Методическое руководство к лабораторным работам

Федеральное
агентство по образованию Российской
Федерации

Государственное
образовательное учреждение

Высшего
профессионального образования

Владимирский
государственный университет

Кафедра
вычислительной техники

ЭЛЕКТРОНИКА.
ЦЕПИ И СИГНАЛЫ

Методическое руководство к лабораторным работам

Владимир
2008

УДК
621.39

ББК
31.811

М54

Рецензент

Кандидат
технических наук, доцент

Владимирского
государственного университета

В.А.
Ефимов

Печатается
по решению редакционно-издательского
совета

Владимирского
государственного университета

М54

Цепи
и сигналы: метод. руководство к лаб.
работам / сост. А.С. Меркутов, А.Н. Цислав
; Владим. гос. ун-т. –
Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та,
2008. – 52с.

Методическое
руководство содержит описание трех
лабораторных работ, которые ориентированы
на теоретическое и практическое изучение
следующих разделов учебного курса «Цепи
и сигналы»: «Спектральный анализ
периодических и непериодических
сигналов», «Амплитудная модуляция»,
«Частотная модуляция». Лабораторные
работы построены на основе решения
задач линейного и нелинейного анализа
радиотехнических цепей с использованием
САПР Advanced
Design
System.

УДК
621.39

ББК
31.811

Введение

Для
выполнения представленных в настоящем
методическом руководстве лабораторных
работ предлагается использовать систему
автоматизированного проектирования
Advanced
Design
System
, которая предна­значена
для моделирования аналоговых и цифровых
радиоэлектронных устройств
и систем широкого класса. Ниже приводится
последовательность основных команд,
ориентированных на сеанс работы с
программным обеспечением
данной САПР.

1. Запустить
   программу
   Advanced
   Design System. Сгенерируется
   окно главного меню.

2. Установить
   режим работы системы — аналоговый, если
   это не­обходимо,
   выполнив команду Optiotis>
   Advanced
   Design
   System
   Setup>Analog
   RF
   Only.
   Выйти из
   программы и снова ее запустить.

1. Создать
   новый проект — команда File>New
   Project.

1. Присвоить
   имя новому проекту и открыть его. К
   имени авто­матически присоединяются
   символы _prj.

2. Открыть
   окно схемного редактора командой
   File>New
   Sche­matic.

1. Сформировать
   схемный проект.

1. Сохранить
   содержимое окна схемного редактора.
   Файл получа­ет
   расширение *.dsn
   и размещается в подкаталоге network.

2. Результаты
   моделирования (графики, таблицы и т.п.)
   сохра­нить в файле с расширением
   *.dds.

Далее
приводится описание лабораторных работ,
ориентирован­ных
на изучение спектральных характеристик
типовых радиосигналов и способов их
оценки, изучение принципов работы
простейших детекторов модулированных
сигналов для различных видов модуляции,
исследование характеристик амплитудных
и частотных детекторов при вариации
параметров сигналов и элементов схемы.

Лабораторная работа №1 исследование спектральных характеристик периодических и непериодических сигналов

1. Цель работы

Формирование
моделей периодических и непериодических
сигналов, исследование амплитудного и
фазового спектра сигналов с использованием
методов решения системы дифференциальных
уравнений, описывающих поведение схемы
во временной области и прямого
преобразования Фурье.

Раздел «Механика и молекулярная физика»

 ЛР № 0                   ЛР № 1               ЛР № 2             ЛР № 5                   ЛР № 7
 ЛР № 8                  ЛР № 9               ЛР № 11           ЛР № 16                  ЛР № 17 
 ЛР № 60.2             ЛР № 61            ЛР № 62.1       ЛР № 62.2

 Раздел «Электричество и магнетизм»

  ЛР № 21                           ЛР № 22                            ЛР № 23                       ЛР № 24                           ЛР № 25

