поступального руху?

3. Що називають швидкістю поступального руху?

4. Що таке прискорення тіла? Як класифікують рух тіла за значенням прискорення?

5. Що таке імпульс тіла та імпульс сили?

6. Сформулюйте закон збереження імпульсу у механіці.

7. Дайте визначення та запишіть формули кінетичної та потенціальної енергії.

8. Як у механіці формулюється закон збереження енергії?

9. Які фізичні процеси використовуються для визначення швидкості на приладі лабораторної установки?

10. Виконайте математичні перетворення для отримання розрахункової формули.

Модуль 2. Молекулярна фізика

 

Лабораторна робота № 2.1. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА
ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИН МЕТОДОМ ВІДРИВУ КІЛЬЦЯ

 

Мета роботи: ознайомитись з основними властивостями поверхневого шару рідин; визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

 

Порядок виконання роботи

1. За допомогою опорних гвинтів встановити бульбашку, яка контролює горизонтальність терезів, у центральне положення.

2. Користуючись ручкою на правому боці терезів, звільнити коромисло з підвішеним на ньому кільцем від затискувача.

3. За допомогою ручки на лівому боці терезів встановити зусилля відриву 800 мГ.

4. Розмістити під кільцем склянку з водою.

5. За допомогою лівої ручки зменшувати зусилля доти, доки кільце не торкнеться поверхні води.