Физика 11 класс Тетрадь лабораторных работ Касьянов Коровин

в. А. Касьянов, В. А. Коровин ПРОФИЛЬНЫМ УРОВЕНЬ Тетрадь для лабораторных работ wL Учени. класса. класс ... школы..... орофа "Tf-, в* A. Касьянов, В. А. Коровин Физика ПРОФИЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ Тетрадь для лабораторных работ класс 9-е издание» стереотипное Москва ^орофа 2014 УДК 373.167.1:53(076.5) ББК 22.3я72 К28 Касьянов, В. А. К28 Физика. 11 класс. Профильный уровень : тетрадь для лабораторных работ / В. А. Касьянов, В. А. ЬСоровин. — 9-е изд., стереотип. — М. : Дрофа, 2014. — 44, [4] с.: ил. ISBN 978-5-358-13814-8 Тетрадь для лабораторных работ вместе с учебником В. А. Касьянова «Физика. 11 класс», методическим пособием и комплектом тетрадей для контрольных работ составляют учебно-методический комплекс. В тетрадь включены восемь лабораторных работ по следующим темам: «Электродинамика», «Электромагнитное излучение» и «Физика высоких энергий». УДК 373.167.1:53(076.5) ББК 22.3я72 ISBN 978-5-358-13814-8 © ООО «ДРОФА», 2002 ВВЕДЕНИЕ Электроизмерительные приборы Для измерения различных характеристик электромагнитного поля используют электроизмерительные приборы. Например, силу электрического тока измеряют амперметром, напряжение (разность потенциалов) — вольтметром, электрическое сопротивление — омметром, мощность тока — ваттметром и т. д. В отличие от длины, непосредственно, визуально измеряемой наблюдателем, характеристики электромагнитного поля не воспринимаются органами чувств и поэтому должны быть преобразованы. Электроизмерительные приборы — средства измерений характеристик электромагнитного поля, вырабатывающие сигнал в форме, доступной для восприятия наблюдателя. По типу вырабатываемого сигнала электроизмерительные приборы подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровые приборы вырабатывают сигналы, представляемые в цифровой форме на дисплее. Аналоговые приборы представляют сигнал, являющийся непрерывной функцией измеряемой физической величины. Нгшример, в амперметре угол отклонения стрелки на шкале прибора пропорционален силе тока. В аналоговых приборах, наиболее часто используемых в школьной лаборатории, энергия электрического или магнитного поля преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части прибора. По способу преобразования энергии и по конструктивным особенностям аналоговые приборы подразделяют на следующие системы (табл. 1). Таблица 1 № Система прибора Условное обозначение системы 1 Эл ек тростатическая Ф 2 Электродинамическая 3 Электромагнитная 4 Магнитоэлектрическая Q Условное обозначение системы измерительного прибора схематически показывает принцип преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию перемещения подвижной части прибора. Принцип действия прибора электростатической системы основан на электростатическом взаимодействии электродов, между которыми существует разность потенциалов (напряжение). В приборе электродинамической системы магнитное поле, создаваемое током в неподвижной катушке, действует на ток, протекающий в подвижной катушке. Взаимодействие токов приводит к повороту подвижной катушки. В приборе электромагнитной системы измеряемый ток протекает по неподвижной катушке. Воздействие магнитного поля катушки на ферромагнитный сердечник приводит к его повороту, угол которого зависит от силы измеряемого тока. Остановимся подробнее на устройстве приборов магнитоэлектрической системы, наиболее часто используемых в школьной лаборатории. Принципиальное устройство электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы В электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы (амперметрах, вольтметрах) используют поворот рамки с током в магнитном поле. В магнитном поле постоянного магнита располагается катушка, намотанная на цилиндр из мягкого железа, способная вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1). При такой конструкции угол а между собственной и внешней индукцией равен 90°, так что вращательный момент, действующий на катушку, максимален. На катушку действует вращательный момент, пропорциональный силе тока I и числу витков N: М = ISBN. Катушка с током поворачивается до тех пор, пока момент сил Ампера, действующих на катушку со стороны магнитного поля, не уравновесится моментом сил упругости пружины, возвращающих катушку в положение равновесия. Можно считать, что момент сил упругости пружины пропорционален углу поворота (р катушки: Пружина Железный цилиндр Рис. 1 М. упр Cj(p, где Cj — постоянный коэффициент пропорциональности. Равенство моментов Cj(p = NISB позволяет найти измеряемую силу тока: С, Измеряемая сила тока прямо пропорциональна углу отклонения стрелки, т. е. данный прибор можно использовать как амперметр. Если к катушке с сопротивлением R приложено напряжение U, то из закона Ома получаем: C.R Приложенное напряжение прямо пропорционально углу поворота катушки, следовательно, такой прибор можно использовать в качестве вольтметра. В таблице 2 приведены некоторые обозначения на шкале приборов, характеризующих ток, и требуемое пространственное расположение шкалы прибора. Таблица 2 Ток Обозначение Положение шкалы Обозначение Постоянный Вертикальное Переменный, 50 Гц Горизонтальное Трёхфазный Наклонное под углом к горизонту С45° Цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора Точность измерения характеризуется ценой деления шкалы прибора. Предположим, что шкала прибора, например амперметра, насчитывает iV = 100 