 ЛР № 31.1                         ЛР № 33.1 и 33.2             ЛР № 34                       ЛР № 35

 
 Раздел «Волновая оптика»
 ЛР № 41.1        ЛР № 41.2           ЛР № 42.1            ЛР № 42.2              ЛР № 43.2

 
  Раздел «Квантовая оптика, атомная и ядерная физика»

ЛР № 46.1                ЛР № 46.2            ЛР № 47               ЛР № 48        

ЛР № 49.1           ЛР № 49.2           ЛР № 51                ЛР № 52               ЛР№ 55.1

  Графики проведения  лабораторных работ в 1 модуле 2022/23 уч. года  

2 курс БИВ, БИБ

2 курс БИТ, БПМ

2 курс СКБ

 Графики проведения  лабораторных работ во 2 модуле 2022/23 уч. года  

2 курс БИВ, БИБ

2 курс БИТ, БПМ

2 курс СКБ

1 курс все специальности

 Графики проведения  лабораторных работ в 3 модуле 2022/23 уч. год

График 1 курс БИВ и БИБ 

График 1 курс БИТ
График 1 курс СКБ, БПМ

 Графики проведения  лабораторных работ в  4 модуле 2022/23 уч. год

График 1 курс БИВ, БИБ 

График 1 курс БИТ 

График 1 курс СКБ, БПМ

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ
Методическое руководство к лабораторным работам

для студентов 2, 3 курсов АВТФ, РЭФ, ФТФ, ЭМФ, ЭЭФ

всех форм обучения

НОВОСИБИРСК

2004

Составили: доцент, к.т.н. В.К.Береснев.

доцент, к.т.н. Г.Г.Матушкин.

доцент А.Э.Каспер.

ст. препод. Т.В.Власова.

Рецензент: доцент, к.т.н. В.П.Гусев

Работа подготовлена кафедрой

Систем сбора и обработки данных.

 Новосибирский государственный

технический университет, 2004 г.

Предисловие
Настоящее методическое руководство включает в себя введение с изложением некоторых важных метрологических понятий, используемых в дальнейшем, а также пояснений, описание заданий и контрольных вопросов для четырех лабораторных работ.

При выполнении первой лабораторной работы студент приобретает практические навыки работы с комбинированными аналоговыми и цифровыми измерительными приборами и навыки оценки основных инструментальных погрешностей.

Вторая работа иллюстрирует некоторые дополнительные инструментальные и методические погрешности и позволяет получить навыки их оценки при измерении напряжений и токов.

Целью третьей лабораторной работы является приобретение практических навыков использования электронных осциллографов, измерения с их помощью параметров сигналов и оценки погрешностей этих измерений.

При выполнении четвертой лабораторной работы студенты знакомятся с методикой простейшей статистической обработки результатов измерения и с методикой поверки измерительных приборов.

ВВЕДЕНИЕ
Одним из основополагающих понятий Метрологии является понятие погрешности измерений.
Погрешностью измерения называют отклонение измеренного

значения физической величины от её истинного значения.
Погрешность измерений, в общем случае, может быть вызвана следующими причинами:

1. Несовершенством принципа действия и недостаточным качеством элементов используемого средства измерения.
2. Несовершенством метода измерений и влиянием используемого средства измерения на саму измеряемую величину, зависящим от способа использования данного средства измерения.
3. Субъективными ошибками экспериментатора.

Так как истинное значение измеряемой величины никогда неизвестно (в противном случае отпадает необходимость в проведении измерений), то численное значение погрешности измерений может быть найдено только приближенно. Наиболее близким к истинному значению измеряемой величины является значение, которое может быть получено при использовании эталонных средств измерений (средств измерений наивысшей точности). Это значение условились называть действительным значением измеряемой величины. Действительное значение также является неточным, однако, из-за малой погрешности эталонных средств измерений, погрешностью определения действительного значения пренебрегают.
Классификация погрешностей

1. По форме представления различают понятия абсолютной погрешности измерений и относительной погрешности измерений.

