Физика 10 класс Тетрадь лабораторных работ Парфентьева

Классический курс Н. А. Парфентьева Г'ТПсШтт Тетрадь для лабораторных работ ____®______ ПРОСВЕЩЕНИЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО Н. А. Парфентьева физика Тетрадь для лабораторных работ 10 класс Пособие для учащихся общеобразовательных учрехщений 2-е издание Москва «Просвещение» 2012 УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я72 П18 В тетради приведены описания, схемы выполнения лабораторных работ и контрольные вопросы по темам, изучаемым в 10 классе общеобразовательной школы: механике, молекулярной физике и электричеству. В работах размещены таблицы, в которые следует заносить значения измеряемых величин, результаты вычислений, данные для расчёта приборных и случайных погрешностей. В некоторых случаях таблицы предлагается сделать самим учащимся на основании уже имеющегося опыта. Обращается внимание на окончательную запись полученных результатов с учётом погрешностей. Учебное издание Парфентьева Наталия Андреевна Физика Тетрадь для лабораторных работ 10 класс Пособие для учащихся общеобразовательных учреждений ЦЕНТР ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Руководитель Центра В. И. Егудин. Редактор Н. В. Мелешко. Младший редактор Т. И. Данилова. Художественный редактор Т. В. Глушкова. Художник Е. В. Бугаева. Технический редактор и верстальщик Н. В. Лукина. Корректоры В. Э. Куриленок, И. П. Ткаченко Налоговая льгота — Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93—953000. Изд. лиц. Серия ИД № 05824 от 12.09.01. Подписано в печать 15.03.12. Формат 70 X 90^/]g. Бумага офсетная. Гарнитура Школьная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,89. Тираж 5000 экз. Заказ № 2152. Открытое акционерное общество «Издательство «Просвещение». 127521, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41. Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленных издательством материалов в ОАО «Тверской ордена Трудового Красного Знамени полиграфкомбинат детской литературы им. 50-летия СССР». 170040, г. Тверь, проспект 50 лет Октября, 46.1^ ISBN 978-5-09-028806-4 © Издательство «Просвещение», 2011 © Художественное оформление. Издательство «Просвещение», 2011 Все права защищены ВВЕДЕНИЕ Физика — фундаментальная наука, изучающая строение и свойства окружающего нас материального мира. В основе современных физических исследований лежит эксперимент; он позволяет проверить уже существующие законы и установить новые закономерности. Умение ставить и проводить опыты, анализировать результаты измерений, устанавливать или проверять зависимости одних физических величин от других необходимо в процессе изучения физики. Развить эти умения и навыки вы сможете в процессе выполнения лабораторных работ. Вы также научитесь грамотно обращаться с приборами, понимать, для каких целей они служат, оценивать их пределы измерения. Данная тетрадь поможет вам еще раз вспомнить изучаемый в работе физический закон, правильно оформить результаты измерений, сделать необходимые выводы. Предлагаемые в конце работы контрольные вопросы дадут возможность более глубоко понять то явление, которое вы экспериментально изучали. Для ответа на контрольные вопросы требуется знание теории по данной теме; если ответы на вопросы вызовут у вас затруднения, прочитайте еще раз соответствующий материал в учебнике. В конце тетради даны описания дополнительных лабораторных работ Д1—Д4, которые вы можете выполнить в классе или дома. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИИ Измерение — это определение значения физической величины с помощью приборов и измерительных инструментов. 1. Измерения могут быть прямыми и косвенными. Прямым измерением непосредственно определяют искомую величину. Например, линейкой измеряют длину, секундомером — время, амперметром — силу тока и т. д. Косвенным называется измерение, при котором значение величины находят на основании формулы, при этом в формулу входят величины, определяемые прямым измерением. Например, скорость равномерного движения можно найти по формуле и - s/t, а сопротивление резистора — по формуле R= U/I. При этом предварительно нужно выполнить прямые измерения, в первом случае длины пути, который прошло тело, и времени, за которое этот путь пройден; во втором случае — напряжения и силы тока. 2. Всякое измерение неизбежно производится с погрешностью. Мы можем только приблизиться к истинному значению измеряемой величины, совершенствуя методику измерения и приборы или многократно повторяя опыты. 3. Различают абсолютную и относительную погрешности. Обозначим измеряемую физическую величину А, измеренное значение этой величины А„з„. ДА — абсолютная погрешность измерения. Зная абсолютную погрешность, можно определить интервал значений, в пределах которого с определенной степенью точности находится истинное значение измеряемой величины: А„:,м - ДА < А < А„з„ ДА. Относительная погрешность равна умноженному на 100% отношению абсолютной погрешности к измеренному значению величины: ДА е = ■100%. 4. Максимальная абсолютная погрешность измерения физической величины равна сумме абсолютных погрешностей средства измерения (приборная погрешность) и процесса отсчета: ДА = АА„р -(- ДА,,,,,.. Приборная погрешность определяется конструкцией прибора. Каждый прибор имеет класс точности у, зная который можно определить абсолютную приборную погрешность по формуле АЛ = V "Р У 100 ’ где А^ах — максимальное значение величины, которое может быть измерено данным прибором. Класс точности прибора указывается на шкале прибора и/или в его паспорте. Используемые обычно приборы имеют следующие классы точности: ОД; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Пример. Вольтметр имеет класс точности 1,5 и измеряет максимально напряжение 100 мВ. Приборная погрешность при измерении напряжения данным вольтметром составит ДА„р = 1,5 • 100/100 = = 1,5 мВ. 5. Абсолютная погрешность отсчета АА^^, как правило, определяется половиной