Глава ІІ. Лабораторні роботи з основного курсу фізики

Глава ІІ. Лабораторні роботи з основного курсу фізики

 

Розділ 1. Механіка.

 

Лабораторна робота № 1.1. ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТI МОМЕНТУ IНЕРЦIЇ СИСТЕМИ ВIД РОЗПОДIЛУ ЇЇ МАСИ ВIДНОСНО ОСI ОБЕРТАННЯ

Мета роботи - вивчити основний закон динамiки обертового руху; встановити залежнiсть моменту iнерцiї системи вiд розподiлу її маси вiдносно осi обертання.

 

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: обертовий рух абсолютно твердого тiла; кутова швидкiсть та кутове прискорення, їх зв’язок з лiнiйною швидкiстю та лiнiйним прискоренням; момент сили; момент iнерцiї тiла вiдносно нерухомої осi; закон динамiки обертового руху абсолютно твердого тiла вiдносно нерухомої осі [1, §§ 4, 16, 18; 2, §§ 28, 31, 32].

 

В даній лабораторній роботі застосовують непрямий метод визначення моменту iнерцiї системи, що ґрунтується на законi динамiки обертового руху:

, (1.1.1)

де J - момент iнерцiї; - момент сили; - кутове прискорення системи. Момент iнерцiї є величина адитивна, тому момент iнерцiї твердого тiла дорiвнює сумi моментiв iнерцiї всiх елементарних частинок цього тiла:

. (1.1.2)

Робота виконується на установцi (рис.1.1.1), що складається iз хрестовини, жорстко зв’язаної з нерухомим блоком радiуса . На хрестовинi можуть закріплюватись на рiзних вiдстанях R вiд осi обертання тягарцi m₁. На блок намотується нитка, один кiнець якої закрiплений на блоцi, а до iншого прив’язано вантаж масою m. Коли описанiй системi тiл надати свободу, вантаж m почне опускатися, а блок з хрестовиною i тягарцями - обертатися навколо нерухомої осi. На вантаж дiють сила тяжiння i сила натягу нитки . Пiд дiєю цих сил вантаж рухатиметься зі сталим прискоренням. Обертання блока, якщо знехтувати тертям на осi, викликає момент сили , модуль якої за третiм законом Ньютона дорiвнює модулю сили F. Плечем сили буде радiус блока , тому момент сили:

. (1.1.3)

Для визначення сили F^/=F записують динамiчне рiвняння руху вантажу m. Використовуючи зв’язок кутового прискорення b з лiнiйним прискоренням i виражаючи останнє через висоту h i час опускання вантажу , з (1.1.1) із урахуванням (1.1.3) можна одержати формулу для визначення моменту iнерцiї системи тiл, що обертається:

. (1.1.4)

Оскiльки величина (у чому можна переконатися безпосереднiми пiдрахунками), то формула (1.1.4) набуває бiльш простого вигляду:

. (1.1.5)

Момент iнерцiї системи J складається з моменту iнерцiї блока з хрестовиною J₀ i моменту iнерцiї J^/ тягарцiв m₁, закрiплених на хрестовинi. Якщо вважати тягарцi точковими масами, у випадку симетричного їх розташування вiдносно осi обертання можна записати:

, (1.1.6)

де R - вiдстань тягарцiв вiд осi обертання.

З (1.1.6) випливає лiнiйна залежнiсть мiж J та R². Визначивши момент інерції системи для рiзних значень R, можна побудувати графiк залежностi J=f(R²) (рис.1.1.2).

Для більш точного вимiрювання часу опускання вантажу, в установцi використовується електронний секундомiр, який фiксує тривалiсть руху.

Хiд роботи

1. Встановити тягарцi m₁ на максимальнiй i однаковiй вiдстанi R вiд осi обертання.

2. Намотуючи нитку на блок, пiдняти вантаж m на висоту h i зупинити, зафiксувавши хрестовину.

3. Вiдпустити хрестовину i вимiряти час опускання вантажу. Дослiд повторити тричi i знайти середнє значення часу опускання вантажу m.

4. Пiдрахувати значення моменту iнерцiї J, пiдставляючи у формулу (1.1.5) середнє значення часу.