Абсолютной погрешностью измерений называют разность между

измеренным и действительным значениями измеряемой

величины:

,
где ∆ — абсолютная погрешность,

– измеренное значение,

– действительное значение измеряемой величины.

Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины. Знак абсолютной погрешности будет положительным, если измеренное значение больше действительного, и отрицательным в противном случае.
Относительной погрешностью называют отношение абсолютной

погрешности к действительному значению измеряемой величины:

где δ – относительная погрешность.

Чаще всего относительную погрешность определяют приближенно в процентах от измеренного значения:

Относительная погрешность показывает, какую часть (в %) от измеренного значения составляет абсолютная погрешность. Относительная погрешность позволяет нагляднее, чем абсолютная погрешность, судить о точности измеренного значения.

1. По источникам происхождения погрешности подразделяют на следующие виды:

— инструментальные погрешности;

— методические погрешности;

— субъективные погрешности, допущенные экспериментатором .
Инструментальными называются погрешности, которые принадлежат данному типу средств измерения, могут быть определены при их испытаниях и занесены в паспорт средства измерения в виде пределов допускаемых погрешностей.
Инструментальная погрешность возникает из-за несовершенства принципа действия и недостаточно высокого качества элементов, применяемых в конструкции средства измерений. По этой причине реальная передаточная характеристика каждого экземпляра средства измерений в большей или меньшей степени отличается от номинальной (расчетной) передаточной характеристики. Отличие реальной характеристики средства измерений от номинальной (рис.1) определяет величину инструментальной погрешности средства измерений.

Рис.1. Иллюстрация к определению понятия инструментальной

погрешности.

Здесь: 1 – номинальная характеристика средства измерений;

2 – реальная характеристика средства измерений.

Как видно из рис.1, при изменении измеряемой величины, инструментальная погрешность может иметь различные значения (как положительные, так и отрицательные).

При создании средств измерений какой-либо физической величины, к сожалению, не удается полностью избавиться от реакции этого средства измерений на изменение других (не измеряемых) величин. Наряду с чувствительностью средства измерения к измеряемой величине, оно всегда реагирует (хотя и существенно в меньшей степени) на изменение условий эксплуатации. По этой причине инструментальную погрешность подразделяют на основную погрешность и дополнительную погрешности.
Основной погрешностью называют погрешность, имеющую место

в случае применения средства измерений в нормальных условиях

эксплуатации.
Номенклатура влияющих на средство измерений величин и диапазоны их изменений определяются разработчиками в качестве нормальных условий для каждого типа средств измерений. Нормальные условия эксплуатации всегда указываются в техническом паспорте средства измерений. Если эксперимент выполняется в условиях, отличных от нормальных для данного средства измерений, его реальная характеристика искажается сильнее, чем в нормальных условиях. Погрешности, которые при этом возникают, называют дополнительными.
Дополнительной погрешностью называют погрешность средств

измерений, которая возникает в условиях, отличающихся от

нормальных, но входящих в допустимую рабочую область условий

эксплуатации.
Рабочие условия эксплуатации, так же как и нормальные, в обязательном порядке приводятся в техническом паспорте средств измерений.

Инструментальная погрешность средств измерений определенного типа не должна превышать некоторого заданного значения – так называемой предельно допустимой основной погрешности средств измерений данного типа. Фактическая основная погрешность каждого конкретного экземпляра этого типа является при этом случайной величиной и может принимать различные значения, иногда даже равные нулю, но в любом случае инструментальная погрешность не должна превышать заданного предельного значения. Если это условие не выполняется, средство измерений должно быть изъято из обращения.
Методическими называются погрешности, которые возникают из-за неудачного выбора экспериментатором средства измерения для решения поставленной задачи. Они не могут быть приписаны средству измерения и приведены в его паспорте.
Методические погрешности измерения зависят как от характеристик применяемого средства измерений, так и во многом от параметров самого объекта измерения. Неудачно выбранные средства измерений могут исказить состояние объекта измерений. При этом методическая составляющая погрешности может оказаться существенно больше инструментальной.
Субъективными погрешностями называют погрешности,

допускаемые самим экспериментатором при проведении

измерений.
Этот тип погрешностей связан обычно с невнимательностью экспериментатора: применение прибора без устранения смещения нуля, неправильное определение цены деления шкалы, неточный отсчет доли деления, ошибки в подключении и т.п.

