Учебное пособие 915
.pdfМинистерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
ФИЗИКА
Методические указания к выполнению лабораторных работ
для студентов всех специальностей факультета дистанционного обучения
Воронеж 2010
УДК 53.07
Составители А.И. Никишина, А.К. Тарханов
Физика: метод. указания к выполнению лабораторных работ № 1 – 8 для студ. всех специальностей факультета дистанционного обучения / Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т.; сост.: А.И. Никишина, А.К. Тарханов – Воронеж, 2010. – 38 с.
Методические указания содержат восемь лабораторных работ по курсу «Физика». Каждая работа сопровождается краткими теоретическими сведениями и необходимым справочным материалом для выполнения.
Предназначены для студентов всех специальностей факультета дистанционного обучения.
Ил.14. Табл.11. Библиогр.:3 назв.
УДК 53.07
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Рецензент – В.Н. Нечаев, проф., док. физ.-мат. наук, кафедра ВМФММ, Воронежского государственного технического университета
2
Введение
Основой физики как науки является эксперимент и его интерпретация. Методика проведения эксперимента и расчета, грамотное представление полученных результатов – важные составляющие этой дисциплины. Именно поэтому одной из форм фундаментальной подготовки студентов технических вузов является лабораторный практикум по физике. Его цель — закрепить знания студентов по курсу физики, познакомить их с основными методиками научно-технического эксперимента, развить навыки практического применения изучаемых физических явлений и законов, а также обучить работе с простейшими и наиболее распространенными измерительными приборами.
Подбор лабораторных работ обусловлен программой курса физики, выполняются они фронтальным методом по теме лекции, прочитанной студентом предварительно. Поскольку с теорией студенты знакомятся только на лекции, в практикуме содержится описание оборудования и методики эксперимента. Эту часть пособия студент должен прочитать и понять перед выполнением лабораторного задания. Для справок по теории изучаемого явления приведен список рекомендуемой литературы.
При подготовке к лабораторным работам, студенту необходимо выполнить следующие требования:
1.Записать в специальной лабораторной тетради номер, название и цель данной лабораторной работы.
2.Выполнить схему и/или чертеж лабораторной установки.
3.Выписать необходимые для расчетов формулы с расшифровкой обозначений.
4.Начертить таблицы для записи величин, которые необходимо измерить или рассчитать в процессе выполнения лабораторной работы.
Для предоставления преподавателю отчета о проделанной работе студент обязан:
1.Выполнить в тетради все расчеты в системе СИ.
2.Построить необходимые графики (размеры графиков – не менее половины страницы тетрадного листа).
3.Заполнить таблицы.
4.Сделать письменные выводы.
Впостановке, апробировании, наладке макетов лабораторных работ принимали участие все сотрудники и преподаватели кафедры химии и физики Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
3
Техника безопасности
При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности:
входить в лаборатории и выполнять лабораторные работы только в присутствии и по разрешению преподавателя;
не включать оборудование до тех пор, пока не поняты смысл и последовательность выполнения лабораторной работы;
выполнять лабораторные работы следует строго в соответствии с рабочим заданием. Отклонения от рабочего задания без разрешения преподавателя не допускаются;
электропитание установки включать только с разрешения преподавателя (или лаборанта) после ознакомления с описанием данной лабораторной работы и окончания сборки установки!
во время выполнения лабораторной работы все изменения в электрической схеме установки производить только при отключенном питании;
при обнаружении нарушений в электрической цепи лабораторной установки немедленно обесточить прибор и позвать лаборанта или преподавателя. Не пытаться устранить неполадки самостоятельно;
не направлять источники лазерного излучения в глаз, так как это может привести к повреждению сетчатки глаза.
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА, БРОШЕННОГО ГОРИЗОНТАЛЬНО
1.1. Цель работы
Усвоение понятий кинематики поступательного движения и закона сохранения и превращения механической энергии на примере движения тела, брошенного горизонтально в поле тяжести Земли.
