Физика 11 класс Тетрадь лабораторных работ Парфентьева

Классический курс Н. А. Парфентьева Г'ПТЕТПТТЧ Тетрадь для лабораторных работ ; 'STi.o4^- : - Н. А. Парфентьева - Тетрадь для лабораторных работ 11 класс Пособие для учащихся общеобразовательных учреждений - - ■ -г-г^ ч* 2-е издание If ’ ""t ^ f с г is >- л *^V ^ ‘'-'"tL 5>^ ; я---- ' ^иг > /• * v,!‘ -- - ^ Й' ^ ^ ,3. sA-s^v’^ _ 43LS. 'j Москва «Просвещение» 2012 УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я72 П18 Учебное издание Парфентьева Наталия Андреевна ФИЗИКА Тетрадь для лабораторных работ 11 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 А.К.Райхчин. Ю. Б. Григорьева Налоговая льгота — Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93—953000. Изд. лиц. Серия ИД № 05824 от 12.09.01. Подписано в печать 14.10.11. Формат 70 X 90Vi6* Бумага офсетная. Гарнитура Школьная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,37. Тираж 5000 экз. Заказ № 4425. 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. ISBN 978-5-09-026768-7 © Издательство «Просвещение*, 2010 © Художественное оформление. Издательство «Просвещение*, 2010 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 физических величин необходимо для 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 измерений. В этой тетради предлагаются описания лабораторных работ, которые рекомендуется выполнить в 11 классе в соответствии с программой изучения физики. Тетрадь поможет вам еще раз вспомнить изучаемый в работе физический закон, правильно оформить результаты измерений, сделать необходимые выводы. При этом многие таблицы, расчеты, оценки погрешностей измерений вы должны выполнить самостоятельно, используя опыт, приобретенный в 10 классе. Контрольные вопросы, предлагаемые в конце работы, дадут возможность более глубоко понять то явление, которое вы экспериментально изучили; одновременно они полезны для самопроверки. Для ответов на контрольные вопросы требуется знание теории по данной теме; если ответы на вопросы вызовут у вас затруднения, прочитайте еще раз соответствующий материал в учебнике. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ 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 V - 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„. АЛ — абсолютная погрешность измерения. Зная абсолютную погрешность, можно рассчитать интервал значений, в пределах которого с определенной степенью точности находится истинное значение измеряемой величины: А„з„ - 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 = ДА„р -н ДА^.,. Приборная погрешность определяется конструкцией прибора. Каждый прибор имеет класс точности у» зная который можно найти абсолютную приборную погрешность по формуле \л = V У JQQ » где А„,зх — 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 следуюгцие классы точности: 0,1; 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 правило, определя- ется половиной цены деления прибора. Если положение стрелки прибора изменяется скачками (например, у секундомера), то абсолютная погрешность определяется ценой наименьшего деления. Абсолютная погрешность измерения всегда округляется до одной значащей цифры. Пример. Результат расчета ускорения свободного падения при косвенном измерении g" = 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 < g < 10,1 м/с^. Реальное значение ускорения свободного падения попадает в этот интервал значений. 