1. По характеру проявления погрешности измерений подразделяют на:

— систематические погрешности;

— случайные погрешности;

— промахи (грубые ошибки).
Систематической называют погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины остается постоянной, или изменяется закономерно.
Систематические погрешности обусловлены как несовершенством метода измерений и влиянием средства измерений на измеряемый объект, так и отклонением реальной передаточной характеристики применяемого средства измерений от номинальной характеристики.

Постоянные систематические погрешности средств измерений могут быть выявлены и численно определены в результате сличения их показаний с показаниями эталонных средств измерений. Такие систематические погрешности могут быть уменьшены регулировкой приборов или введением соответствующих поправок. Следует заметить, что полностью исключить систематические погрешности средств измерений не удается, так как их реальные передаточные характеристики изменяются при изменении условий эксплуатации. Кроме этого всегда имеют место так называемые прогрессирующие погрешности (возрастающие или убывающие), вызванные старением элементов входящих в состав средств измерений. Прогрессирующие погрешности могут быть скорректированы регулировкой или введением поправок лишь на некоторое время.

Таким образом, даже после регулировки или введения поправок, всегда имеет место так называемая неисключенная систематическая погрешность результата измерений.
Случайной называют погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины принимает различные значения.
Случайные погрешности обусловлены хаотичным характером изменений физических величин (помех), влияющих на передаточную характеристику средства измерений, суммированием помех с измеряемой величиной, а также наличием собственных шумов средства измерений. При создании средств измерений предусматриваются специальные меры защиты от помех: экранирование входных цепей, использование фильтров, применение стабилизированных источников питающего напряжения и т.д. Это позволяет уменьшить величину случайных погрешностей при проведении измерений. Как правило, при повторных измерениях одной и той же величины результаты измерений либо совпадают, либо отличаются на одну, две единицы младшего разряда. В такой ситуации случайной погрешностью пренебрегают и оценивают только величину неисключенной систематической погрешности.

Наиболее сильно случайные погрешности проявляются при измерении малых значений физических величин. Для повышения точности в таких случаях производятся многократные измерения с последующей статистической обработкой результатов методами теории вероятности и математической статистики.
Промахами называют грубые погрешности, существенно превышающие ожидаемые погрешности при данных условиях проведения измерений.
Промахи большей частью возникают из-за субъективных ошибок экспериментатора или из-за сбоев в работе средства измерений при резких изменениях условий эксплуатации (броски или провалы сетевого напряжения, грозовые разряды и т.п.) Обычно промахи легко выявляются при повторных измерениях и исключаются из рассмотрения.

Нормирование погрешностей средств измерения.
Точность СИ определяется предельно-допустимыми погрешностями, которые могут быть получены при его использовании.
Нормированием погрешностей средств измерений называют

процедуру назначения допустимых границ основной и

дополнительных погрешностей, а также выбор формы указания

этих границ в нормативно-технической документации.
Пределы допускаемой основной и дополнительных погрешностей определяются разработчиками для каждого типа средств измерений на стадии подготовки производства. В зависимости от назначения средства измерений и характера изменения погрешности в пределах диапазона измерений нормируется для средств измерений различного типа либо предельно-допустимое значение основной абсолютной погрешности, либо предельно-допустимое значение основной приведенной погрешности, либо предельно-допустимое значение основной относительной погрешности.