цены деления прибора. Если положение стрелки прибора изменяется скачками (например, у секундомера), то абсолютная погрешность определяется ценой наименьшего деления прибора. Абсолютная погрешность измерения всегда округляется до одной значащей цифры. П р и м е р. Результат расчета ускорения свободного падения при косвенном измерении я = 9,7643 м/с^, абсолютная погрешность Ag-= 0,26 м/с^. В этом случае принимают Ag = 0,3 м/с^, тогда g = 9,8 м/с^. Окончательно результаты измерений записывают в виде 9,5 е = п — В Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется по формуле ДА — еА. 1- ± Д^г Ag Рис. 1 ■'^изм2 ^-^2 7. Сравнение результатов изме- ~ Д-^i 4^ -^изм! + рений Если одна и та же величина измерена несколькими способами, то для сравнения результатов мы чертим интервалы возможных значений измеряемой величины (рис. 1). С наибольшей вероятностью значение искомой величины находится в области, где интервалы перекрываются. 8. Окончательная запись результатов измерений ^изм - АА < л < А„з„ + ДА, е = ...%. ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ 1. Изучите теорию, попытайтесь самостоятельно вывести рабочую формулу, по которой будете рассчитывать искомые величины. 2. Ознакомьтесь с оборудованием, предлагаемым для выполнения лабораторной работы. Там, где это требуется, соберите установку для проведения эксперимента. 3. Выполните измерения, каждый раз записывая результаты в таблицу измерений. 4. Сделайте расчеты, заполнив таблицу вычислений. 5. Рассчитайте погрешности согласно таблице ошибок. 6. Запишите окончательный результат с учетом погрешностей и сделайте вывод. 7. Ответьте на контрольные вопросы. Лабораторная работа № 1 Изучение движения тела по окружности Цель работы: определить разными способами центростремительное ускорение тела, равномерно движущегося по окружности. 1. Теоретическая часть Движение тела по криволинейной траектории в общем случае происходит под действием сил, равнодействующая которых направлена под углом к скорости движения (рис. 2). Со- Рис. 3 lUI = const гласно второму закону Ньютона так же направлено и ускорение. Если скорость тела не изменяется по модулю (Оц = 0), то тело движется только с центростремительным ускорением направленным к центру кривизны траектории. Если траектория тела — окружность, то ускорение направлено к центру окружности (рис. 3). Так же направлена равнодействующая сил, определяющая это ускорение. Данная работа проводится с коническим маятником — подвешенным на длинной нити маленьким шариком, движущимся по окружности (рис. 4); при этом нить описывает поверхность прямого кругового конуса. Шарик (изучаемое тело) считаем материальной точкой. В нашем случае равномерное движение шарика по окружности происходит под действием двух сил: силы натяжения нити F и силы —► тяжести mg (см. рис. 4). Найдем центростремительное ускорение. 1) Согласно второму закону Ньютона та = F + mg, а - a„^. Равнодействующая этих сил Fi, как видно на рисунке 4, направлена к центру окружности. Ее модуль можно определить, зная угол а между отклоненной нитью и вертикалью: Fj = mg tg а. Из н д треугольника АВО следует: tg а = —, где R — радиус окружности, /г — расстояние от точки подвеса до центра окружности. R Тогда rng — , или (1) 2) Силу F, также можно определить прямым измерением. Прикрепим к шарику горизонтально расположенный динамометр и оттянем его, отклонив нить на угол а (рис. 5), при этом шарик окажется на расстоянии R от вертикали (см. рис. 4), и на него будут действовать три силы: натяжения нити. натяжения пружины и сила тяжести. Сумма сил, действующих на шарик, равна нулю (первое условие равновесия). Следовательно, сила равна по модулю силе натяжения пружины динамометра, которую мы измерим. Таким образом, ускорение _ Fi ' цс2 С1 “ т (2) Массу шарика т определим путем взвешивания. 3) Центростремительное ускорение можно найти из кинематических соотношений, не рассматривая силы, действующие на шарик. Так как движение шарика по окружности равномерное, т. е. происходит с постоянной линейной скоростью V, то полное ускорение равно центростремительному ускорению а „л --- R = 0)2 Д, где О) — угловая скорость. Мы можем измерить радиус окружности R и период обращения Т, поэтому выразим центростремительное ускорение через эти величины: г — ' цсЗ ГТ12 а. R. (3) Таким образом, зная R и Т, можно найти ускорение. Итак, мы можем определить ускорение тремя способами, вычислив его по формулам (1), (2) и (3), а затем сравнить найденные значения. 2. Оборудование Штатив с муфтой и лапкой или кольцом, нить, шарик на нити, измерительная лента или линейка, весы, кусочек пробки с отверстием, динамометр, бумага, циркуль, секундомер. 3. Порядок выполнения работы Результаты измерений записывайте в таблицу 1.1. 1. Определите массу шарика на весах с точностью до 1 г. 2. Проденьте нить сквозь отверстие в пробке и зажмите пробку в лапке штатива. Если на штативе кольцо, то привяжите нить к кольцу. 3. Нарисуйте на листе бумаги окружность радиусом около 20 см. Измерьте радиус с точностью до 1 см. 9 4. Штатив поставьте так, чтобы точка подвеса и шарик с нитью располагались над центром окружности. 5. Взяв нить у точки подвеса, вращайте шарик на нити так, чтобы он описывал окружность такого же радиуса, как на бумаге. 6. С помощью секундомера отсчитайте время, за которое шарик совершит целое число оборотов, например 30, 40, 50. Произведите три измерения. 7. Определите высоту конического маятника, т. е. высоту h (см. рис. 4). Для этого оттяните шарик, отклонив нить на угол, при котором шарик будет находиться над одной из точек окружности, поднимите лист бумаги так, чтобы он коснулся шарика, и измерьте расстояние по вертикали от бумаги до точки подвеса. Запишите значение h. 8. С помощью горизонтально расположенного динамометра оттяните шарик от вертикали на расстояние, равное радиусу окружности, и измерьте силу F^. Таблица 1.1. Результаты измерений № опыта ГПу г R, см N t, с Л, см Fu Н 1 2 — — — — 3 — — — — 4. Расчеты Выполните расчеты с использованием данных измерений, последовательно заполняя таблицу 1.2. Таблица 1.2. Результаты вычислений g Q5I-C 2 II о S о:|-< ■эд «о '1 S о а" и X S ьГ 1 II ^ М S U а а о II S II S а 1 i 2 — — — — — — 3 — — — — — — т •* ср — — — — — — 10 в результате вы получите три значения центростремительного ускорения, определенные тремя способами. 