6. Погрешности делятся на систематические и случайные. К систематическим относится приборная погрешность, а также погрешность, связанная с избранным методом измерения, в котором заложена неточность. К случайным относятся непредсказуемые погрешности, связанные, например, с неисправностью прибора, с изменением внешних условий, с неточностью отсчета. Систематические погрешности при выполнении конкретного эксперимента уменьшить нельзя, однако случайные погрешности можно уменьшить, проводя большое число опытов или используя разные приборы и методы измерений. Если, например, провести N опытов, то результат измерения считается равным среднему арифметическому результатов отдельных измерений: Ai + А2 + ... + Адг -^ср N где Ai, Ag, ... — значения величины, полученные в результате первого, второго опытов и т. д. Абсолютная погрешность в этом случае пропорциональна средней квадратичной погрешности: ДА. (Ai - А,р)2 + (Аа -А,р)2 + ... + (Ад, -А^р)' N(N - 1) Из этой формулы очевидно, что чем больше число измерений, тем меньше погрешность среднего арифметического. В школьных лабораторных работах обычно абсолютная погрешность считается равной приборной погрешности АА„р. Формулы для вычисления относительной погрешности косвенных измерений величины А (В, С и D — величины, входянще в формулу) Формула для определения Формула для определения физической величины А относительной погрешности е А = В±С ДВ +АС е = В±С А = —, A = BCD CD АВ АС AD е = — + — + — BCD ^ _ АБ ^ 1 АС ^ \АР В 2 С 2D А = В'^ о е = п — В Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется по формуле ЛА — еЛ. А . — АА, изм1 1 7. Сравнение результатов измерений 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. J -^изм2 ^^2 А Лзм2 + Д^2 Рис. 1 8. Окончательная запись результатов измерений - АА < А < А„з„ -f- АА, £ = ...%. ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ 1. Изучите теорию, попытайтесь самостоятельно вывести рабочую формулу, по которой будете рассчитывать искомые величины. 2. Рассмотрите оборудование, предлагаемое для выполнения лабораторной работы. Там, где это требуется, соберите установку для проведения эксперимента. 3. Проведите наблюдения и измерения, каждый раз записывая результаты. 4. Выполните расчеты. 5. Там, где требуется, рассчитайте погрешности. 6. Запишите окончательный результат с учетом погрешностей и сделайте вывод. 7. Ответьте на контрольные вопросы. Ш Лабораторная работа № 1 Взаимодействие постоянного тока с магнитным полем Цель работы: исследовать взаимодействие тока с постоянным магнитом. 1. Теоретическая часть Постоянные магниты взаимодействуют таким образом, что одноименные магнитные полюсы отталкиваются друг от друга, разноименные притягиваются. Проволочный виток, по которому идет ток, создает вокруг себя магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитом. Взаимодействие зависит от расположения витка и магнита, а также от направления и значения силы тока в витке. Если вместо одного витка взять проволочную катушку, то магнитное поле станет больше, взаимодействие катушки с постоянным магнитом усилится, и, следовательно, его обнаружить будет проще. 2. Оборудование Источник тока, реостат, ключ, проволока, катушка, магнитный стержень, штатив, динамометр, амперметр. 3. Порядок выполнения работы Первый опыт. 1. На штативе подвесьте динамометр, к динамометру прикрепите магнит, под магнитом расположите катушку (рис. 2). 2. Соберите электрическую схему согласно рисунку 3. Рис. 2 Рис. 3 3. Установите бегунок реостата в положение, соответствующее максимальному сопротивлению. 4. Замкните цепь. 5. Изменяйте силу тока, уменьшая сопротивление реостата, и записывайте показания динамометра в таблицу 1.1. Таблица 1.1 № опыта 1 2 3 4 5 6 / F б. Измените направление тока в катушке. Проведите аналогичные измерения, записывая результаты измерений в таблицу 1.2. Отметьте изменения показаний динамометра. Таблица 1.2 № опыта 1 2 3 4 5 6 I F Второй опыт. 1. На штативе подвесьте моток из проволоки (рис. 4). 2. Соберите электрическую цепь согласно рисунку 5. 3. Поднесите к проволоке магнит, как показано на рисунке 4. Что происходит? Свои наблюдения запишите ниже. 4. Поверните магнит и поднесите его к проволоке другим полюсом. Наблюдения запишите. О Рис. 4 Рис. 5 8 5. Измените направление тока в мотке проволоки и поднесите к нему м£1гнит сначала одним полюсом, затем другим. Наблюдения: 1 (пункт 3). 2 (пункт 4). 3 (пункт 5). 