Для каждого типа средств измерений характер изменения погрешности в пределах диапазона измерений зависит от принципа действия этого средства измерений и может быть самым разнообразным. Однако, как показала практика, среди этого многообразия часто удается выделить три типовых случая, предопределяющих выбор формы представления пределов допускаемой погрешности. Типовые варианты отклонения реальных передаточных характеристик средств измерений от номинальной характеристики и соответствующие им графики изменения предельных значений абсолютной и относительной погрешностей в зависимости от измеряемой величины приведены на рис 2.

Если реальная передаточная характеристика средства измерений смещена по отношению к номинальной (1-й график на рис.2а), абсолютная погрешность, возникающая при этом, (1-й график на рис.2б), не зависит от измеряемой величины.
Составляющую погрешности средства измерений, не зависящую от измеряемой величины, называют аддитивной погрешностью.
Если угол наклона реальной передаточной характеристики средства измерений отличается от номинального (2-й график на рис. 2а), то абсолютная погрешность будет линейно зависеть от измеряемой величины (2-й график на рис. 2б).
Составляющую погрешности средства измерений, линейно зависящую от измеряемой величины, называют мультипликативной погрешностью.
Если реальная передаточная характеристика средства измерений смещена по отношению к номинальной и угол ее наклона отличается от номинального (3-й график на рис. 2а), то в этом случае имеет место как аддитивная, так и мультипликативная погрешность.

Аддитивная погрешность возникает из-за неточной установки нулевого значения перед началом измерений, ухода нуля в процессе измерений, из-за наличия трений в опорах измерительного механизма, из-за наличия термо-эдс в контактных соединениях и т.д.

Мультипликативная погрешность возникает при изменении коэффициентов усиления или ослабления входных сигналов (например, при изменении температуры окружающей среды, или вследствие старения элементов), из-за изменения значений, воспроизводимых мерами, встроенными в измерительные приборы, из-за изменений жесткости пружин, создающих противодействующий момент в электромеханических приборах и т.д.

Ширина полосы неопределенности значений абсолютной (рис.2б) и относительной (рис.2в) погрешностей характеризует разброс и изменение в процессе эксплуатации индивидуальных характеристик множества находящихся в обращении средств измерений определенного типа.
А) Нормирование пределов допускаемой основной погрешности для

средств измерений с преобладающей аддитивной погрешностью.
Для средств измерений с преобладающей аддитивной погрешностью (1-й график на рис.2) удобно нормировать одним числом предельно-допустимое значение абсолютной погрешности (∆_max= ±а). В этом случае фактическая абсолютная погрешность ∆ каждого экземпляра средства измерений данного типа на различных участках шкалы может иметь различные значения, но не должна превышать предельно-допустимой величины (∆ ≤ ±а). В многопредельных измерительных приборах с преобладающей аддитивной погрешностью для каждого предела измерений пришлось бы указывать свое значение предельно допустимой абсолютной погрешности. К сожалению, как видно из 1-го графика на рис.2в, нормировать одним числом предел допускаемой относительной погрешности в различных точках шкалы не представляется возможным. По этой причине для средств измерений с преобладающей аддитивной погрешностью часто нормируют одним числом значение так называемой основной

приведенной относительной погрешности

,

где X_N – нормирующее значение.

Таким способом, например, нормируются погрешности большинства электромеханических и электронных приборов со стрелочными индикаторами. В качестве нормирующего значения X_N обычно используется предел измерений (X_N = X_max), удвоенное значение предела измерений (если нулевая отметка находится в середине шкалы), или длина шкалы ( для приборов с неравномерной шкалой). Если X_N = X_max, то значение приведенной погрешности γ равно пределу допускаемой относительной погрешности средства измерений в точке, соответствующей пределу измерений. По заданному значению предела допускаемой основной приведенной погрешности легко определить предел допускаемой основной абсолютной погрешности для каждого предела измерений многопредельного прибора:.