делений, а предел измерения силы электрического тока /jnax ~ 10 А соответствует максимальному отклонению стрелки прибора. Тогда отклонению стрелки на 1 деление соответствует сила тока 10 А _ Q ■. А 100 дел ’ дел * Таким образом определяется цена деления прибора: _ "^тах Чем меньше эта величина, которая может быть измерена прибором, т. е. чем меньше цена деления шкалы, тем выше точность измерения прибора. Чувствительность прибора — величина, обратная его цене деления. Она характеризует число делений, на которое отклоняется стрелка прибора (амперметра) при измерении силы тока в 1 А: N Чем больше чувствительность, тем выше точность измерения прибора. В рассмотренном выше примере _ 100 дел _ . р. дел 10 А А * Класс точности, погрешность измерения электроизмерительного прибора Погрешность измерения электроизмерительного прибора складывается из погрешности отсчёта и инструментальной погрешности. Например, погрешность измерения силы тока амперметром А/ равна сумме погрешности отсчёта и инструментальной погрешности Д/ = Д/с, + М„. Предельное значение погрешности отсчёта принимают равным - цены деления шкалы: 4 М =-. от 4 Инструментальная погрешность определяется классом точности электроизмерительного прибора. Класс точности электроизмерительного прибора — относительная инструментальная погрешность, соответствующая пределу измерения /jnax И1калы, выраженная в процентах: ^ = ^•100%. (1) Например, класс точности 1,5 означает относительную погрешность 1,5% . Как следует из формулы (1), инструментальная погрешность определяется классом точности электроизмерительного прибора: А/, 100 Пример расчёта погрешности электроизмерительного прибора Предположим, что амперметр измеряет силу тока от О до 2 А. Шкала имеет 40 делений, класс точности прибора 4%. Тогда цена деления амперметра: с = %г = i- ^ = 0,05 —. N 40 дел дел Предельное значение погрешности отсчёта = 0,0125 А. Инструментальная погрешность: А/ =2- — = 0,08 А. и 100 ’ Абсолютная погрешность измерения силы тока AI: AI = = (0,0125 + 0,08) А = 0,0925 А - 0,1 А. Лабораторная работа Исследование смешанного соединения проводников ■ Цель работы: экспериментально изучить характеристики смешанного соединения проводников. ■ Оборудование, средства измерения: 1) источник питания, 2) ключ, 3) реостат, 4) амперметр, 5) вольтметр, 6) соединительные провода, 7) три проволочных резистора сопротивлениями 1 Ом, 2 Ом и 4 Ом. ■ Теоретическое обоснование Во многих электрических цепях используется смешанное соединение проводников, являющееся комбинацией последовательного и параллельного соединений. Простейшее смешанное соединение сопротивлений = 1 Ом, i?2 = 2 Ом, Яз = 4 Ом приведено на рисунке 1, а. Резисторы R2 и R3 соединены между л) R2 собой параллельно, поэтому сопротивле- R1 ь1 ^---^ с ние между точками 2 и 3 ч; R3 -cz> ^23 д Я2Я3 2 ^3 (1) б) R2' Rj R1 h в) Ri + а R2' R9 R2^Rs Кроме того, при параллельном соединении суммарная сила тока /^, втекающего в узел 2, равна сумме сил токов, вытекающих из него. /1 = /2 -Ь /3. (2) Учитывая, что сопротивления R1 и эквивалентное сопротивление Я23 соединены последовательно (рис. 1, б). Рис. 1 ^13 ^12 ^23» а общее сопротивление цепи между точками i и 3 (рис. 1, в) ^13 -^23 ^ я Я2Я3 2+^3 (3) (4) Электрическая цепь для изучения характеристик смешанного соединения проводников состоит из источника питания 1 (рис. 2), к которому через ключ 2 подключены реостат 3, амперметр 4 и смешанное соединение трёх проволочных резисторов R1 у R2 и R3, Вольтметром 5 измеряют напряжение между различными парами точек цепи. Схема электрической цепи приведена на рисунке 3. По- Рис. 2 следующие измерения силы тока и напряжения в электрической цепи позволят проверить соотношения (1)—(4). Измерение силы тока /, протекающего через резистор R1, и разности потенциалов на нём U-^^2 позволяет определить сопротивление i?2 и сравнить его с заданным значением. «1 = . (5) Сопротивление i?23 можно найти из закона Ома, измерив вольтметром разность потенциалов i/gs* и. (6) R 23 23 Этот результат можно сравнить со значением Л23, полученным из формулы (1). Справедливость формулы (3) проверяется дополнительным измерением с помощью вольтметра напряжения (между точками i и 3). К Это измерение позволит также оценить сопротивление (между точками 1 и 3). (7) R 13., 13 Экспериментальные значения сопротивлений, полученных по формулам (5)—(7), должны удовлетворять соотношению (4) для данного смешанного соединения проводников. ■ Поредок выполнения работы 1. Соберите электрическую цепь (см. рис. 3). 2. При помощи реостата установите в цепи определённую силу токаизмеряемую амперметром. h- 3. Запишите класс точности амперметра Лд, указанный на шкале прибора, и предел измерения силы тока *А = • I = ’ max 4. Найдите абсолютную погрешность измерения силы тока Л/. /е А max 100 5. Запишите результат измерения силы тока 1^. ± А/ = 6. Подключите вольтметр к точкам 1 и 2 (см. рис. 3) и измерьте напряжение между этими точками. и 12 7. Запишите класс точности вольтметра указанный на шкале прибора, и предел измерения напряжения ky » ^max 8. Найдите абсолютную погрешность измерения напряжения AU. k\r AU = U. max 100 9. Запишите результат измерения напряжения l/jg* 10 10. Рассчитайте сопротивление R^. 