5. Погрешности измерений Относительные ошибки е = —, возникшие при определении цен- а тростремительного ускорения разными способами, рассчитайте следующим образом: при определении по формуле (1) Д/л , ДЛ , Д/ £i =--+ -1Г + Т’ т п I при определении по формуле (2) „ Д/п , Д^ £г ~ р > т г при определении по формуле (3) I ) R Абсолютная погрешность = еОце- Таблица 1.3. Расчет погрешности измерения центростремительного ускорения, определяемого по формуле (1) м/с^ g АЛ, см Ah h AR, см АД Д El м/с^ Таблица 1.4. Расчет погрешности измерения центростремительного ускорения, определяемого по формуле (2) Д/п, г Ат т AF, Н AF F £2 Д^цс2 ~ £2®цс2» м/с^ Таблица 1.5. Расчет погрешности измерения центростремительного ускорения, определяемого по формуле (3) At, с Д^ср> С АТ, с АТ Т ср АЛ, см дд д Ез ^^цсЗ ^З^цсЗ» м/с^ 11 Примечание: At определяется в зависимости от измерительного прибора. АТ^р определите как максимальное из отклонений Tj, Т2 и Тд от Трр. В качестве абсолютной погрешности АТ возьмите большее из значений и АГ^р. 6. Результаты и выводы Окончательно результаты запишите в следующем виде: по формуле (1) по формуле (2) ^цс2 ^^цс2 ^ ^цс ^ ^цс2 ^^цс2 ПО формуле (3) ^цсЗ ^^цсЗ ^ ^цс ^ ^цсЗ ^^цсЗ Выбрав разумную цену деления, отметьте на шкале области возможных значений центростремительного ускорения, определенного тремя способами (рис. 6). Выберите интервал, где эти области перекрываются. Н—1-Н—^^—КЧ—^^—I—^—h Н—ЬЧ—НЧ—ЬЧ— Рис. 6 Сделайте вывод. 12 7. Контрольные вопросы 1. Какие силы действуют на шарик конического маятника при постоянном угле отклонения нити? 2. Как зависит угол отклонения нити от скорости движения шарика? 3. В данной работе мы рассматривали шарик как материальную точку. Всегда ли это возможно? 4. Докажите, что горизонтальная сила, измеренная динамометром, равна равнодействующей сил, действующих на шарик при его равномерном движении по окружности. 5. За счет чего получилось несовпадение значений ускорения, определенных разными способами? Лабораторная работа №2 jjaja.THjWifcM.-iif.T.a < гг мг -.гм Изучение закона сохранения механической энергии Цель работы: научиться экспериментально определять значения потенциальной энергии поднятого над землей тела и упруго деформированной пружины. Убедиться в том, что если в системе действуют только б) в) консервативные силы, то полная энергия системы остается постоянной. 1. Теоретическая часть Изучаемая система в данном эксперименте состоит из груза, привязанного к нити, другой конец которой прикреплен к пружине динамометра (рис. 7). Когда тело висит на нити, то нить и, соответственно, пружина растянуты (рис. 7, а). Растяжением нити по сравнению с растяжением пружины можно пренебречь. Если поднять груз в положение 1, то деформации пружины не будет (рис. 7, б). Стрелка динамометра находится у нуля, и следовательно, нулю равна потенциальная энергия деформированной пружины. Если груз отпустить, то он будет падать, растягивая пружину. Рис. 7 13 Если за нулевой уровень отсчета потенциальной энергии принять положение 2 груза при максимальном растяжении пружины (рис. 7, в), то в первом положении система обладает потенциальной энергией груза в поле силы тяжести, а во втором — потенциальной энергией деформированной пружины (считаем £2=0 при Л1 = 0). Пусть длина нити I, а максимальное удлинение пружины А1, тогда в положении 1 потенциальная энергия системы Е, = mg (I + А1), в положении 2 энергия Ej = kAt^/2. Здесь т — масса груза, k — жесткость пружины, которая нам неизвестна. Максимальную силу натяжения пружины можно определить с помощью динамометра. По закону Гука Еу„р = kAl. Тогда Еа = Еу„р„,,Д//2. Рассмотрим процесс превращения энергии при вертикальном движении шарика на пружине. В начале движения, когда шарик отпущен, его потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию, затем, когда пружина начинает деформироваться, система обладает и кинетической энергией, и потенциальной энергией, определяемой силой тяжести, и потенциальной энергией деформированной пружины. При этом кинетическая энергия увеличивается до того момента, когда тело проходит положение равновесия, в котором кинетическая энергия груза максимальна. Затем кинетическая энергия и потенциальная энергия, обусловленная силой тяжести, убывают, а потенциальная энергия деформированной дружины увеличивается до своего максимального значения. В положении 2 система обладает только потенциальной энергией деформированной пружины. В следующий момент времени кинетическая энергия и потенциальная энергия взаимодействия тела с Землей начинают увеличиваться, а энергия пружины уменьшается. Этот процесс превращения одной механической энергии в другую мог бы длиться сколь угодно долго, если бы отсутствовала сила сопротивления воздуха и пружина была бы абсолютно упругой. Проведение опыта затруднено тем, что тело движется достаточно быстро, поэтому правильно измерить удлинение пружины сложно. 2. Оборудование Штатив с муфтой и лапкой, динамометр, линейка, груз на нити, набор картонок толщиной порядка 2 мм, краска и кисточка. 3. Порядок выполнения работы Результаты измерений записывайте в таблицу 2.1. 14 Л/,|.\.'.\ллу\Лч\ Рис. 8 1. Соберите установку, показанную на рисунке 8. Динамометр укрепите в лапке штатива. Привяжите груз к нити, а другой конец нити привяжите к крючку динамометра. 2. Измерьте вес груза Р. В данном случае вес груза равен силе тяжести: Р = mg. 3. Измерьте длину нити, к которой привязан груз. 4. На нижнюю сторону груза нанесите немного краски. На стол под грузом положите картонку. 