После этого для любой отметки шкалы X может быть произведена оценка предельно-допустимой основной относительной погрешности:

.
Б) Нормирование пределов допускаемой основной погрешности для

средств измерений с преобладающей мультипликативной

погрешностью.
Как видно из рис.2 (2-й график), для средств измерений с преобладающей мультипликативной погрешностью, одним числом удобно нормировать предел допускаемой основной относительной погрешности (рис.2в) δ_max= ± b∙100%. В этом случае, фактическая относительная погрешность каждого экземпляра средства измерений данного типа на различных участках шкалы может иметь различные значения, но не должна превышать предельно допустимой величины (δ ≤ ± b∙100%). По заданному значению предельно допустимой относительной погрешности δ_max для любой точки шкалы может быть произведена оценка предельно-допустимой абсолютной погрешности:

.

К числу средств измерений с преобладающей мультипликативной погрешностью относится большинство многозначных мер, счетчики электрической энергии, счетчики воды, расходомеры и др. Следует отметить, что для реальных средств измерений с преобладающей мультипликативной погрешностью не удается полностью устранить аддитивную погрешность. По этой причине в технической документации всегда указывается наименьшее значение измеряемой величины, для которого предел допускаемой основной относительной погрешности ещё не превышает заданного значения δ_max. Ниже этого наименьшего значения измеряемой величины погрешность измерений не нормируется и является неопределенной.
В) Нормирование пределов допускаемой основной погрешности для

средств измерений с соизмеримой аддитивной и мультипликативной

погрешностью.
Если аддитивная и мультипликативная составляющая погрешности средства измерений соизмеримы (3-й график на рис.2), то задание предельно-допустимой погрешности одним числом не представляется возможным. В этом случае либо нормируется предел допускаемой абсолютной основной погрешности (указываются предельно-допустимые значения a и b), либо (чаще всего) нормируется предел допускаемой относительной основной погрешности. В последнем случае численные значения предельно-допустимых относительных погрешностей в различных точках шкалы оцениваются по формуле:

,

где X_max – предел измерений;

X — измеренное значение;

d = — значение приведенной к пределу измерений

аддитивной составляющей основной погрешности;

с = — значение результирующей относительной

основной погрешности в точке, соответствующей пределу

измерений.
Рассмотренным выше способом (указанием численных значений c и d) нормируются , в частности, предельно-допустимые значения относительной основной погрешности цифровых измерительных приборов. В этом случае относительные погрешности каждого экземпляра средств измерений определенного типа не должны превышать установленных для этого типа средств измерений значений предельно-допустимой погрешности:

.

При этом абсолютная основная погрешность определяется по формуле

.
Г) Нормирование дополнительных погрешностей.
Наиболее часто пределы допускаемых дополнительных погрешностей указывают в технической документации либо одним значением для всей рабочей области величины, влияющей на точность средства измерений (иногда несколькими значениями для поддиапазонов рабочей области влияющей величины), либо отношением предела допускаемой дополнительной погрешности к интервалу значений влияющей величины. Пределы допускаемых дополнительных погрешностей указываются на каждой , влияющей на точность средства измерений величине. При этом, как правило, значения дополнительных погрешностей устанавливают в виде дольного или кратного значения предела допускаемой основной погрешности. Например, в документации может быть указано, что при температуре окружающей среды за пределами нормальной области температур, предел допускаемой дополнительной погрешности, возникающей по этой причине, не должен превышать 0,2% на 10^о С.

Классы точности средств измерений.

Исторически по точности средства измерений подразделяют на классы. Иногда их называют классами точности, иногда классами допуска, иногда просто классами.
Класс точности средства измерений – это его характеристика, отражающая точностные возможности средств измерений данного типа.
Допускается буквенное или числовое обозначение классов точности. Средствам измерений, предназначенным для измерения двух и более физических величин, допускается присваивать различные классы точности для каждой измеряемой величины. Средствам измерений с двумя или более переключаемыми диапазонами измерений также допускается присваивать два или более класса точности.