12 и 11. Найдите абсолютную погрешность измерения сопротивления - ГАи . AR, 1 Й! ^ЧС/,2 /l ) 12. Запишите результат измерения сопротивления и сравните его с сопротивлением резистора = 1 Ом. ± Ai?j = 13. Подключите вольтметр к точкам 2 и 3 и измерьте напряжение ^23 между этими точками. t^23 = 14. Запишите результат измерения напряжения П23. Щ^±Аи = 15. Рассчитайте сопротивление i?23* 23 _ и ^23 "" “г 16. Найдите абсолютную погрешность измерения сопротивления AR 23' ^23 ^23 AR 23 23 17. Запишите результат измерения сопротивления i?23 ^ сравните его с сопротивлением Л23 (формула 1). i?23 ± А^23 D 4-2 4 ^ :-R23=4T2=3®“- 18. Подключите вольтметр к точкам 1 и 3 и измерьте напряжение П^з между этими точками. 19. Запишите результат измерения напряжения С/13 ±AU = 11 20. Рассчитайте сопротивление i?jg. и ^13 "" 7 13 21. Проверьте справедливость формул (3) и (4). ^13 ^23 ^13 ^23 Вывод: ■ Дополнительное задание. Убедиться в том, что при параллельном соединении проводников справедливо равенство: -^1 ^2 1. Подключите амперметр последовательно с резистором R2 и измерьте силу тока Jg, протекающего через резистор R2. 2. Рассчитайте сопротивление резистора R2 и сравните его с заданным значением. и J 23 3. Подключите амперметр последовательно к резистору R3 и измерьте силу тока /3, протекающего через резистор R3. h- 4. Рассчитайте сопротивление резистора R3 и сравните его с заданным значением. и J 23 12 5. Проверьте справедливость равенства: Вывод: Лабораторная работа Изучение закона Ома для полной цепи ■ Цель работы: измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока. ■ Оборудование, средства измерения: 1) источник питания, 2) проволочный резистор сопротивлением 2 Ом, 3) амперметр, 4) ключ, 5) вольтметр, 6) соединительные провода. ■ Теоретическое обоснование Экспериментальная установка изображена на рисунке 1. К источнику тока i подключается резистор 2, амперметр 3 и ключ 4. ЭДС источника тока непосредственно измеряется вольтметром 5. Рис. 1 Электрическая схема данной цепи приведена на рисунке 2. Согласно закону Ома сила тока I в замкнутой цепи с одним источником определяется выражением г + Д (1) 14 Отсюда Ir + IR = (2) Из формулы (2) можно найти внутреннее сопротивление г источника тока, ЭДС которого предварительно измеряют вольтметром: ^ -IR ^ о -л. (3) Сила тока I в цепи измеряется амперметром. ■ Порядок выполнения работы 1. Соберите электрическую цепь (см. рис. 2). 2. Измерьте вольтметром ЭДС источника тока при разомкнутом ключе К. 3. Запишите класс точности вольтметра и предел измерения иего шкалы. 1X13.x ky > ^mnv 4. Найдите абсолютную погрешность измерения ЭДС источника тока. k. А^=и. 'V max 100 5. Запишите окончательный результат измерения ЭДС источника тока. ^ ± = 6. Отключите вольтметр. Замкните ключ К. Измерьте амперметром силу тока / в цепи. / = 7. Запишите класс точности амперметра и предел измерения /max шкалы. *А = » ^ т а V 8. Рассчитайте внутреннее сопротивление г источника тока по формуле (3). г=^-Л = 15 9. Учитывая, что сопротивление Я резистора известно с относи- АЯ тельной погрешностью 3%, т. е. е = — = 0,03, оцените абсолютную Я погрешность АЯ его измерения. АЯ = Я • е = 10. Найдите абсолютную погрешность Аг измерения внутреннего сопротивления источника тока. ^ГА^" . А/>1 , до 11. Запишите окончательный результат измерения внутреннего сопротивления источника тока. г ± Аг = Лабораторная работа Изучение явления электромагнитной индукции ■ Цель работы: доказать экспериментально правило Ленца, определяющее направление тока при электромагнитной индукции. ■ Оборудование, средства измерения: 1) дугообразный магнит, 2) катушка-моток, 3) миллиамперметр, 4) полосовой магнит. ■ Теоретическое обоснование Согласно закону электромагнитной индукции (или закону Фарадея—Максвелла), ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность, ограниченную этим контуром. Г. = -Ф'. (1) Для определения знака ЭДС индукции (и соответственно направления индукционного тока) в контуре это направление сравнивается с выбранным направлением обхода контура. Направление индукционного тока (так же как и величина ЭДС индукции) считается положительным, если оно совпадает с выбранным направлением обхода контура, и считается отрицательным, если оно противоположно выбранному направлению обхода контура. Воспользуемся законом Фарадея—Максвелла для определения направления индукционного тока в круговом проволочном витке площадью Sq. Предположим, что в начальный момент времени = О •> индукция магнитного поля в области витка равна нулю (рис. 1, а). В следующий момент времени t2 = "^ виток перемещается в область магнитного поля, индукция которого В2 направлена перпендикулярно плоскости витка к нам (рис. 1, б). I: Рис. 1 17 За направление обхода контура выберем направление по часовой стрелке. По правилу буравчика вектор площади контура Sq будет направлен от нас перпендикулярно площади контура. Магнитный поток Ф^, пронизывающий контур в начальном положении витка, равен нулю (В^ = 0): = 0. Магнитный поток в конечном положении витка ^2 ^2 SqCos 180° = -BgSg. Изменение магнитного потока в единицу времени Фо ф' = 2 Ф. ^2^0 <0. X X Значит, ЭДС индукции, согласно формуле (1), будет положительной: i X >0. Это означает, что индукционный ток в контуре будет направлен по часовой стрелке. Соответственно, согласно правилу буравчика для контурных токов, собственная индукция В. на оси такого витка будет направлена против индукции внешнего магнитного поля (см. рис. 1,6). Согласно правилу Ленца, индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Индукционный ток наблюдается и при усилении внешнего магнитного поля в плоскости витка без его перемещения. Например, при вдвигании полосового магнита в виток возрастает внешнее магнитное поле В и магнитный поток, его пронизывающий (рис. 2, а). Рис. 2 18 Это приведёт к возникновению индукционного тока /. такого на-правления, что В (рис. 2, б). Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3. Дугообразный магнит 1 вдвигают северным полюсом в катушку-моток 2, присоединённую к миллиамперметру S. Направление и величину индукционного тока в катушке определяют по знаку и величине отклонения стрелки миллиамперметра. Результаты данного эксперимента фиксируют в таблице 1 в соответствии с рисунком 2. Здесь /д — показания миллиамперметра, которые считаются положительными при отклонении стрелки вправо. Таблица 1 «0 ^2 *1 *2 Дф = г, (знак) I, (налр.) 0 0 0 -•BiSo -B2S0 -(B^-B,)S^<0 + (? О) а X (V 1=1 т ой Он с ей д ой Он р X о X ей ч; о X ю о (? -Ы5 мА ■ Порядок выполнения работы 1. Катушку-моток 2 (см. рис. 3) подключите к зажимам миллиамперметра. 2. Северный полюс дугообразного магнита внесите в катушку вдоль её оси. В последующих опыт£1х полюса магнита перемещайте с одной и той же стороны катушки, положение которой не изменяется. Проверьте соответствие результатов опыта с таблицей 1. 3. Удалите из катушки северный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 2. 19 Таблица 2 О) к 5 О) п сб р. с 06 д еб а & я о я ей П О X ю о 4 «2 (Вг Bi) Ф1 Ф2 ЛФ Фз - (знак) li (напр.) 4. Внесите в катушку южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 3. Таблица 3 4 Bi Ва (Вг Bj) «>1 ®2 АФ = Фз - Ф1 (знак) li (напр.) О) я Я О) с; п ой а я ой Яю о 5. Удгшите из катушки южный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице 4. Таблица 4 ой «^ а> Я Ч т ей а и ей Д ю о «0 Bi В2 (В2 Bi) *1 *2 Дф = Ф2 - Ф^ (знак) л (напр.) 20 Вывод: ■ Дополнительное задание. Качественно проверить зависимость ЭДС индукции от модуля вектора магнитной индукции и скорости движения проводника. 1. Внесите в катушку вдоль её оси два магнита — полосовой и дугообразный 4 (см. рис. 3), сложенные вместе одноимёнными полюсами. Запишите величину и знак индукционного тока. 1а1 = 2. Повторите предыдущий опыт, вдвигая магниты в катушку с большей скоростью. Запишите величину и знак индукционного тока. ^А2 Вывод: Лабораторная работа Измерение показателя преломления стекла ■ Цель работы: измерить показатель преломления стекла с помощью плоскопараллельной пластинки. ■ Оборудование, средства измерения: 1) плоскопараллельная пластинка со скошенными гранями, 2) линейка измерительная, 3) угольник ученический. ■ Теоретическое обоснование Метод измерения показателя преломления с помощью плоскопараллельной пластинки основан на том, что луч, прошедший плоскопараллельную пластинку, выходит из неё параллельно направлению падения. Согласно закону преломления показатель преломления среды п sin а sinp (1) Для вычисления sin а и sin р на листе бумаги проводят две параллельные прямые АВ и CD на расстоянии 5—10 мм друг от друга и кладут на них стеклянную пластинку так, чтобы её параллельные грани были перпендикулярны этим линиям. При таком расположении пластинки параллельные прямые не смещаются (рис. 1, а). Располагают глаз на уровне стола и, следя за прямыми АВ и CD сквозь стекло, поворачивают пластинку вокруг вертикальной оси против часовой стрелки (рис. 1,6). Поворот осуществляют до тех пор, пока луч QC не будет казаться продолжением ВМ и MQ. Для обработки результатов измерений обводят карандашом контуры пластинки и снимают её с бумаги. Через точку М проводят перпендикуляр 0^02 к параллельным граням пластинки и прямую MF. в) Рис. 1 22 Затем на прямых ВМ и MF откладывают равные отрезки МЕ^ = = МЬ^ и опускают с помощью угольника из точек и перпендикуляры I/jLg и Е^Е2 на прямую OjOg. Из прямоугольных треугольни- ков L^L2M и Е^Е2М находим sin а = , а sin р = ML,* ^ ME, Следовательно, п = ^1^2 Е^Е2 (2) т. е. измерение коэффициента преломления сводится к измерению линейкой длин отрезков L^L2 и Отметим, что можно с помощью циркуля построить окружность с центром в точке М и радиусом ME, а затем построить треугольники LjLgM и Е1Е2М, Аналогичные построения можно сделать и при повороте плоскопараллельной пластинки по часовой стрелке (рис. 1, в) и найти второе числовое значение показателя преломления стекла. Тогда за окончательный результат берут их среднее значение. ■ Порядок выполнения работы 1. Положите плоскопараллельную пластинку на параллельные прямые АВ и CD. В D 23 а) Сначала ориентируйте параллельные грани пластинки перпендикулярно АВ и CD. Убедитесь, что параллельные линии при этом не смещаются. б) Расположите глаз на уровне стола и, следя за линиями АВ и CD сквозь стекло, поворачивайте пластинку вокруг вертикальной оси против часовой стрелки до тех пор, пока луч QC не будет казаться продолжением ВМ и MQ. 2. Обведите карандашом контуры пластинки, после чего снимите её с бумаги. 3. Через точку М (см. рис. 1, б) проведите с помощью угольника перпендикуляр OjOg к параллельным граням пластинки и прямую MF (продолжение MQ). 4. С центром в точке М проведите окружность произвольного радиуса, отметьте на прямых ВМ и MF точки и {ML^ = МЕ^). 5. Опустите с помощью угольника перпендикуляры из точек и на прямую 0^02. 