5. Поднимите груз до точки закрепления нити (см. рис. 7) и отпустите груз. Убедитесь по отсутствию краски на картонке, что груз не коснулся ее при падении. (Если на картонке оказалось пятнышко краски, то поднимите муфту штатива вместе с динамометром и грузом, а картонку немного сдвиньте). 6. Добавляя по одной картонке, повторяйте опыт до тех пор, пока на верхней картонке появится пятнышко краски. 7. Взявшись за груз рукой, растяните пружину до его соприкосновения с верхней картонкой. Измерьте динамометром силу упругости i^ynpniax» ^ линейкой растяжвние пружины Д/, отсчитывая его от нулевого деления динамометра. 8. Вычислите высоту, с которой падает груз: h = I + А1. Обратите внимание на то, что эту высоту надо отсчитывать или как перемещение нижней точки груза, или как перемещение его центра тяжести. Таблица 2.1. Результаты измерений р, н 1, см А1, см Л, см Р И ^упр max’ ^ 4. Расчеты Используя полученные данные, сделайте расчеты, заполняя таблицу 2.2. Таблица 2.2. Результаты вычислений mg = Р,Н А1, м h = 1 + А1, м £, = mgh, Дж ■Бг = 1 Рупр maxAl, Дж 15 5. Погрешности измерений Погрешности в этой работе определяются неточными измерениями длин и сил. Относительные ошибки косвенных измерений энергий мы можем подсчитать по формулам е -^'^12 е - — AF Д„.„/ I ’ где Дощ/ — ошибка измерения длины, AF — ошибка измерения силы. Абсолютные погрешности при определении энергий находим по формулам: Al^,^ = АЕз = Ег-^'з- Таблица 2.3. Расчет погрешности измерения потенциальной энергии AF, Н AF Р ^ ОШ ^ h £i A£i — Дж Таблица 2.4. Расчет погрешности измерения энергии упруго деформированной пружины Ajpy^p, Н AF F ^ ynp max Аош^> M ^OUl ^ Al £2 AE2 = £2^2. Дж 6. Результаты и выводы Окончательно возможные значения энергий Е[ и E'z определите как интервалы £] — AEj ^ Е\ ^ Е^ + AEj jEo — AEq ^ Е'о ^ Еп -1- Д_Ео 16 Несовпадение значений энергий объясняется неточностью эксперимента (т. е. погрешностями измерений). На оси (рис. 9), выбрав цену делений, отметьте возможные значения потенциальных энергий в двух состояниях системы. —Ы—f-Ч—1111——Ы—ЬЧ—I I I I I I I I—h-»- Рис. 9 Сделайте вывод. 7. Контрольные вопросы 1. Какие консервативные силы действуют на груз, подвешенный на пружине? 2. Когда кинетическая энергия груза максимальна? 3. Можно ли сказать, что максимальная кинетическая энергия груза равна потенциальной энергии груза в начальном положении 1 ? 4. Какие неконсервативные силы действуют на систему? 5. Чем мы пренебрегаем при рассмотрении закона сохранения энергии? 6. Могут ли полученные значения энергии точно совпасть? 7. Какие систематические погрешности возможны в проведенном эксперименте по проверке закона сохранения энергии? 8. Можно ли по полученным данным определить жесткость пружины? щ Лабораторная работа № 3 Экспериментальная проверка закона Гей-Люссака Цель работы: проверить экспериментально выполнение закона Гей-Люссака. 1. Теоретическая часть С точки зрения молекулярно-кинетической теории идеальный газ — это газ, при описании которого можно пренебречь силами взаимодейст- 17 ВИЯ между молекулами, а также размерами самих молекул. Из этого следует, что идеальный газ должен быть разреженным газом, в котором расстояния между молекулами велики и, следовательно, силы взаимодействия малы, а объем, суммарно занимаемый самими молекулами, существенно меньше объема сосуда, в котором они находятся. Опыты показывают, что при атмосферном давлении реальные газы подчиняются газовым законам. Если газ подчиняется газовым законам, то его можно считать идеальным. Идеальный газ — модель реального газа. Уравнение Клапейрона для идеального газа: pv . — = const, при этом масса газа остается постоянной. Частный случай уравнения Клапейрона — полученный экспериментально закон Гей-Люссака: «Для газа постоянной массы при постоянном давлении отношение объема газа к абсолютной температуре есть величина постоянная: Vi V2 — = — при /те = const, р = const». •<1 ^2 Это уравнение можно записать по-другому: V, h Т2 в качестве рабочего газа в данной работе используется воздух. Если длинную трубку поместить в большой сосуд с горячей водой при температуре Т, (рис. 10), то спустя несколько минут температура воздуха в трубке станет равна температуре воды. В этом состоянии объем воздуха в трубке = i,S, давление р - Масса газа должна оставаться постоянной, поэтому открытый конец трубки нужно плотно закрыть, например замазать пластилином. Вынем трубку из сосуда с горячей водой и сразу же опустим закрытым концом в малый сосуд (стакан) с водой при комнатной температуре (рис. 11). Под водой вынем пластилин. По мере охлаждения воздуха объем его будет уменьшаться и вода будет подниматься в трубке (рис. 12). Однако при этом изменяется и давление воздуха в трубке, становясь равным - pgh. Чтобы давление воздуха в трубке оставалось равным атмосферному давлению, будем погружать трубку в воду до тех пор, пока уровни воды в трубке и сосуде не выровняются (рис. 13). В этом состоянии объем воздуха V2 = I2S, а его температура Т2. Оста- V т лось сравнить отношения объемов и температур (Так как пло- 18 Рис. 10 Рис. 11 Рис. 12 Рис. 13 щадь сечения трубки не изменяется, то отношение объемов можно . V, l,S h . заменить отношением длин столбиков воздуха: — = 2. Оборудование Запаянная с одной стороны стеклянная трубка длиной около 60 см и диаметром 8—10 мм, заполненный горячей водой большой сосуд высотой не менее 60 см и шириной не менее 5 см, малый сосуд (стакан) с водой комнатной температуры, пластилин, термометр для измерения температуры воды, линейка. 3. Порядок выполнения работы Все измеренные значения заносите в таблицу 3.1. 1. Измерьте длину трубки Zj. 2. Налейте в широкий сосуд горячую воду, опустите трубку открытым концом вверх. Подождите несколько минут. Измерьте температуру горячей воды Zj. 3. Замажьте открытый конец трубки пластилином. 4. Опустите трубку закрытым пластилином концом в стакан с водой комнатной температуры. Подождите несколько минут, пока трубка остынет до комнатной температуры. 