Если нормируется предел допускаемой абсолютной основной погрешности, или в различных поддиапазонах измерений установлены разные значения пределов допускаемой относительной основной погрешности, то , как правило, применяется буквенное обозначение классов. Так, например платиновые термометры сопротивления изготовляют с классом допуска А или классом допуска В. При этом для класса А установлен предел допускаемой абсолютной основной погрешности , а для класса В — , где – температура измеряемой среды.

Если для средств измерений того или иного типа нормируется одно значение предельно-допустимой приведенной основной погрешности, или одно значение предельно-допустимой относительной основной погрешности, или указываются значения c и d, то для обозначения классов точности используются десятичные числа. В соответствии с ГОСТом 8.401-80 для обозначения классов точности допускается применение следующих чисел:

1∙10ⁿ; 1,5∙10ⁿ; 2∙10ⁿ; 2,5∙10ⁿ; 4∙10ⁿ; 5∙10ⁿ; 6∙10ⁿ, где n = 0, -1, -2, и т.д.

Для средств измерений с преобладающей аддитивной погрешностью численное значение класса точности выбирается из указанного ряда равным предельно-допустимому значению приведенной основной погрешности, выраженной в процентах. Для средств измерений с преобладающей мультипликативной погрешностью численное значение класса точности соответствует пределу допускаемой относительной основной погрешности также выраженной в процентах. Для средств измерений с соизмеримыми аддитивными и мультипликативными погрешностями числа с и d также выбираются из указанного выше ряда. При этом класс точности средства измерений обозначается двумя числами, разделенными косой чертой, например, 0,05/0,02. В этом случае с = 0,05% ; d = 0,02%. Примеры обозначений классов точности в документации и на средствах измерений, а также расчетные формулы для оценки пределов допускаемой основной погрешности приведены в таблице 1.
Таблица 1

Примеры обозначения классов точности средств измерений и расчетные формулы для оценки пределов допускаемой основной погрешности.

Форма представления нормируемой основной погрешности	Примеры обозначения класса точности	Расчетные формулы для оценки пределов допускаемой основной погрешности	Примечания
В документации	На средствах измерений
Нормируется предел допускаемой абсолютной основной погрешности	Варианты: — класс B; — класс допуска В; — класс точности В.	В	или или	Значения a и b приводятся в документации на средство измерений.
Нормируется предел допускаемой приведенной основной погрешности	Варианты: — класс точности 1,5 2,5 — не обозначается.	1,5	где предел измерений.	Для приборов с равномерной шкалой и нулевой отметкой в начале шкалы
Варианты: — класс точности 2,5; — не обозначается		— предел допускаемой абсолютной погрешности в мм. — длина всей шкалы.	Для приборов с неравномерной шкалой. Длина шкалы указывается в документации.
Нормируется предел допускаемой относительной основной погрешности	Класс точности 0,5.	0,5		Для средств измерений с преобладающей мультипликативной погрешностью.
Варианты: — класс точности 0,02/0,01; -не обозначается.	0,02/0,01		Для средств измерений с соизмеримыми аддитивной и мультипликативной погрешностью

Правила округления и записи результата измерений.
Нормирование пределов допускаемых погрешностей средств измерений производится указанием значения погрешностей с одной или двумя значащими цифрами. По этой причине при расчете значений погрешностей измерений также должны быть оставлены только первые одна или две значащие цифры. Для округления используются следующие правила:

1. Погрешность результата измерения указывается двумя значащими цифрами, если первая из них не более 2, и одной цифрой, если первая из них 3 и более.
2. Показание прибора округляется до того же десятичного разряда, которым заканчивается округленное значение абсолютной погрешности.
3. Округление производится в окончательном ответе, промежуточные вычисления выполняют с одной – двумя избыточными цифрами.