5. Проробити пп. 1-5 для кiлькох рiзних положень тягарцiв вiдносно осi обертання. Результати вимiрiв i обчислень записати до таблицi 1.1.1.

6. Побудувати графiк залежностi J вiд R² (див. рис.1.1.2) i методом екстраполяцiї визначити J₀.

7. Визначити похибки вимiрювання J.

Таблиця 1.1.1.

№ пор.	R, м	r, м	m, кг	h, м	t, с	<t>, с	J, кг×м^2	R^2, м	J0, кг×м^2

 

Контрольні запитання

1. Який рух називається обертанням твердого тіла відносно нерухомої осі?

2. Що називають моментом сили відносно нерухомої осі?

3. Суть основного закону динаміки обертового руху.

4. Що називають моментом інерції матеріальної точки відносно певної осі обертання?

5. Як підрахувати момент інерції твердого тіла відносно певної осі обертання?

6. З чого складається установка, що використовується в даній роботі?

7. Як одержати формулу для визначення моменту інерції системи в даній роботі?

Хід роботи

1. За допомогою масштабної лінійки тричі виміряти відстань між позначками m та n і знайти середнє значення <L>. Результати цього та наступних вимірювань занести до таблиці 1.2.1.

2. За допомогою мікрометра тричі виміряти діаметр d кульки (після кожного виміру кульку слід виймати з мікрометра та вкладати в іншому положенні).

3. Розрахувати середнє значення <d>.

4. Розташувати кульку на незначній висоті над поверхнею рідини у центральній частині циліндричної посудини і, відпустивши її, виміряти час, за який вона пройде відстань між позначками m та n.

5. За формулою (1.2.3) визначити коефіцієнт динамічної в’язкості рідини h.

6. Виконати пп. 2 -4 ще для двох кульок.

7. Розрахувати кінематичну в’язкість досліджуваної рідини за формулою (1.2.4).

8. Визначити похибки вимiрювання коефіцієнта динамічної в’язкості рідини h (див. глава І, розділ 3).

Таблиця 1.2.1.

L, м	Дослід з 1-ю кулькою	Дослід з 2-ю кулькою	Дослід з 3-ю кулькою
	d, м	<d>, м	t, с	d, м	<d>, м	t, с	d, м	<d>, м	t, с

 

Контрольні запитання

1. У чому полягає явище внутрішнього тертя?

2. Записати рівняння Ньютона для сили внутрішнього тертя та проаналізувати його.

3. Дати визначення градієнта швидкості.

4. Фізичний зміст кінематичної в’язкості. Її одиниці вимірювання.

5. Ламінарна та турбулентна течія рідини. Критерій Рейнольдса.

6. Зв’язок між кінематичним та динамічним коефіцієнтом в’язкості.

7. Пояснити залежність коефіцієнта в’язкості від температури виходячи з положень молекулярно-кінетичної теорії будови речовини для рідин та газів.

8. У чому полягає метод Стокса? Вивести робочу формулу.

Хід роботи

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

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

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

4. Розташувати під кільцем склянку з водою.

5. За допомогою лівої ручки зменшувати зусилля доти, поки кільце не доторкнеться до поверхні води.

6. Повільно обертаючи ліву ручку, відірвати кільце від поверхні води. Після відриву зафіксувати величину сили відриву F. При цьому слід враховувати, що шкалу терезів градуйовано в міліграмах.

7. Обертаючи ліву ручку в протилежний бік, прийти до такої ситуації, коли коромисло терезів займає горизонтальне положення і починає коливатись навколо нього. Визначити вагу вогкого кільця Р та занести до табл. 2.1.1.

8. Повторити пункти 5 - 7 два рази.

9. Нагріти воду у склянці до 50 ⁰С і виконати пункти 3 - 8.

10. Знайти силу для кожного виміру, результати занести до табл.2.1.1.

11. За формулою (2.1.3) визначити величину a. Виконати розрахунки середнього значення (за результатами трьох вимірів) для двох значень температури води.

Таблиця 2.1.1

№ пор.	Температура води t, ^0C	Сила відриву F, Н	Вага вогкого кільця P, Н	FН, Н	a, Н/м

 

Контрольні запитання

1. Який вигляд має графічна залежність потенціальної енергії взаємодії однієї пари молекул від відстані між ними?