5. Измерьте температуру <2 воды в стакане. 6. Аккуратно выньте пластилин. Вода в трубке поднимется. 7. Опускайте трубку в стакан до тех пор, когда уровни воды в стакане и трубке станут равны. 8. Измерьте длину I2 столбика воздуха в трубке. 19 Таблица 3.1. Результаты измерений мм ti, °с I2, мм h,°c 4. Расчеты Используя измеренные значения, найдите отношения объемов и абсолютных температур воздуха для двух его состояний. При этом нет необходимости переводить значения длины в метры, так как требуется определить отношение длин. Главное, чтобы обе длины были измерены в одних единицах (мм, см и т. д.). А вот значения температуры нужно перевести в кельвины. Таблица 3.2. Результаты вычислений К, _ Z, ^2 I2 Т„ К Гг, К Ti К 5. Погрешности измерений Ошибки в данной работе могут возникнуть за счет неточного измерения температуры и длины воздушного столбика. Погрешность измерения длины А/ = 1 мм, погрешность измерения температуры АТ = 1 К. Относительная погрешность отношения длин столбиков воздуха можно вычислить по формуле AZ М "■^77 + 77- Относительная погрешность определения отношения температур 6о = АТ АТ Ti + Абсолютные погрешности определения отношений этих величин А, = е,' V., = £i А о — £ 5 Tl Го Таблица 3.3. Расчет погрешности определения отношения объемов А1, м м ^ 1 А/ ^2 £] Д,=е,.А Г, 20 Таблица 3.4. Расчет погрешности определения отношения температур АТ, К АТ АТ 'К Е2 Аг — £2 Тг 6. Результаты и выводы Напомним, что отношение объемов равно отношению длин воз- душных столбиков в трубке: V, h h Окончательно результат можно записать в виде ■‘ЙГ Т, 2 ) Т, -(-А; Выбрав подходящую цену деления, изобразите на оси (рис. 14) интервалы возможных значений отношений объемов и температур. Убедитесь в том, что интервалы перекрываются. ■I I I—1-1- Т V _2 • _2 Г,’ F. Рис. 14 Сделайте вывод. 21 7. Контрольные вопросы 1. При каких условиях для рассмотрения процессов, происходящих с газом, можно пользоваться моделью идеального газа? 2. Частным случаем какого закона является закон Гей-Люссака? 3. Почему надо было ждать, прежде чем измерять температуру воздуха в трубке? 4. На диаграмме V-T изобразите два состояния воздуха в трубке. 5. На этом же графике приблизительно изобразите переход газа из состояния 1 в состояние 2. 6. Можно ли сказать, что процесс перехода газа из состояния 1 в состояние 2 изобарный? 7. Что приводит к неизбежным погрешностям измерений в данном эксперименте? 8. Какие еще газовые законы вам известны? Лабораторная работа № 4 Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока Цель работы: научиться собирать электрические схемы, измерять ЭДС источника тока, а также путем косвенных измерений определять его внутреннее сопротивление. 1. Теоретическая часть Для того чтобы в электрической цепи шел ток, в нее включают источник тока. Этот источник должен быть неэлектрического происхождения, работа источника по перемещению заряда по замкнутому контуру должна быть не равна нулю (в отличие от работы электростатических сил). В данной работе используется химический источник тока — обычная батарейка или аккумулятор. ЭДС источника тока равна отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемешении заряда по замкнутому контуру, к этому заряду: л ^ -^СТ Для определения ЭДС источника тока его подключают к вольтметру, сопротивление которого много больше внутреннего сопротивления г источника, поэтому падение напряжения на сопротивлении 22 вольтметра незначительно отличается от значения ЭДС. Погрешность определения ЭДС в этом случае практически равна погрешности прибора. Для измерения ЭДС источника тока можно воспользоваться обычным школьным вольтметром со шкалой О—б В и сопротивлением порядка 900 Ом. На рисунке 15 показана электрическая схема полной цепи, состояш;ая из источника тока, резистора с переменным сопротивлением, амперметра и вольтметра. Измерение ЭДС проводят при разомкнутом ключе (когда ток по цепи не идет). Внутреннее сопротивление г источника можно определить косвенным путем, измерив силу тока и напряжение при замкнутой цепи. По закону Ома для полной цепи сила тока I = R + r' где R — сопротивление резистора. Напряжение, измеряемое вольтметром, и = IR = S- 1г. Из последнего равенства следует: S - и Таким образом, измеряя напряжение и силу тока, при известной ЭДС можно найти внутреннее сопротивление источника. 2. Оборудование Аккумулятор или батарейка, вольтметр, амперметр, реостат, ключ, соединительные провода. 3. Порядок выполнения работы Все измеренные значения заносите в таблицу 4.1. 1. Соберите электрическую цепь согласно схеме (см. рис. 15). Напомним, что вольтметр включается в цепь параллельно, а амперметр — последовательно. 2. Замкните цепь и убедитесь в том, что ток по цепи идет. 3. Разомкните цепь и измерьте ЭДС источника тока (опыт 1). 4. Замкните цепь и измерьте ток и напряжение при трех положениях ползунка реостата (опыты 2—4). 23 Таблица 4.1. Результаты измерений № опыта и, В /, А <6‘, В 1 — — 2 — 3 — 4 — 4. Расчеты ЭДС, как уже говорилось, равна напряжению, измеренному вольтметром при разомкнутой цепи. Это прямое измерение. Значение S одинаково во всех дальнейших опытах. Внутреннее сопротивление источника тока рассчитайте согласно таблице 4.2. Вычислив значения внутреннего сопротивления источника тока для каждого опыта, определите среднее значение этой величины. Таблица 4.2. Результаты вычислений № опыта ^-и, В Г ~ —J—, Ом 2 3 4 Гг +г^ -1-г., '■ср 3 — 5. Погрешности измерений Ошибка измерения ЭДС источника тока равна приборной погрешности Ш, связанной с классом точности вольтметра. (Если при выполнении работы используется вольтметр с пределом измерения 6 В и ценой деления шкалы 0,2 В, абсолютная приборная погрешность составляет MJ = 0,15 В.) Относительная погрешность измерения ЭДС е«- = . Абсолютная погрешность Д(6' = е^; (6*. Относительная погрешность определения внутреннего сопротивления источника тока определится следующим образом; Ш -I- ДС/ д/ р “ ' ■ .1 ■. I ' ■' S-U I 