4. Результаты и выводы Первый опыт. Нарисуйте катушку и покажите направления полюсов ее магнитного поля. Постройте график зависимости силы взаимодействия катушки с магнитом от силы тока, сделайте вывод. Второй опыт. Покажите направление тока в мотке проволоки (пункт 3). Объясните результаты опытов. 5. Контрольные вопросы 1. Виток проволоки, по которой идет ток, находится в постоянном магнитном поле. Вектор индукции магнитного поля перпендикулярен плоскости, в которой расположен виток. Действует ли магнитное поле на виток? 10 2. Как зависит сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле, от силы тока? 3. На прямой проводник с током, помещенный в магнитное поле, не действует сила. Как расположен этот проводник в поле? 4. Постоянный магнит и катушка с током, как вы убедились, взаимодействуют. Можно ли измерить силу взаимодействия, если вместо постоянного магнита к динамометру прикрепить катушку, по которой идет ток? 5. Почему в первом опыте лучше использовать катушку, а не отдельный проволочный виток? 6. Могут ли магнитные поля катушки и постоянного магнита оказывать на один и тот же проводник с током одинаковое действие? Я| Лабораторная работа N2 2 Явление электромагнитной индукции Цель работы: изучить одно из самых важных явлений электромагнетизма — явление электромагнитной индукции. 1. Теоретическая часть Явление электромагнитной индукции состоит в том, что изменяющийся во времени магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым проводящим контуром, вызывает появление электрического тока в контуре. Это явление доказывает взаимосвязь электрического и магнитного полей. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока: о АФ =--KF (1) Направление индукционного тока в контуре определяется правилом Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей. Это означает, что при увеличении магнитного потока поле возникающего индукционного тока стремится его уменьшить, при уменьшении — увеличить. Зная направление магнитного поля индукционного тока, можно определить направление самого тока. Заметим, что, когда изучают поле, создаваемое проводником с током, ставится обратная задача: по направлению тока определить направление вектора индукции магнитного поля, которое создает ток. В этой работе мы фактически отчасти повторим опыты Фарадея, открывшего явление электромагнитной индукции. 11 2. Оборудование Источник тока, гальванометр, катушка 1, железный сердечник, подковообразный магнит, магнитная стрелка, реостат, ключ, витки проволоки или катушка 2, диаметр которой больше диаметра катушки 1. 3. Порядок выполнения работы Результаты наблюдений следует описать, а затем объединить в итоговую таблицу. 1. Предварительный опыт. Соберите схему согласно рисунку 6. В катушку вставьте железный сердечник. Замкните цепь, заметьте при этом, в какую сторону отклонится стрелка гальванометра. С помопдью магнитной стрелки установите расположение магнитных полюсов катушки. 2. Первый опыт. Соберите схему согласно рисунку 7. С помо-ш;ью магнита вынимайте из катушки и вставляйте в нее железный сердечник. Постарайтесь заметить влияние скорости движения железного сердечника вдоль катушки на значение силы тока, проходяпдего через гальванометр. Записывайте наблюдения, в частности в какую сторону отклоняется стрелка. Рис. 7 ____________________________________________ 2'. Смените полюс магнита, с помош;ью которого вы двигали железный сердечник внутри катушки, и повторите опыт. Запишите результаты наблюдений. 12 3. Второй опыт. Соберите схему согласно рисунку 8. При этом катушка 2 или мотки проволоки надеты на катушку 1. Замкните цепь и разомкните. Запишите наблюдения. Рис. 8 3'. Измените направление тока в цепи катушки 1 и повторите опыт. 4. Составьте итоговую таблицу наблюдений, в которой должны быть отражены результаты первого и второго опытов. 4. Результаты и выводы Зная, в какую сторону отклоняется стрелка гальванометра, изобразите полюсы магнитного поля индукционного тока при разных полюсах магнита, с помощью которого вы двигали железный сердечник. 