2. Яке співвідношення між потенціальною і кінетичною енергіями характерне для різних агрегатних станів речовини?

3. Який характер руху молекул у рідині? Що характеризують поняття далекого та близького порядків?

4. Що називається сферою молекулярної дії?

5. Чому рідину практично неможливо стиснути? Який порядок товщини поверхневого шару?

6. Що називається коефіцієнтом поверхневого натягу? Як напрямлена сила поверхневого натягу?

Хiд роботи

1. Ознайомитися з установкою. Увiмкнути нагрiвник та довести воду у посудинi до кипiння. Пiдтримувати температуру води протягом усього дослiду.

2. Вимiряти радіус R та висоту зразка h. За формулою (2.2.3) обчислити коефiцiєнт форми k.

3. Занурити цилiндр у воду та увiмкнути самозаписувач. Протягом 15-20хв отримати діаграму залежності температури зразка від часу (рис.2.2.2).

4. Для визначення темпу нагрівання опрацювати діаграмну стрічку. Для цього:

а) нанести на діаграму шкалу температур (мінімальна температура зразка –кімнатна, а максимальна – 100⁰ С);

б) знаючи швидкість руху діаграмної стрічки, нанести на діаграму шкалу часу;

в) через кожні 120 с одержати значення температури зразка t⁰С. Значення температури та часу занести до таблиці 2.2.1.

5. Розрахувати різницю між температурою зразка та кімнатною T=Т-Т_к і занести її в табл. 2.2.1.

6. Побудувати графік залежності .

7. За формулою (2.2.5) визначити темп нагрівання m.

8. За формулою (2.2.6) розрахувати коефіцієнт теплопровідності ебоніту .

Таблиця 2.2.1

№ пор.	, с	t^0C	T, K	ln T

 

Контрольні запитання

1. Що називається явищем теплопровідності?

2. Яка умова виникнення теплопровідності? Що таке градієнт температури?

3. Основне рівняння теплопровідності.

4. Як пояснити фізичний зміст знака мінус в рівнянні Фур’є?

5. Що називається коефіцієнтом теплопровідності?

6. За яким законом змінюється різниця температур в залежності від часу при регулярному режимі?

Хід роботи

А. Градуювання гальванометра як амперметра.

1. Зібрати коло за схемою (рис.3.1.1).

2. Змінюючи за допомогою реостата силу струму в колі, записати в табл.3.1.1 покази еталонного (в амперах) та градуйованого (в поділках) приладів.

3. За отриманими даними побудувати графік залежності показів градуйованого приладу від струму.

4. Користуючись графіком, визначити ціну поділки шкали градуйованого приладу.

5. Розрахувати за допомогою формули (3.1.3) чутливість градуйованого приладу.

Таблиця 3.1.1

№ пор.	n, поділок	I, A	K, А/поділку	S, поділ./А

 

Б. Градуювання гальванометра як вольтметра.

1. Зібрати коло за схемою (рис. 3.1.2).

2. Змінюючи напругу, записати до табл.3.1.2 покази еталонного (у вольтах) та градуйованого (в поділках) приладів.

3. За отриманими даними побудувати графік залежності показів градуйованого приладу від напруги.

4. Користуючись графіком, визначити ціну поділки шкали градуйованого приладу.

5. Розрахувати за допомогою формули (3.1.3) чутливість градуйованого приладу.

Таблиця 3.1.2

№ пор.	n, поділок	U, В	K, В/поділку	S, поділ./В

 

Контрольні запитання

1. Що називають силою струму? Яка її одиниця?

2. Що називають густиною струму? Яка її одиниця?

3. В чому полягає фізичний зміст напруги?

4. Як формулюються правила Кірхгофа?

5. Які межі вимірювання має кожен з приладів у даній роботі?

6. В яких випадках виникає потреба у застосуванні шунта або додаткового опору?

7. Як визначити ціну поділки приладу?

Хід роботи

1. Зібрати коло за схемою на рис.3.2.1.

1. Увімкнути вимикач, записати покази вольтметра та амперметра при трьох різних значеннях сили струму. Результати вимірювань занести до табл. 3.2.1.