6. Измерьте линейкой длину отрезка Lj_L2. L-^L^ CL \ 7. Запишите окончательный результат измерения. а ± Аа = 8. Измерьте линейкой длину отрезка Е^Е2- ; АЬ — 9. Запишите окончательный результат измерения. Ь±АЬ = ^1^2 ~ ^ 10. Рассчитайте показатель преломления стекла по формуле (2). п = ^1^2 Е1Е2 11. Найдите абсолютную погрешность измерения показателя преломления стекла. . (Аа . АЬ Ап = п • е = п — -г- \ а Ь )- ЬАа -Ь аАЬ 12. Запишите окончательный результат измерения коэффициента преломления стекла. п ± Ап == 24 ■ Дополнительное задание. Измерить показатель преломления стекла при повороте плоскопараллельной пластинки по часовой стрелке (см. рис. 1, в). D 1. bjLg 2. Е-^Е2 — 3. л = Е\Е2 4. Найдите среднее арифметическое значение показателя преломления стекла по результатам двух измерений. п Вывод: 25 Лабораторная работа Наблюдение интерференции и дифракции света ■ Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света. Часть I Наблюдение интерференции света ■ Оборудование, средства измерения: 1) спички, 2) спиртовка, 3) на проволоке в пробирке комочек ваты, смоченный раствором хлорида натрия, 4) проволочное кольцо с ручкой, 5) стакан с раствором мыла, 6) трубка стеклянная, 7) пластинки стеклянные — 2 шт., 8) CD-диск. ■ Теоретическое обоснование Необходимое оборудование для наблюдения интерференции света на мыльной плёнке представлено на рисунке 1. Для наблюдения интерференции при монохроматическом излучении в пламя спиртовки вносят комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия. При этом пламя окрашивается в жёлтый цвет. Опуская проволочное кольцо 4 в раствор мыла 5, получают мыльную плёнку, располагают её вертикально и рассматривают на тёмном фоне при освеш;ении жёлтым светом спиртовки. Наблюдают образование тёмных и жёлтых горизонтальных полос (рис. 2) и изменение их ширины по мере уменьшения толпдины плёнки. В тех местах плёнки, где разность хода когерентных лучей равна чётному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы, а при нечётном числе полуволн — тёмные полосы. При освепдении плёнки белым светом (от окна или лампы) возникает окрашивание светлых полос: вверху — в синий цвет, внизу — в красный. С помопдью стеклянной трубки 6 на поверхности мыльного раствора выдувают небольшой мыльный пузырь. При освеш;е-нии его белым светом наблюдают образование цветных интерферен- 26 Рис. 2 ционных колец. По мере уменьшения толщины плёнки кольца, расширяясь, перемещаются вниз. Интерференция наблюдается и при рассмотрении контактной поверхности двух сжатых друг с другом стеклянных пластинок 7. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные прослойки, дающие яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы. При изменении силы, сжимающей пластинки, расположение и форма полос изменяются как в отражённом, так и в проходящем свете. Особенно наглядно явление интерференции отражённых световых лучей наблюдается при рассмотрении поверхности CD-диска. Часть II Наблюдение дифракции света ■ Оборудование, средства измерения: 1) штангенциркуль, 2) лампа с прямой нитью накала, 3) рамка картонная с вырезом, в котором натянута проволока диаметром 0,1—0,3 мм, 4) капроновая ткань чёрного цвета. ■ Теоретическое обоснование Дифракция света проявляется в нарушении прямолинейности распространения световых лучей, огибании светом препятствий, в проникновении света в область геометрической тени. Пространственное распределение интенсивности света за неоднородностью среды характеризует дифракционную картину. Рис. 3 27 в качестве неоднородности среды в работе используют щель между губками штангенциркуля. Сквозь эту щель смотрят на вертикально расположенную нить горящей лампы. При этом по обе стороны от нити, параллельно ей, видны радужные полосы. При уменьшении ширины щели полосы раздвигаются, становятся шире и образуют ясно различимые спектры. Этот эффект наблюдается особенно хорошо при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси. Другую дифракционную картину наблюдают на тонкой нити. Рамку с нитью располагают на фоне горящей лампы параллельно нити накала (рис. 3). Удаляя и приближая рамку к глазу, получают дифракционную картину, когда светлые и тёмные полосы располагаются по сторонам нити, а в середине, в области её геометрической тени, наблюдается светлгш полоса (рис. 4). На капроновой ткани можно наблюдать дифракционную картину. В капроновой ткани имеется два выделенных взаимно перпендикулярных направления. Поворачивая ткань вокруг оси, смотрят сквозь ткешь на нить горящей лампы, добиваясь чёткой диф-решционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос (дифракционный крест). В центре креста виден дифракционный мепссимум белого цвета, а в каждой полосе — по нескольку цветов. ■ Порядок выполнения работы Часть I 1. Зе1жгите спиртовку. 2. Внесите в пламя комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия. 3. Опустите проволочное кольцо в раствор мыла для получения мыльной плёнки. 4. Зарисуйте интерференционную картину, полученную на плёнке при освещении жёлтым светом спиртовки. Рис. 4 28 5. Объясните порядок чередования цветов на интерференционной картине при освещении плёнки белым светом. 6. Выдуйте с помощью стеклянной трубки небольшой мыльный пузырь на поверхности мыльного раствора. Объясните причину перемещения интерференционных колец вниз. 7. Опишите интерференционную картину, наблюдаемую от двух сжатых стеклянных пластинок. 8. Как изменяется наблюдаемая картина при увеличении силы, сжимающей пластинки вместе? 9. Опишите интерференционную картину при освещении CD-диска. 29 Часть II 1. Зарисуйте две дифракционные картины, наблюдаемые при рассмотрении нити горящей лампы через щель штангенциркуля (при ширине щели 0,05 и 0,8 мм). а = 0,05 мм а = 0,8 мм 2. Опишите изменение характера интерференционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси (а = 0,8 мм). 