1.2. Описание оборудования
Представленная на рис. 1.1 установка, предназначенная для исследования движения горизонтально брошенного шарика, состоит из двух основных частей: маятникового разгонного устройства 1 со стопором 2 и поворотной плоскости 3. Для измерения угла α отклонения маятника 1 и положения φ поворотной плоскости 3 служат транспортиры 4 и 5, соответственно. Расстояние l от проекции точки отрыва шарика (x0) до точки падения шарика на плоскость (x) измеряется линейкой. Линейкой измеряют также длину маятника b и высоту Н точки отрыва шарика над измерительной плоскостью.
b
|
α |
2 |
4 |
|
|
||
h |
1 |
|
V0 |
|
|
y |
|
|
|
|
H
5
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
x0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
x |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.1. Установка, предназначенная для исследования движения горизонтально брошенного тела
5
1.3. Расчетные формулы
Движение тела, брошенного горизонтально в поле тяжести Земли, можно представить двумя простыми движениями: равномерным по горизонтали (силой сопротивления воздуха можно пренебречь) и равноускоренным по вертикали (на тело действует сила тяжести). Движение тела описывается следую-
щими законами: |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
(1.1) |
|||
|
r |
r |
V t at |
|
|
|
||||
|
|
|
0 |
0 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
V V0 at . |
|
|
|
|
(1.2) |
||
|
Здесь r и r – радиус-векторы, задающие положение тела в начальный |
|||||||||
|
0 |
|
|
|
соответственно; |
|
– |
ускорение тела, |
||
момент времени и в момент времени t, |
a |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V0 |
– его начальная скорость, V |
|
– скорость тела через время t. |
|
||||||
|
Проекции уравнений (1.1) и (1.2) на оси OX и OY имеют вид: |
|||||||||
|
x x0 V0X t; |
|
|
|
|
y y gt2 / 2 |
|
|
(1.3) |
|
|
VX V0X V0 . |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Vy gt |
|
|
|
Решив систему (1.3), полагая, что x0=0, x=l, а y0=H, y=0 получим время падения:
tп = |
2H |
(1.4) |
||
|
g |
|||
и начальную скорость тела |
|
g |
|
|
V = l |
|
. |
(1.5) |
|
|
|
|||
0 |
|
2H |
|
Начальную скорость шарика можно найти также из закона сохранения и превращения механической энергии. Если принять положение шарика в состоянии покоя за нулевой уровень, то отклонение маятника с шариком на угол α приведет к появлению у шарика потенциальной энергии:
EP mgh mgb(1- cos ) . |
(1.6) |
При движении маятника к положению равновесия потенциальная энергия шарика, согласно закона сохранения механической энергии, перейдет в кинетическую (если пренебречь силами трения и сопротивления):
|
mV 2 |
|
||
mgb(1- cos ) |
0 |
. |
(1.7) |
|
2 |
||||
Отсюда |
|
|
||
|
|
|
||
V0 = 2gb(1- cosα) . |
(1.8) |
|||
6 |
|
|
|
1.4.Рабочее задание
1.4.1.Определение начальной скорости шарика по дальности его полета
1.Закрепите на горизонтальной плоскости лист белой бумаги. Положите сверху копировальную бумагу красящей поверхностью вниз.
2.Отклоните маятник с шариком на заданный преподавателем угол α. Не сообщая маятнику начальной скорости, отпустите его. Аккуратно, не сдвигая белой бумаги, снимите копировальную бумагу и измерьте дальность полета l (см. рис.1.1). Повторите опыт еще 4 раза. Полученные данные занесите в таблицу 1.1.
3.Вычислите среднее значение <l> по формуле
l = l1 + l2 + l3 + l4 + l5 . 5
4. Измерьте высоту H и с помощью формулы (1.5), рассчитайте скорость шарика V0 в точке отрыва от маятника (начальную скорость).
1.4.2. Определение начальной скорости шарика по закону сохранения энергии
Измерьте длину маятника b и по формуле (1.8) вычислите скорость шарика V0. Результат запишите в табл. 1.1. Значение начальной скорости сравните с результатом, полученным в пункте 1.