13 Подтвердите или опровергните правило Ленца. Сделайте вывод о влиянии скорости движения сердечника на силу индукционного тока. Проанализируйте результаты второго опыта. Согласуются ли они с правилом Ленца? 5. Контрольные вопросы 1. В чем состоит явление электромагнитной индукции? 2. Какие способы изменения магнитного потока предлагаются в этой работе? 3. Влияет ли природа магнитного поля (поле постоянного магнита или поле тока) на явление электромагнитной индукции? 4. Почему во втором опыте стрелка гальванометра быстро возвращается к нулю, ведь ток в цепи катушки 1 продолжает идти? 5. При поднесении сердечника к катушке поле индукционного тока помогает вдвигать сердечник или, наоборот, мешает? 6. Почему для обнаружения индукционного тока мы используем катушки, а не отдельные витки из проволоки, ведь сопротивление катушки больше, чем сопротивление одного витка? (При меньшем сопротивлении сила индукционного тока должна быть больше и его легче было бы обнаружить.) 7. Покажите, что размерность ЭДС, вычисленной по формуле (1), соответствует вольту. 14 Лабораторная работа № 3 Определение ускорения свободного падения при помощи математического маятника Цель работы: определить ускорение свободного падения при помощи маятника, оценить возможность и точность измерения ускорения данным способом. 1. Теоретическая часть Период колебаний, как известно, определяется параметрами системы. Математический маятник представляет собой тело, подвешенное на длинной тонкой нерастяжимой нити. Длина I нити должна быть значительно больше размеров тела, тогда его можно считать материальной точкой. При малых углах отклонения нити от вертикали период Т колебаний маятника определяется формулой T = 2kJ^. (1) При выводе этой формулы предполагается, что синус угла отклонения нити приблизительно равен углу, выраженному в радианах, т. е. sin а ~ а (рад.). Это возможно при углах, меньших 8° (значения угла и синуса угла совпадают до третьего знака после запятой), значит, отношение отклонения тела от положения равновесия к длине нити не должно превышать 0,14. Период колебаний зависит от длины нити и ускорения свободного падения. Таким образом, измерив период колебаний и длину нити маятника, можно найти ускорение свободного падения g в данной точке земного шара: g = 4п^1 (2) Для повышения точности измерения периода колебаний нужно измерить время за которое маятник совершает большое число N полных колебаний (40—60). Тогда период колебаний Т = 4-. N Окончательная формула для расчета ускорения свободного падения будет иметь вид 4n^lN^ g = --^~. (3) V 15 2. Оборудование Штатив, кольцо, часы с секундной стрелкой, измерительная лента с погрешностью А„ = 0,5 см, нить, шарик с отверстием, через которое можно пропустить нить. 3. Порядок выполнения работы Все измеряемые значения величин заносите в таблицу 3.1. 1. Установите на краю стола штатив. Укрепите на штативе с помощью муфты кольцо. Подвесьте к нему шарик на нити. Шарик не должен касаться пола. 2. Измерьте длину I нити (длина нити должна быть не менее 50 см). 3. Отклоните шарик в сторону на 5—8 см и отпустите его. Убедитесь в том, что шарик может свободно колебаться. 4. Измерьте время t, в течение которого шарик совершит целое число N колебаний (например, 50). Проведите пять измерений. Таблица 3.1 № опыта 1, см N с 1 2 — 3 — 4 — 5 — — — ^ср 4. Расчеты Используя данные измерений, выполните расчеты, последовательно заполняя таблицу 3.2. Таблица 3.2 41, м пМ ^ ср / 'v 2 nN 8 ср 4Z nN 5. Погрешности измерений 1. Вычислите среднюю погрешность измерений Af<.p. 16 Таблица 3.3 N° опыта h ^ср -‘ср1 Д*св = 1 — 2 — 3 — 4 — 5 — ^ср -^ср1 = 1 2. Вычислите относительную погрешность измерения времени: А^ср 3. Значение абсолютной погрешности измерения длины складывается из погрешности мерной ленты и погрешности отсчета А/отсч> равной половине наименьшей цены деления ленты: М = М„ + AL^„. 