24 Абсолютная погрешность Аг = г^рЕ^. При измерении силы тока амперметром с пределом измерения 2 А и ценой деления 0,1 А абсолютная приборная погрешность составляет А/ = 0,05 А. Если для измерений используются другие приборы, то абсолютная приборная погрешность вычисляется как произведение класса точности прибора и предела измерения, деленное на 100, так как класс точности указывается в процентах. Например, если класс точности амперметра 0,5 и предел измерения 50 мА, то абсолютная приборная погрешность составляет 0,25 мА. Если цена деления амперметра равна 1 мА, то абсолютная погрешность отсчета равна 0,5 мА. В этом случае максимальная абсолютная погрешность прямых измерений берется равной 0,75 мА. Это же значение затем используется при вычислении относительной погрешности косвенных измерений. Так как измерения проводились при трех значениях внешнего сопротивления, то оценим погрешность по второму измерению (таблица 4.4). Кроме того, отдельно определите отклонения каждого из значений г, (Гг, /"з, г^) от среднего значения и выберите максимальное. Таблица 4.3. Расчет погрешности измерения ЭДС AUqj в е * S AS = t^S Таблица 4.4. Расчет погрешности определения внутреннего сопротивления источника тока AU, В 2AU s-и А1 I Аг' = Аг" = 1 г — Г- 1 1 'ср ' » Imax Из двух значений Аг' и Аг" выберите большее и используйте его для записи окончательных результатов. 6. Результаты и выводы Запишите окончательные результаты измерений ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока в виде (Ь‘-AU •• • т Л1 При параллельном соединении проводников (рис. 17) напряжение на их концах одинаково: и = и, = Uz. Если сопротивления проводников различны, то токи, идущие через них, также различны. Ток, который шел бы через эквивалентное сопротивление, равен сумме токов, идущих по параллельно соединенным проводникам: 1 = 1, + Iz. (4) Фа. I -€ R2 Фа< -ezb Фв Фв Фа-Фв=1/ Рис. 17 27 По закону Ома для однородного участка цепи сила тока равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению: Подставив в формулу (4) силы токов I, выраженные через напряжение и сопротивление, имеем отсюда R и и ^экв Rx R2 1 1 ^экв Rx R2 (5) При любом количестве параллельно соединенных проводников эквивалентное (полное) сопротивление этого участка цепи определяется формулой R Ri Й2 Rs 2. Оборудование Источник тока, резисторы, амперметр, вольтметр, реостат, соединительные провода, ключ. 3. Порядок выполнения работы Все измеренные величины записывайте в таблицу 5.1. 1. Соберите схему, состоящую из соединенных последовательно источника тока, реостата, амперметра, одного резистора (рис. 18). 2. Подключите к точкам С и D вольтметр параллельно резистору. 3. Замкните цепь и измерьте силу тока Ii и напряжение L/j. 4. Замените первый резистор вторым и измерьте силу тока /а и напряжение 1/2. 5. Подключите между точками С та D оба резистора пос.тедовательно. Параллельно им подключите вольтметр. Измерьте силу тока /3 и напряжение С/3. 6. Соедините резисторы параллельно, подключите их между точками С и D, затем параллельно им подключите вольтметр. Измерьте силу тока и напряжение и R2 Рис. 18 ,D 28 Таблица 5.1. Результаты измерений А, А С/„ В /2. А С/2. В /з. А (7з, В /4, А t/4, В 4. Расчеты Сопротивление резисторов определите косвенным путем согласно формуле (2). Последовательно заполните таблицу 5.2. Таблица 5.2. Результаты вычислений i?i = Ом и, Ro = , Ом h U3 ■^посл = -—,0м ^3 ^ паралл - > Ом i 4 Вычислите значения сопротивлений при последовательном и параллельном соединениях резисторов по формулам (3) и (5). Таблица 5.3. Расчет по формулам л,. Ом Ry , Ом -Кпосл = Й1 + Дя, Ом ^ R1R2 ^ ^паралл ~ ту , г, J Ом XV J + л\2 Сравните значения эквивалентных сопротивлений при последовательном и параллельном соединениях резисторов, полученные в таблицах 5.2 и 5.3. Возможное несовпадение результатов объясняется погрешностями измерений. 5. Погрешности измерений Относительную погрешность измерения каждого сопротивления можно определить по формуле ^ AU AI t/( /, • Абсолютная погрешность AR^ = е,Д,. Рассчитайте погрешность измерения сопротивления резистора последовательно заполняя таблицу 5.4. Таблица 5.4 AU, В AI, А AU и. AI /1 AR = Ом 29 Начертите аналогичные таблицы для расчетов погрешностей, возникающих при измерении сопротивления второго резистора (таблица 5.5), а также при измерениях сопротивлений при последовательном и параллельном соединениях резисторов (таблицы 5.6 и 5.7). Рассчитайте погрешности измерений. Для таблиц в тетради оставлено свободное место. 30 6. Результаты и выводы Оцените, насколько ошибки измерений повлияли на совпадение результатов вычислений в таблицах 5.2 и 5.3. Запишите окончательные результаты измерений сопротивлений для каждого случая в виде: R-AR большую силу F, параллельную поверхности. Брусок остается в покое (рис. 22). Это означает, что со стороны поверхности на него действует сила, равная по модулю и противоположная по направлению, — это и есть сила трения покоя. Если силу F увеличивать, то до некоторого значения этой силы брусок остается в покое, а затем начинает двигаться. При движении на него действует сила трения скольжения противоположно направлению движения (рис. 23). На рисунке 24 приведен график зависимости проекции силы трения F^^j^ от проекции внешней силы F^, действующей на тело. Из графика видно, что сила трения покоя равна по модулю внешней силе, а макси- Ртрп —— Рис. 22 Ртрх Рис. 23 F Ftp б) mg Рис. 24 37 мальное значение силы трения покоя равно силе трения скольжения. Сила трения скольжения остается постоянной при движении тела и не зависит от силы. Однако вы, наверное, заметили, когда двигали что-то тяжелое, что, как только тело начинает движение, сила трения немного уменьшается. Как правило, этим небольшим уменьшением мы пренебрегаем при решении задач. Сила трения скольжения направлена в сторону, противоположную относительной скорости тел, и равна произведению коэффициента трения |i и силы нормального давления