Таблиця 3.2.1

№ пор.	U, В	І, А	RX, Ом	R, Ом

2. Зібрати коло за схемою на рис.3.2.2 та зробити аналогічні вимірювання. Результати занести до табл. 3.2.2.

Таблиця 3.2.2

№ пор.	U, В	І, А	RX, Ом	R, Ом

 

3. Підрахувати вимірюваний опір, знайти його середнє значення.

4. Обчислити вимірюваний опір за формулою (3.2.1). Знайти середнє значення результатів для кожної схеми вмикання приладів.

5. Виразити у процентах, наскільки відрізняються результати наближених підрахунків за формулою (3.2.1) від середнього значення вимірюваного опору.

 

Контрольні запитання

1. Виведіть закон Ома в диференціальній формі.

2. Що таке опір провідників? Як залежить опір провідників від температури?

3. Як складаються рівняння Кірхгофа? Якими міркуваннями необхідно керуватись, щоб не виписувати зайвих рівнянь Кірхгофа?

4. Які є способи вимірювання опорів?

5. Як вмикається вольтметр у мережу?

6. Чи можна підключити амперметр паралельно мережі? Чому?

7. Які спотворення вносить підключення вольтметра в мережу?

8. Які спотворення вносить підключення амперметра в мережу?

9. Які спотворення вносять у мережу вольтметр і амперметр?

10. Чи будуть точними значення R_Х, які розраховані за формулою (3.2.1)?

Хід роботи

1. У коло термопари ввімкнути прилад (рис. 3.3.4), що вимірює термострум.

2. Визначити температуру холодного спаю, яка дорівнює температурі навколишнього повітря.

3. Увімкнути нагрівник. Записати у табл. 3.3.1 покази гальванометра та термометра, який вимірює температуру гарячого спаю (6-8 значень).

4. Вимкнути нагрівник. У процесі охолодження записати температури гарячого спаю, які відповідають тим самим показам гальванометра.

5. Використовуючи характеристики гальванометра (C_Г - ціну поділки шкали та R_Г - внутрішній опір), розрахувати термо-ЕРС у вольтах:

.

6. Обчислити середні значення температури, які відповідають раніше підрахованим значенням термо-ЕРС.

7. Дані вимірювань занести до таблиці 3.3.1.

8. Побудувати графічну залежність , де DТ - різниця температур гарячого та холодного спаїв термопари.

9. Визначити за допомогою графіка питому термо-ЕРС ()

Таблиця 3.3.1

Покази гальванометра, поділки n	Термо-ЕРС e,В	Температура гарячого спаю термопари, ^0С	Різниця температур
при нагріванні	при охолодженні	Середнє значення

 

Контрольні запитання

1. У чому полягає суть термоелектричних явищ?

2. Як розуміти роботу виходу електрона з металу і яка її розмірність?

3. Пояснити виникнення різниці потенціалів при контакті двох металів, чи викликає вона виникнення струму в колі і чому?

4. У чому суть термо-ЕРС?

5. Який фізичний зміст питомої термо-ЕРС a?

6. Що являє собою термопара, термоелемент і термобатарея?

7. Де використовуються термопари в науці та техніці?

Хід роботи

1. Скласти електричне коло за схемою на рис. 3.4.1.

2. Звільнити магнітну стрілку від аретиру, рамку повернути так, щоб її площина збігалася з напрямом орієнтації стрілки.

3. Увімкнути джерело струму, встановити певну силу струму I, відмітити кут j (тричі, включити та виключити струм).

4. Аналогічно виміряти кут j при трьох різних силах струму I. Результати вимірювання занести в табл.3.4.1.

5. За формулами (3.4.3) та (3.4.4) обчислити B_Г та H_Г.

Таблиця 3.4.1

№ пор.	I, A	j	jср	N	R, м	ВГ, Тл	НГ, А/м

 

Контрольні запитання

1. Індукція та напруженість магнітного поля і їх розмірність.

2. Що називається лініями магнітної індукції?

3. Сформулюйте закон Біо-Савара - Лапласа.

4. Вивести формулу для B і H в центрі колового струму.

5. Як влаштований тангенс-гальванометр?

6. Як зв’язані між собою B і H?

7. Поясніть метод вимірювання B_Г і H_Г магнітного поля Землі.