4. Определите относительную погрешность измерения длины ма-ятника: Si = —. I 5. Вычислите относительную погрешность определения ускорения свободного падения по формуле (3): Ед = £/ ■+• 2Ед -I- 2е<. (Заметим, что если вы сохраняете в данных три значащие цифры, то, приняв л = 3,14, погрешностью округления этой табличной величины можно пренебречь.) 17 6. Вычислите абсолютную погрешность измерения ускорения свободного падения: Дя = е^^ср- 6. Результаты и выводы Запишите окончательный результат измерений в виде < Я < ^ср + АЯ- Ускорение свободного падения на широте Москвы равно 9,8156 м/с^. Попадает ли это значение в полученный интервал? Сделайте вывод о целесообразности измерения ускорения свободного падения с помош;ью математического маятника. 7. Контрольные вопросы 1. Почему шарик, подвешенный на нити, в данной работе можно считать математическим маятником? 2. Как зависит период колебаний одного и того же математического маятника от широты местности? 3. Почему специально оговаривается возможная амплитуда колебаний маятника? 4. За счет чего возникают ошибки при измерении ускорения g данным способом? 5. Какие в данной работе проводятся прямые измерения и какие косвенные? 6. Почему при измерении длины мерной лентой погрешность равна половине наименьшего ее деления, а при измерении времени секундомером погрешность равна целому наименьшему его делению? 7. Можно ли измерить ускорение свободного падения, если вместо математического маятника использовать пружинный? 18 Измерение показателя преломления стекла Цель работы: изучить законы преломления света и определить показатель преломления стекла. 1. Теоретическая часть Пересекая границу раздела двух сред с разными оптическими свойствами, свет преломляется, т. е. меняет направление распространения (рис. 9). Это объясняется изменением скорости света при переходе из одной среды в другую. Максимальна скорость света в вакууме: с = 3 • 10® м/с. Показатель преломления характеризует изменение скорости света в среде. Абсолютный показатель преломления определяется отношением скорости света с в вакууме к скорости света v в данной среде: п = Из этого определения следует, что абсолютный показатель преломления всегда больше единицы. Закон прюломления света: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно обратному отношению абсолютных показателей преломления соответствующих сред (см. рис. 9): sing sinP П2 Til (1) В 11.2 1^1 СВОЮ очередь, — = —, Л1 V2 т. е. отношение Рис. 9 показателей преломления равно обратному отношению скоростей света в первой и второй средах. Это отношение называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Среда с большим абсолютным показателем преломления считается оптически более плотной средой. Если свет падает из среды оптически менее плотной на границу раздела со средой оптически более плотной, то угол падения больше, чем угол преломления (а > Р). Для определения относительного показателя преломления двух сред достаточно, согласно формуле (1), измерить угол падения а на границу раздела сред и угол преломления р. 19 Рис. 10 Таким же способом можно определить и абсолютный показатель преломления, если одна из двух сред — воздух, так как скорость света в воздухе практически равна скорости света в вакууме. 2. Оборудование Стеклянная пластинка, лист миллиметровой бумаги, булавки или тонко отточенный карандаш, миллиметровая линейка, лазерная указка или источник света и ш;ель, позволяющие получить тонкий световой пучок. 3. Порядок выполнения работы 1. Начертите линию на листе миллиметровой бумаги и положите пластинку так, чтобы одна из ее параллельных граней совпадала с ней. Карандашом отметьте другую параллельную грань пластинки. 2. Направьте луч так, чтобы он падал на грань пластинки под углом. Убедитесь в том, что луч испытывает двукратное преломление (рис. 10). 3. Не сдвигая пластинку, отметьте точки 1 и 2 ка. пути падающего луча и точки 3 и 4 на пути преломленного луча. 4. Снимите пластинку и начинайте чертить (рис. 11). 