3. Рамку с нитью расположите на фоне горящей лампы параллельно нити накала (см. рис. 3), Перемещая рамку относительно глаза, добейтесь того, чтобы в середине, в области геометрической тени нити, наблюдалась светлая полоса. Зарисуйте дифракционную картину, наблюдаемую за тонкой нитью. 4. Посмотрите сквозь чёрную капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь чёткой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос. Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест, опишите его. 30 Вывод: Лабораторная работа Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решётки ■ Цель работы: измерить длину световой волны с помощью дифракционной решётки. ■ Оборудование, средства измерения: 1) проекционный аппарат, 2) прибор для измерения длины световой волны. ■ Теоретическое обоснование Дифракционную решётку используют для разложения света в спектр и измерения длины световой волны. При падении на дифракционную решётку ДР с периодом d монохроматической плоской волны длиной X (рис. 1) максимумы интенсивности света во всём пространстве слева от решётки будут наблюдаться под утлом к главной оптической оси при условии dsin = тХ, где m = О, ±1, ±2, ... (1) Если расположить экран Э в фокальной плоскости линзы Л с фокусом F, можно наблюдать максимумы интенсивности света в точках с координатой x^’^F-tga^. (2) Целое число т определяет порядок максимума. При m = О, — О на оси симметрии решётки возникает центральный максимум для любых длин волн. Как следует из формулы (1), sin а. тХ ~d (3) Рис. 1 32 Чем больше m, тем больше угол отклонения при одной и той же длине волны X. Это означает, согласно формуле (2), что тем боль* ше и х^. Чем выше порядок максимума, тем дальше он находится от оси симметрии. Поэтому вдоль оси д:, перпендикулярной прорезям дифракционной решётки, будут наблюдаться максимумы интенсивности различных порядков. Спектр излучения источника света может содержать излучение различных длин волн (например, фиолетовое с длиной волны и красное с длиной волны Как видно из формулы (3), чем боль- ше X, тем больше а^. Следовательно, для соответствующего порядка т спектра максимум интенсивности красного света будет находиться дальше от оси симметрии, чем максимум интенсивности фиолетового. Для фиолетового света А. = 0,4 мкм. Следовательно, из формулы (3) при d = 10 мкм sin = 1-0,4 10 tg ttj = 0,04003, = 0,04, a otj = 2,29*^. T. e. при таких малых углах При этом sin а — tg « . Разделив почленно равенства (1) и (2), получаем формулу для определения длины световой волны с помощью дифракционной решётки: Х^ Xmd mF (4) В данной работе наблюдения проводятся непосредственно глазом (рис. 2). При этом наблюдателю кажется, что излучение, попадаю- 33 щее в точку может испускаться в одной из точек отрезка ОР. Наиболее предпочтительной точкой локализации мнимого источника является точка Р (с координатой находящаяся на зачернённой (для большего контраста) поверхности шкалы, так как расстояние от решётки до шкалы L известно. Из подобия и ЛОО^Р следует, что где I — расстояние от глаза до дифракционной решётки. Считая I« Ly получаем V — L, (5) Подставляя F в формулу (4), получаем расчётную формулу для вычисления длины волны света с помощью дифракционной решётки: X„d тЬ (6) Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3. Излучение от источника света!, проходя через прицельную прорезь 2 шкалы 3, попадает на дифракционную решётку 4у установленную в держателе 5, который прикреплён к концу линейки 6. Шкала может перемещаться вдоль линейки, закреплённой в муфте 7 штатива 8у позволяющей фиксировать различные расстояния L от дифракционной решётки до шкалы. Если смотреть сквозь решётку и прицельную прорезь на источник света, то в верхней части шкалы (на чёрном фоне) можно наблюдать по обе стороны от прорези максимумы интенсивности излучения первого и второго порядков различного цвета (рис. 4). Фиксируют Рис. 3 34 Рис. 4 расстояние L. Проводят измерения максимумов первого порядка. Измеряют модули отклонения Х^ф от центра прорези максимумов первого порядка фиолетового света. Находят среднее арифметическое модуля отклонения ^ _х1ф+х;ф ^1ф 2 и длину волны фиолетового света по формуле (6): L Аналогично измеряют длину волны красного света: (7) (8) Проводят измерения максимумов интенсивности света второго порядка. Измеряют модули отклонения Х^ф, Х^ф от центра прорези максимумов второго порядка фиолетового света. Находят среднее арифметическое модуля отклонения: V _ ^2ф ^2ф ^2ф 2 И длину волны фиолетового света по формуле (6): 2L • (9) Аналогично измеряют длину волны красного света: к 2L (10) Для уточнения окончательных результатов берут средние арифметические значения длин волн фиолетового света, полученные из формул (7), (9), и красного света — из формул (8) и (10). 35 ■ Порядок выполнения работы 1. Соберите экспериментальную установку (см. рис. 3). 2. Поместите дифракционную решётку в держатель. Запишите период решётки. 3. Направляя прибор на проекционный аппарат и наблюдая его излучение через дифракционную решётку и прорезь шкалы, добейтесь того, чтобы по обе стороны от прорези были видны максимумы интенсивности излучения первого и второго порядка фиолетового и красного света. Если максимумы второго порядка оказываются вне шкалы, уменьшите расстояние L от решётки до шкалы. Запишите его значение по шкале линейки б, когда возникнет требуемая картина. 