8. Характеристики магнітного поля Землі.

Хід роботи

1. Зібрати електричне коло, зображене на рис.3.5.4.

2. Помістити вимірювальну котушку в центрі короткого соленоїда.

3. Замкнути вимикач та виміряти максимальний кут відхилення стрілки балістичного гальванометра j_0max.

4. Користуючись формулою (3.5.5), розрахувати індукцію в центрі соленоїда В₀.

5. Знаючи В₀ і j_0max та використовуючи формулу (3.5.9) визначити сталу K:

a. ;

6. Послідовно встановити вимірювальну котушку в різних точках осі соленоїда і виміряти для цих точок j_max.

7. За формулою (3.5.9) розрахувати індукцію магнітного поля В.

8. Результати вимірювань і обчислень занести до таблиці 3.5.1.

9. За результатами досліду побудувати графік залежності B=f(x).

 

Таблиця 3.5.1

№ пор.	x, м	jmax	ℓ, м	r, м	B, Тл

 

Контрольні запитання

1. Що називається соленоїдом?

2. Який соленоїд можна вважати нескінченно довгим?

3. Який зміст закону Біо–Савара – Лапласа?

4. Який зміст закону повного струму?

5. Чому дорівнює індукція короткого соленоїда та нескінченно довгого соленоїда?

6. Як практично можна визначити індукцію магнітного поля короткого соленоїда?

Хід роботи

1. Зібрати схему, подану на рис. 3.7.2.

2. Підключити установку до мережі 220 В і при розімкненій вторинній обмотці по ватметру визначити потужність холостого ходу Р₀.

3. Замкнути вторинне коло (рис. 3.7.2) і при різних положеннях повзунка реостата R знайти І₁, І₂ та Р. За формулою (3.7.7) розрахувати ККД трансформатора в усіх випадках.

4. Одержані результати занести до табл. 3.7.1.

5. За одержаними результатами побудувати графік залежності .

 

Таблиця 3.7.1

№ пор.	І1, А	І2, А	Р, Вт	h, %

Контрольні запитання

1. Що таке трансформатор і з якою метою він використовується?

2. У чому полягає явище взаємної індукції?

3. Що таке взаємна індуктивність і від чого вона залежить?

4. Як довести, що відношення напруги в первинній та вторинній обмотках дорівнює відношенню числа витків цих обмоток?

5. Підвищувальний чи знижувальний трансформатор, який використовується в даній лабораторній роботі?

6. Як обчислюється ККД трансформатора?

7. Як розрізняють втрати потужності при роботі трансформатора?

8. Які дії застосовують для зменшення втрат потужності?

9. Як і чому змінюється ККД при збільшенні І₂?

Хід роботи

1. Зібрати коло постійного струму, схему якого подано на рис. 3.8.1.

2. Виміряти напругу U₀ при трьох силах струму I₀. Результати занести до табл.3.8.1.

3. Зібрати коло змінного струму за схемою на рис.3.8.2.

4. Виміряти напругу U при трьох силах струму I. Результати вимірів занести до тієї самої таблиці.

5. Виконати виміри, передбачені п.4 для дроселя.

6. За формулою (3.8.7) розрахувати активний опір котушки R, повний опір котушки Z, та повний опір дроселя Z₁.

7. Розрахувати середні значення R, Z та Z₁.

8. За формулою (3.8.6) знайти індуктивність котушки та дроселя .

9. Розрахувати магнітну проникність осердя μ.

 

Таблиця 3.8.1

№ пор.	I0,A	U0,B	R,Oм	I,A	U,B	Z,Oм	I1,A	U1,B	Z1,Oм

 

Контрольні запитання

1. Суть явищ електромагнітної індукції та самоіндукції.

2. Якими співвідношеннями характеризуються ці явища?

3. Що таке індуктивність провідника (контуру)?

4. Одиниці індуктивності в СІ.

5. Від яких величин залежить індуктивність котушки?

6. Яку дію створює котушка з більшою індуктивністю: в колі постійного чи змінного струму?

7. Особливості активного і індуктивного опорів.

 

 

Глава ІІ. Лабораторні роботи з основного курсу фізики

 

Розділ 1. Механіка.