5. Проведите падающий луч через точки 1 и 2 до границы пластинки. Точку пересечения луча с пластинкой обозначьте буквой В. 6. Проведите прямую через точки 3 и 4 до границы со второй гранью. Точку пересечения преломленного луча с гранью обозначьте буквой F. 7. Из точки В проведите окружность радиусом ВА. 8. Начертите линию, перпендикулярную граням и проходящую через точку В. 9. Проведите прямую линию через точки В и В. Она совпадает с преломленным лучом на границе раздела сред воздух — стекло. Эта линия пересекает окружность в точке С. 10. Для определения синусов углов падения и преломления проведите отрезки АЕ и CD. Тогда треугольники АЕВ и BDC являются прямоугольными, причем ВС = АВ как радиусы одной окружности. 11 • АЕ . о DC DC 11. Обозначьте углы аир: sin а = -г^, sinp = АЗ хзС АЗ 20 гг, sin а АЕ тт Тогда показатель преломления стекла п = . _ = ——. Измерив sin р DC длины этих отрезков, определите п. 12. Меняя угол падения, проведите измерения еще два раза. Таблица 4.1 № опыта АЕ, мм DC, мм 1 2 3 4. Расчеты Таблица 4.2 № опыта 1 2 3 Л| -Ь П2 + Лз "ор= 3 п-ЛК DC 5. Погрешности измерений Вычислите среднюю абсолютную погрешность измерений показателя преломления с помощью формулы ^ |Л1-Лср|+|П2-Пср|+1ЛЗ-Лср| Ап =-------------------------. 3 Относительная погрешность е = Пг -ср Таблица 4.3 № опыта Щ - л^р Ап е 1 — — 2 — — 3 — — — Максимальную относительную погрешность определите по формуле ^ ААЕ , ADC При этом абсолютная инструментальная погрешность составляет 1 мм {ААЕ = ADC = 1 мм). 21 Составьте таблицу для определения относительной и абсолютной инструментальной погрешностей измерений. Сравните найденные абсолютные погрешности. 6. Результаты и выводы Выберите максимальную абсолютную погрешность и запишите интервал значений показателя преломления по результатам своей работы._____________________________________________________ Сделайте выводы. 7. Контрольные вопросы 1. Что называется абсолютным и относительным показателями преломления? 2. Как изменится относительный показатель преломления, если стеклянную пластинку поместить в воду? 3. За счет чего возникают погрешности измерений? 4. Можно ли определить показатель преломления стекла, измерив транспортиром углы? Какой метод лучше? 5. Зная показатель преломления среды, какую физическую величину, характеризующую данную среду, можно вычислить? 6. Что характеризует оптическую плотность среды? 7. При переходе из одной среды в другую изменяется скорость распространения волны. Какая из характеристик электромагнитной волны также изменяется? 22 Определение оптической силы и фокусного расстояния собирающей линзы > в к Xf А, А d Р О Г Рис. 12 Цель работы: научиться практически получать и графически строить изображения в собирающей линзе. Определить оптическую силу линзы. 1. Теоретическая часть Уравнение линзы имеет вид 1^1 г» 1.1 1 - + ^ = А ИЛИ- + ^ = -, где D — оптическая сила линзы, F — ее фокусное расстояние, d — расстояние от предмета до оптического центра линзы, f — расстояние от изображения до оптического центра (рис. 12). Это уравнение позволяет рассчитать расстояние от источника до изображения, если известны фокусное расстояние линзы и расстояние от предмета до оптического центра линзы. 2. Оборудование Лампочка накаливания со спиралью, линза, линейка, два прямоугольных треугольника, источник тока, выключатель, соединительные провода, направляющая рейка, экран. 3. Пор51док выполнения работы 1. Соберите электрическую цепь согласно рисунку 13. 2. Поместите лампочку и экран на края направляющей рейки. Между ними установите линзу (рис. 14). Рис. 13 Рис. 14 23 3. Включите лампочку и передвигайте линзу до тех пор, пока на экране не возникнет четкое изображение спирали. Получите при разных положениях линзы два изображения спирали: одно увеличенное, другое уменьшенное. Для измерений выберите вариант с уменьшенным изображением: так точность эксперимента будет выше. 4. Измерьте расстояния d и Д 5. При неизменном расстоянии d сдвиньте экран и затем, переменная его, снова получите четкое изображение спирали. Измерьте /. Повторите подобное измерение еще раз. Значения занесите в таблицу 5.1. Таблица 5.1 № опыта d f 1 2 3 — fcp 6. Измерьте толщину h линзы (рис. 15). Этот параметр вам пригодится при расчете погрешностей измерений. 