Таблица 1.1
|
|
|
Определение начальной скорости шарика |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α |
l1, м |
l2, м |
l3, м |
l4, м |
l5, м |
<l>, м |
H, м |
V0, |
м |
|
b, м |
V0, |
м |
|
с |
с |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.4.3. Определение траектории движения, направления и модуля скорости падения шарика,
радиуса кривизны траектории
1.Определение траектории движения шарика будет осуществляться с использованием полярной системы координат. Координате φ=00 соответствует координата r=<l> из табл. 1.1.
2.Поднимите плоскость 3 с листами белой и копировальной бумаги на угол φ = 15° и отклоните маятник с шариком на угол а, заданный в пункте 1. Бросив шарик, опустите плоскость и измерьте длину радиус-вектора r - расстояние от проекции точки отрыва шарика (x0) до точки падения шарика
7
на плоскость (x) (рис.1.1). Занесите в табл. 1.2 полученную координату r, соответствующую координате φ=150.
3.Повторите предыдущий опыт при углах наклона φ плоскости 3, указанных в табл. 1.2.
4.По данным табл. 1.2 в полярных координатах постройте график траектории шарика (рис. 1.2).
y
V0
|
Vx |
x |
|
θ |
|
|
|
|
Vy |
V |
|
Рис.1.2. График траектории полета шарика в полярных координатах
5.Постройте касательную (вектор скорости V ) к траектории в точке падения. С помощью транспортира измерьте угол падения θ.
6.Рассчитайте угол падения θ по отношению проекций скорости падения Vу и VХ :
tg = Vy ; VX
= arctg VVy .
X
Значение Vу в точке падения шарика при φ=00 вычислите, используя последнее уравнение системы (1.3) и формулу (1.4). Значение Vx равно среднему арифметическому начальных скоростей, полученных в пп. 1 и 2. Сравните между собой значения углов θ, полученных в пп. 5 и 6 из 1.4.3.
7. Определите модуль скорости падения по формуле
|
|
V |
|
= V 2 |
+V 2 . |
|
|
||||
|
|
|
|
X |
y |
8. Определите радиус кривизны траектории в точке падения:
(V 2 +V 2 )3
R = XgVX y .
Все полученные результаты занесите в табл. 1.2.
8
Таблица 1.2 Определение траектории и параметров движения шарика
φ, |
0 |
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
75 |
90 |
θ, |
0 |
V , |
м |
|
V , |
м |
|
θ, |
0 |
V, |
м |
|
R, м |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
x |
с |
|
y |
с |
|
|
|
с |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
r, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.Дайте определение следующим понятиям:
a)материальная точка;
b)система отчета;
c)траектория, путь, радиус-вектор, вектор перемещения;
d)поступательное движение;
e)равномерное и равнопеременное движение;
f)скорость, ускорение (полное, нормальное, тангенциальное);
d)радиус кривизны траектории.
2.Запишите законы движения тела, перемещающегося с постоянной и переменной скоростью.
3.Выведите расчетную формулу (1.5).
4.Сформулируйте закон сохранения и превращения механической энергии, а также условие выполнения этого закона.
5.Выведите расчетную формулу (1.8).
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ
2.1. Цель работы
Получение навыка применения уравнения состояния идеального газа на примере расчета универсальной газовой постоянной.
2.2. Описание оборудования
Для определения универсальной газовой постоянной R используется установка, представленная на рис. 2.1. Из баллона 1 объемом V откачивается воздух насосом Комовского 3. В результате этого давления в баллоне изменится на величину P. Значение этой величины измеряется манометром 2, проградуированным в кгс/см2 (техническая атмосфера). Баллон с воздухом соединяется с манометром и насосом резиновыми трубками 4. Для сохранения давления в отсоединенном баллоне используется зажим 5. Для безопасности эксперимента баллон помещен в чехол (коробку).
5
2 4
4 |
3 |
1
Рис. 2.1. Установка для определения универсальной газовой постоянной
2.3. Расчетные формулы
Состояние воздуха массой m1, находящегося в баллоне объемом V при комнатной температуре T и атмосферном давлении P1 описывается уравнением Менделеева – Клапейрона:
PV = |
m1 |
RT , |
(2.1) |
|
|
||||
1 |
|
|
где μ=29·10-3 кг/моль – молярная масса воздуха, R – универсальная газовая постоянная.
10