N: = iiN. (1) Таким образом, сила трения скольжения зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу. При этом она не зависит от плош;ади соприкосновения тел: если перевернуть брусок на грань меньшей площади, сила трения останется прежней. Коэффициент трения можно измерить следующим способом. Рассмотрим тело, движущееся равномерно по наклонной плоскости. На тело действуют сила тяжести, сила нормального давления и сила трения (рис. 25). Сумма сил, действующих на тело, при равномерном движении равна нулю: Я + Яр + ^ = 0. (2) Выберем оси координат, как показано на рисунке 25. В проекциях на оси ОХ и OY уравнение (2) имеет вид mg sin а - ^ ~ cos а = 0. Из последнего уравнения следует: N - mg cos а. Воспользовавшись выражением (1) для силы трения, получим mg sin а - \irng cos а = 0, тогда ц = tg а. Таким образом, измерив угол, при котором тело начинает скользить по наклонной плоскости, мы можем определить коэффициент трения. 2. Оборудование Доска, два разных бруска, различающиеся по гладкости поверхностей, лист плотной бумаги, штатив, линейка. 38 3. Порядок выполнения работы Результаты измерений записывайте в таблицу Д2.1. 1. Измерьте длину доски. 2. На штативе укрепите кусок плотной бумаги, как показано на рисунке 26. Нижний конец листа должен касаться стола. 3. Положите первый брусок на доску. 4. Один конец доски не должен двигаться, поэтому прижмите его к какой-нибудь опоре, например к стопке книг. Начинайте медленно поднимать доску за другой конец. Зафиксируйте, на какой высоте будет находиться конец доски, при которой брусок начнет скользить. Проведите на бумаге черту. 5. Измерьте расстояние h на бумаге от нижнего края до черты. Таблица Д2.1 № опыта Длина доски 1, см h, см 1 2 3 6. Проведите аналогичные опыты со вторым бруском и заполните таблицу Д2.2. Таблица Д2.2 № опыта Длина доски 1, см Л, см 1 2 3 7. Переверните брусок на другую грань и повторите опыт. Проверьте, существенно ли различается высота подъема конца доски, при которой брусок начинает скользить. Сделайте вывод. 39 4. Расчеты Выполните расчеты, используя данные таблицы Д2.1. Таблица Д2.3 № опыта h, м 1, м d = ■yjl^ - Ц = tg а = а 1 2 3 йср = Выполните расчеты, используя данные таблицы Д2.2. Таблица Д2.4 № опыта Л, м 1, м d = ц = tg а = ^ а 1 2 3 Цср = Сделайте вывод. 5. Контрольные вопросы 1. Какая из сил сухого трения зависит от значения действующей на тело силы? 2. Зависит ли сила трения скольжения от качества обработки соприкасающихся поверхностей или от свойств материалов, из которых сделаны тела? 3. Тело падает вдоль вертикальной стены. Будет ли на его движение влиять сила трения скольжения? 4. Зависит ли коэффициент трения от силы нормального давления? 5. Брусок лежит на наклонной доске. Как зависит сила трения покоя, действующая на брусок, от угла между доской и полом? 6. За счет чего возникают ошибки при измерении коэффициента трения таким способом? 40 Лабораторная работа ДЗ Изучение движения тела, брошенного горизонтально Цель работы: проверить закон независимости движений на примере движения тела, брошенного горизонтально. 1. Теоретическая часть Движение тела, брошенного горизонтально, — пример криволинейного движения с постоянным ускорением. Если пренебречь силой сопротивления, то единственная сила, которая будет действовать на падающее тело, — это сила тяжести. Следовательно, тело движется под действием силы тяжести с ускорением свободного падения g. Закон независимости движений состоит в том, что всякое сложное движение мы можем рассматривать как сумму независимых простых движений. В данном случае движение тела разумно представить как сумму двух движений (рис. 27): равномерного движения по горизонтали (а, = О) и равноускоренного движения по вертикали (а^, = -g). Уравнения движения тела, брошенного горизонтально, имеют следующий вид: по оси ОХ X = v^t, по оси OY у = h- (1) (2) Уравнения движения позволяют определить уравнение траектории у = f (х), по которой движется тело. Выразив из уравнения (1) X время t = — и подставив его в уравнение (2), получим у = h 2о1 Время движения тела определим из уравнения (2): g 0 = h- gtl = I n L Дальность полета L = Vo -J—. V g Таким образом, время полета не зависит от начальной скорости и определяется только высотой Л, с которой брошено тело, а дальность 41 полета определяется начальной горизонтальной скоростью тела Ug и высотой /г. 2. Оборудование Небольшой шарик, желоб, линейка, секундомер, указка, ящик с песком. 3. Порядок выполнения работы Работу должны выполнять двое учащихся. 1. Положите на поверхность стола желоб, по которому будет катиться шарик, таким образом, чтобы его конец совпал с концом стола. Измеряемые значения времени и расстояния заносите в таблицу Д3.1. 2. Измерьте высоту h, с которой будет падать шарик, как только он оторвется от поверхности желоба. 3. Первый учащийся ударяет указкой по шарику так, чтобы он двигался по желобу. Второй учащийся включает секундомер, когда шарик отрывается от желоба, и выключает, когда услышит удар о пол. 4. Два раза, изменив силу, с которой вы ударяете шарик, измените его скорость. Измерьте время падения шарика. 5. Поставьте ящик с песком в месте, где предположительно упадет шарик. Ударьте по шарику и определите расстояние I от стола до точки падения. 6. Передвиньте ящик и ударьте по шарику слабее. Измерьте расстояние от стола до точки падения шарика. Таблица Д3.1 № опыта Л, см t, с 1, СМ 1 — 2 — 3 — ^ _ ti + (г + h _ СР - g 4 — 5 — 4. Расчеты Зная высоту Л, с которой падал шарик, и ускорение свободного . [2Л падения, вычислите время движения шарика ^ ~ 42 Сравните рассчитанное значение времени падения со средним временем падения, определенным из опыта. Сделайте вывод. Определите начальную скорость шарика для каждого из двух измеренных значений дальности полета. № опыта 1, м ^ср 1 оо = — *' ср 4 5 На рисунке 28, выбрав правильный масштаб по осям ОХ и ОУ, постройте траектории движения шарика для двух найденных значений начальной скорости. 