4. Расчеты Рассчитайте оптическую силу и фокусное расстояние линзы. d + /ср d ' fcp D= d + fcp F = — D 5. Погрешности измерений Относительную погрешность измерения оптической силы линзы вычислите по формуле А п _ ^1 , ^2 Д-0 - ^2 + ^2 > где Ai и Аг — абсолютные погрешности измерений d и f. Необходимо учесть, что эти погрешности не могут быть меньше половины толщины h линзы. 24 Проводя опыты, вы оставляли расстояние d неизменным, поэтому Ai = Л/2. Погрешность измерения расстояния f будет больше за счет неточной настройки на резкость и неучтенной толщины линзы: Д2 ^ Л. Составьте таблицу и вычислите абсолютную и относительную погрешности измерений. 6. Результаты и выводы Определив интервал возможных значений оптической силы, запишите результат. Проанализируйте, как вы получили два изображения предмета при одном и том же расстоянии между предметом и экраном. Выполните соответствующие построения изображений. 25 7. Контрольные вопросы 1. Для каких линз справедлива формула, используемая в работе? 2. Какие линзы называют собирающими, а какие — рассеивающими? 3. Что такое оптический центр линзы? 4. Что такое луч? Верно ли утверждение, что луч — это тонкий пучок света? 5. Какие изображения можно получить с помощью собирающей линзы? 6. Какие изображения вы получили в этой работе? 7. Как получить мнимое изображение с помощью собирающей линзы? Выполните построение. щ Лабораторная работа № 6 Измерение длины световой волны Цель работы: получить дифракционный спектр и определить длину волны света. 1. Теоретическая часть Дифракция света — это явление огибания волнами препятствия и попадания света в область геометрической тени. Для наблюдения этого явления необходимо, чтобы размеры препятствия были соизмеримы с длиной волны. Дифракционная решетка представляет собой чередование узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Суммарная ширина одной прозрачной и одной соседней непрозрачной полос называется периодом дифракционной решетки. Период дифракционной решетки обычно бывает около 10 мкм, т. е. порядка длины световой волны. Рассмотрим волны, идущие после прохождения щелей дифракционной решетки под углом ф от соответствующих точек двух соседних щелей (рис. 16). Угол ф — случайная величина и называется углом дифракции. Угол дифракции может изменяться от -п/2 до -1-71/2. Между экраном и дифракционной решеткой помещают собирающую линзу. Волны, идущие под одним углом ф, собираются в точке А экрана. Условие наблюдения главных максимумов имеет вид 26 d sin Ф = ±AA,, (1) где d — период дифракционной решетки, X — длина волны, Л = О, 1, 2, .... Положение дифракционного максимума, как видно из формулы, зависит от длины волны. Условие максимума выполняется для всех длин волн при угле дифргжции, равном нулю. Поэтому в центре экрана видна белая полоса. При рассмотрении спектра первого порядка, для которого условие наблюдения главных максимумов имеет вид d sin ф = ±А,, (2) становится очевидным, что для фиолетовых лучей угол дифракции наименьший, а для красных — наибольший, поэтому фиолетовые линии спектра располагаются ближе к максимуму нулевого порядка, а красные, наоборот, на максимальном удалении от него. Итак, если известен период d дифракционной решетки и угол дифракции ф, можно определить длину световой волны по формуле (2). Угол ф можно определить, зная расстояние jCi от нулевого максимума до линии первого порядка и расстояние от экрана до линзы (см. рис. 16): tg ф ~ ВШф ~ В данной работе дифракционный спектр получается в отраженном свете (рис. 17). В этом случае tg