4. Измерьте модули отклонения от центра прорези максимумов первого порядка фиолетового света (слева и справа от прорези). 5. Найдите среднее арифметическое модуля отклонения. ^ _^1Ф+^1Ф_ ^1Ф 2 6. Вычислите длину волны фиолетового света по формуле (6). ^1Ф L 7. Повторите измерения и расчёт модуля отклонения и длины волны красного света. • 1C" = » ^ 1к :^1к = ^1к ^1к г 36 8. Проведите измерения и рассчитайте модуль отклонения и длину волны фиолетового света для максимумов второго порядка. 2ф ’ ^2ф :^2ф = ^2ф _ 9. Найдите длину волны фиолетового света по формуле (9). ^2ф 2L 10. Проведите измерения и рассчитайте модуль отклонения и длину волны красного света для максимумов второго порядка. ^2к = ;Х 2к ^2к+ ^2к 11. Получите окончательный результат измерения длины волны фиолетового света как среднее арифметическое значений и Х,2ф. 12. Получите окончательный результат измерения длины волны красного света как среднее арифметическое значений и ^к = ■ Дополнительное задание. Провести измерения длин волн фиолетового и красного света при меньшем расстоянии от дифракционной решётки до шкалы. 1. Установите меньшее расстояние от решётки до шкалы. 2. Повторите измерения и расчёты, проделанные ранее в п. 4—10. 3- Х'1ф “ :^'1Ф = ;Х 1ф L Xi^-d ;^1к = 37 5- ХЬф = • IT” — » ^2ф :^2ф = ^2ф 2Lj 6- ^2к = • 1Г" = » ^2к ;^2к = ^2к -^ГГ 7 1 _ ^1ф ^2ф _ Ч 2---------- 8.1 ^1к + ^2к Вывод: Лабораторная работа Наблюдение линейчатого и сплошного спектров испускания ■ Цель работы: изучить особенности линейчатого спектра газов и сплошного спектра излучения твёрдых тел. ■ Оборудование, средства измерения: 1) спектральные трубки с водородом, гелием и неоном, 2) плоскопараллельная пластинка со скошенными гранями, 3) проекционный аппарат. ■ Теоретическое обоснование Линейчатый спектр излучения — спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различного цвета и интенсивности. Атомы каждого химического элемента имеют неповторимый линейчатый спектр излучения, характерный именно для этого элемента. В нагретых твёрдых телах энергии стационарных состояний меняются не скачком, а непрерывно. Значит, частоты излучения фотонов могут быть любыми. Поэтому излучательный спектр нагретых твёрдых тел является непрерывным, или сплошным, когда наблюдаются все цвета видимого света без тёмных промежутков между ними. Для наблюдения линейчатых спектров излучения на демонстрационном столе зажигают поочерёдно спектральные трубки с водородом, гелием и неоном. Через плоскопараллельную пластинку со скошенными гранями наблюдают вертикальный светящийся канал трубки S (рис. 1). При этом видимое изображение спектра сдвинуто в сторону преломляющего угла. Наблюдения проводят два раза: через грани, образующие угол 60° и угол 45°. Спектр каждого газа виден как ряд отдельных узких полос, расположенных на некоторых расстояниях друг от друга и окрашенных в различные цвета. Сплошной спектр создаётся излучением от светлой вертикальной полоски на экране, спроецированной на нём проекционным аппаратом. Наблюдение сплошного спектра проводят так же, как и линейчатого, с помощью плоскопараллельной пластинки два раза: через грани, образующие угол 60° и угол 45°. Рис. 1 39 ■ Порядок выполнения работы 1. Включите спектральную трубку с водородом. 2. Проведите наблюдение линейчатого спектра водорода с помощью плоскопараллельной пластинки: через грани, образующие угол 60° и угол 45°. Запишите последовательность цветов видимых спектральных линий. 3. Укажите отличие линейчатых спектров в этих двух случаях. 4. Повторите наблюдения линейчатых спектров: а) для гелия, б) для неона, согласно п. 2 и 3. 5. Проведите наблюдение сплошного спектра от светлой вертикальной полоски, спроецированной на экран проекционным аппаратом, через грани, образующие угол 60° и угол 45°. Укб1жите последовательность чередования цветов в сплошном спектре. 6. Опишите отличие сплошных спектров при их наблюдении через разные грани. 40 ■ Дополнительное задание. Провести наблюдение сплошного спектра излучения лампы накаливания. 1. Проведите наблюдение сплошного спектра излучения лампы накаливания с помопдью плоскопараллельной пластинки. Опишите наблюдаемый спектр. 2. Изменяя напряжение на лампе, опишите изменение спектра излучения лампы в зависимости от температуры нити накала. Вывод: Лабораторная работа Изучение взаимодействия частиц и ядерных реакций (по фотографиям) ■ Цель работы: проанализировать фотографии треков заряженных частиц, движущихся в магнитном поле и участвующих в ядерных реакциях. ■ Оборудование, средства измерения: 1) фотография трека заряженной частицы в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, 2) фотография треков частиц при реакции взаимодействия а-части-цы с ядром атома азота. ■ Теоретическое обоснование Для изучения взаимодействия элементарных частиц, для регистрации ядерных реакций и измерения физических величин, характеризующих состояние частиц, в них участвующих, используют камеру Вильсона. Эта камера заполнена перенасыщенными парами воды и этилового спирта. Такие пары легко конденсируются в виде маленьких капелек на ионах, образующихся при пролёте быстрых частиц. Водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта — на положительных, вдоль всего пути частицы возникает трек — тонкий след из капелек, благодаря чему её траектория движения становится видимой. Треки частиц фотографируют при дополнительной подсветке паров в камере Вильсона. Толщина трека згшисит от величины заряда частицы. Чем больше заряд пролетающей частицы, тем больше ионов образуется при её пролёте, а следовательно, тем больше толщина трека частицы. Длина трека зависит от энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем медленнее она расходует энергию на ионизацию паров, тем длиннее трек частицы. Часть I На фотографии (рис. 1), сделанной в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, изображены траектории двух заряженных частиц. Трек I на фотографии принадлежит протону, трек II — частице, которую надо идентифицировать. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии. Линии индукции внешнего магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии. Идентификация неизвестной частицы с зарядом q и массой т осу- q ществляется путем сравнения ее удельного заряда ^ с удельным за- 42 Рис. 1 рядом протона ~ . Под действием силы Лоренца заряженная частица движется по окружности радиусом R^. Согласно второму закону Ньютона та^ = Fjj, или ^ ^ индукция внешнего магнитного поля. где В Тогда Для протона аналогично V Я_ ^___ т ВКл е т. V BR< (1) (2) Отношение удельных зарядов обратно пропорционально отношению радиусов треков: q/m _ R2 е/тПр * Для измерения радиуса кривизны трека вычерчивают две хорды и восставляют к ним перпендикуляры из центров хорд (рис. 2). Центр окружности лежит на пересечении этих перпендикуляров. Её радиус измеряют линейкой. Часть II По фотографии (рис. 3), сделанной в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, изучают ядерную реакцию взаимодействия а-частицы с атомом азота, впервые осуществлённую в 1919 г. Э. Резерфордом. 43 Рис. 3 |Не + -^iX + }р. В результате реакции образуется протон \р и частица ^Х. Массовое число А и зарядовое число Z этой частицы можно найти из законов сохранения электрического и барионного заряда. ■ Порядок выполнения работы Часть I 1. Определите знак электрического заряда неизвестной частицы на фотографии (см. рис. 1). 2. Укажите на фотографии направление вектора магнитной индукции В. 3. Измерьте радиус трека неизвестной частицы на фотографии. «1 = 4. Измерьте радиус трека протона на фотографии. 5. Сравните удельные заряды неизвестной частицы и протона. q/m _^2 _ е/гПр jRj 6. Идентифицируйте заряженную частицу. Вывод: 44 Часть II 1. Укажите, используя фотографию (см. рис. 3), как часто происходит взаимодействие а-частиц с атомами азота. 2. Отметьте, какой трек принадлежит взаимодействующей а-час-тице, какой — протону, а какой — ядру атома неизвестного элемента. 3. Почему длина и толщина этих треков неодинаковы? 4. Укажите, ядро какого элемента образовалось при реакции. Запишите окончательное ургшнение ядерной реакции. Вывод: СОДЕРЖАНИЕ Введение................................................ 3 Электроизмерительные приборы............................ 3 Принципиальное устройство электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы............................ 4 Цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора ................................................ 5 Класс точности, погрешность измерения электроизмерительного прибора ................................................ 6 Пример расчёта погрешности электроизмерительного прибора ................................................ 7 Лабораторная работа № 1 «Исследование смешанного соединения проводников»........ 8 Лабораторная работа № 2 «Изучение закона Ома для полной цепи».................. 14 Лабораторная работа № 3 «Изучение явления электромагнитной индукции» .......... 17 Лабораторная работа № 4 «Измерение показателя преломления стекла».............. 22 Лабораторная работа № 5 «Наблюдение интерференции и дифракции света» .......... 26 Лабораторная работа № 6 «Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решётки» ................................ 32 Лабораторная работа № 7 «Наблюдение линейчатого и сплошного спектров испускания»............................................ 39 Лабораторная работа JVIq 8 «Изучение взаимодействия частиц и ядерных реакций (по фотографиям)».......................................42 Учебное издание Касьянов Валерий Алексеевич Коровин Владимир Анатольевич ФИЗИКА 11 класс Профильный уровень Тетрадь для лабораторных работ Згш. редакцией Е, Н, Тихонова Ответственный редактор И. Г. Власова Оформление А. А. Абрамова Художник О. А. Новотоцких Технический редактор В. Ф. Козлова Компьютерная графика А. Е. Каныгин Компьютерная верстка С. Л. Мамедова Корректор С. М. Задворычева Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 16508. 12+ Подписано в печать 30.08.13. Формат 70 х 100 Vje-Бумага офсетная. Гарнитура «Школьная». Печать офсетная. Уел. печ. л. 3,87. Тираж 1000 экз. Заказ № 3122. ООО «ДРОФА». 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Предложения и замечания по содержанию и оформлению книги :росим направлять в редакцию общего образования издательства «Дрофа» 127018, Москва, а/я 79. Тел.: (495) 795-05-41. E-mail: [email protected] По вопросам приобретения продукции издательства «Дрофа» обращаться по адресу: 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Тел.: (495) 795-05-50, 795-05-51. Факс: (495) 795-05-52. Сайт ООО «ДРОФА»: www.drofa.ru Электронная почта: [email protected] Тел.: 8-800-200-05-50 (звонок по России бесплатный) Отпечатано в ФГУП Издательство «Известия» УД ПРФ 127254, г. Москва, ул. Добролюбова, д. 6 Контгистный телефон: (495) 650-38-80 https://izv.ru для ЗАМЕТОК