5. Контрольные вопросы 1. По какой траектории движется тело, брошенное горизонтально? 2. Если известны дальность и время полета тела, брошенного горизонтально, можно ли определить высоту, с которой падало тело? 43 3. Какие движения определяют сложное движение тела, брошенного горизонтально? 4. Какое из движений (вдоль оси ОХ или вдоль оси OY) определяет время полета тела? 5. По какой причине реальная траектория движения горизонтально брошенного тела не точно соответствует параболе? 6. Можно ли утверждать, что движение с постоянным ускорением является прямолинейным? 7. Скорость тела, брошенного горизонтально, непрерывно меняется в процессе движения. Изменяется ли она равномерно (т. е. на одно и то же значение за равные промежутки времени)? Лабораторная работа Д4 Изучение равновесия тела под действием нескольких сил Цель работы: убедиться в правильности первого и второго условий равновесия. 1. Теоретическая часть Условие равновесия тела материальной точки состоит в том, что тело находится в равновесии, если векторная сумма внешних сил, действующих на тело, равна нулю: F, + F.,+... = Q. (1) Для равновесия твердого тела, размерами которого пренебречь нельзя, этого условия недостаточно. Две силы, равные по модулю и направленные в противоположные стороны, вызывают вращение твердого тела (рис. 29). Моментом сил М называется произведение действующей силы F на плечо силы d — кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы (рис. 30). Для того чтобы твердое тело, имеющее неподвижную ось вращения, было неподвижно, должно выполняться второе условие равновесия: алгебраическая сумма моментов сил, действующих на твердое тело, относительно оси вращения должна быть равна нулю: М, + Мг-I-... = 0. (2) Рис. 30 44 Момент силы считается положительным, если сила вызывает вращение против часовой стрелки, и отрицательным, если сила вызывает вращение по часовой стрелке (рис. 31). Для равновесия твердого тела необходимо и достаточно выполнение условий (1) и (2). 2. Оборудование Три динамометра, небольшое колечко, набор грузиков, линейка, штатив, транспортир. 3. Порядок выполнения работы Проверим первое условие равновесия. 1. Укрепите конец одного из динамометров (рис. 32). Второй его конец зацепите за кольцо. 2. Зацепите два других динамометра за это же кольцо и тяните таким образом, чтобы два последних динамометра образовывали прямой угол. Когда кольцо станет неподвижным, снимите показания динамометров и запишите в таблицу Д4.1. 3. Повторите опыт, стараясь расположить динамометры так, чтобы угол между ними был 120°. Снимите показания динамометров и запишите их в таблицу Д4.1. I ■И. Рис. 32 Таблица Д4.1 № опыта Fx Fi Fz 1 2 Проверим второе условие равновесия. 1. Возьмите линейку и сделайте в ней дырочки, как показано на рисунке 33, а. Закрепите линейку на штативе. 2. С одной стороны от точки закрепления на расстоянии = 4 см подвесьте грузик т^. 45 а) Рис. 33 N, , ^ У mg 3. Подвешивайте меньший грузик гп2 с другой стороны на разных расстояниях I2 до тех пор, пока линейка не установится горизонтально. Запишите значения масс грузиков и расстояний от точки закрепления линейки до грузиков в таблицу Д4.2. 4. К первому грузику на левой стороне линейки подвесьте еще один грузик т^. 5. С правой стороны подвесьте еще один грузик на таком расстоянии 1^, чтобы линейка опять вернулась в горизонтальное положение. Запишите все значения в таблицу Д4.2. б) Таблица Д4.2 № опыта mi, г li, см m2, г I2, см mg, г Ig, см т4, г Ц, см 1 — — — — 2 4. Расчеты 1. Проверка первого условия равновесия. Рассчитайте равнодействующую сил F2 и Fg: F = yjF2 + F^ Сравните полученное значение с Fj. Сделайте вывод. Нарисуйте три силы под углом 120°. Убедитесь в том, что при равновесии эти силы равны. 46 2. Проверка второго условия равновесия. При подвешивании грузика на линейку действует сила давления крючка (рис. 33, б). Эта сила давления по третьему закону Ньютона равна силе, действующей на крючок, которая, в свою очередь, равна силе тяжести, так как грузик находится в положении равновесия. Поэтому при расчетах можно использовать силу тяжести грузика. В первом опыте вычислите сумму моментов сил, действующих на линейку:____________________________________________________ Найдите алгебраическую сумму сил, действующих на линейку, во втором опыте:_______________________________________________ Сделайте вывод. 5. Контрольные вопросы 1. Что такое момент силы? 2. Если силы, действующие на тело, направлены под острым углом, может ли тело находиться в равновесии? 3. Если на тело действуют две силы, одна из которых направлена по линии, проходящей через ось вращения, может ли это тело находиться в равновесии? 4. Что такое равновесие тела? 5. Если линейка расположена не горизонтально, но она неподвижна, можно ли утверждать, что она находится в положении ргшновесия? 6. Если наклонить линейку, как изменится плечо силы, действующей на линейку со стороны крючка, на который подвешен груз? 47 СОДЕРЖАНИЕ Введение................................................3 Погрешности измерений...................................4 План выполнения лабораторной работы.....................7 Лабораторная работа № 1 Изучение движения тела по окружности....................— Лабораторная работа № 2 Изучение закона сохранения механической энергии........13 Лабораторная работа № 3 Экспериментальная проверка закона Гей-Люссака..........17 Лабораторная работа № 4 Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока...................................................22 Лабораторная работа № 5 Последовательное и параллельное соединения проводников . . 26 Лабораторная работа Д1 Измерение жесткости пружины............................32 Лабораторная работа Д2 Измерение коэффициента трения скольжения...............37 Лабораторная работа ДЗ Изучение движения тела, брошенного горизонтально.......41 Лабораторная работа Д4 Изучение равновесия тела под действием нескольких сил . . . 44