Пример 1:

— показание прибора — 5,361 В;

— вычисленное значение абсолютной погрешности — ± 0,264 В;

— округленное значение абсолютной погрешности — ± 0,26 В;

— результат измерения — (5,36 ± 0,26) В.

Пример 2:

— показание прибора – 35,67 мА;

— вычисленное значение абсолютной погрешности — ± 0,541 мА;

— округленное значение абсолютной погрешности — ± 0,5 мА;

— результат измерений – (35,7 ± 0,5) мА.

Пример 3:

— вычисленное значение относительной погрешности – ± 1,268 %;

— округленное значение относительной погрешности – ± 1,3 %.

Пример 4:

— вычисленное значение относительной погрешности — ± 0,367 %;

— округленное значение относительной погрешности — ± 0,4 %.

Введение

Методические указания по проведению лабораторных работ
разработаны согласно рабочим программам по учебной дисциплине Физика и
требованиям к умениям и знаниям Федерального государственного образовательного
стандарта среднего профессионального образования (далее – ФГОС СПО).

Лабораторные работы направлены на освоение следующих
умений и знаний согласно ФГОС СПО.

уметь:

• решать
  качественные задачи с использованием знаний о способах изменения
  внутренней энергии;
• читать
  и строить графики зависимости между основными параметрам состояния газа,
  изменения температуры тел при нагревании и охлаждении;
• пользоваться
  термометром, калориметром, таблицами удельной теплоемкости вещества,
  экспериментально определять удельную теплоемкость воды;
• применять
  положение электронной теории для объяснения электризации тел при их
  соприкосновении, существование проводников и диэлектриков;
• собирать
  электрические цепи из последовательно и параллельного соединения;
• соединенных
  конденсаторов, изображать их с помощью условных обозначений и производить
  расчёт;
• применять
  положения электронной теории для объяснения электрического тока в
  металлах, причины электрического сопротивления, нагревание проводника
  электрическим током; чертить схемы электрических цепей; собирать
  электрическую цепь по схеме;
• измерять силу
  тока в электрической цепи, напряжение на концах проводника;
• определять
  сопротивление проводника с помощью амперметра и вольтметра: пользоваться
  реостатом;
• измерять ЭДС
  и внутреннее сопротивление источника;
• производить
  расчеты электрических цепей с применением законов Ома и Кирхгофа,
  закономерностей параллельного и последовательного соединения проводников;
• определять
  силу тока и напряжение по графику  зависимости между этими величинами;
  строить графики зависимости силы  и  мощности тока от напряжения;
• находить
  по таблицам удельное сопротивление проводников, изготовленных веществ
• экспериментально исследовать действия магнитного
  поля на проводник с током.
• определять
  направление индукционного тока;
• экспериментально
  исследовать действие магнитного поля на катушку с током.
• объяснять на
  основе основных свойств волн особенности и практическое применение шкалы
  электромагнитных волн;
• определять
  экспериментально: показатель преломления среды; силу света источника при
  помощи фотометра; длину световой волны; наблюдать спектры;
• вычислять
  красную границу фотоэффекта и энергию фотоэлектронов на основе уравнения
  Эйнштейна.
• определять
  знак заряда и направление движения элементарных частиц по их трекам на
  фотографиях.

знать:

• основные
  единицы СИ
•  виды
  механического движения в зависимости от формы траектории и скорости
  перемещения тела
• понятие
  траектории, пути, перемещения;
• различие
  классического и релятивистского законов сложения скоростей;
  относительность понятий длины и промежутков времени.
• основную
  задачу динамики;
•  понятие
  массы, силы, законы Ньютона;
•  основной
  закон динамики материальной точки;
•  закон
  всемирного тяготения;
• закон
  сохранения импульса;
• закон
  сохранения механической энергии;
• превращение
  энергии при колебательном движении;
• суть
  механического резонанса;
• понятия:
  тепловое движение частиц; массы и размеры молекул; идеальный газ:
  изотермический, изохорный и изобарный процессы; броуновское движение;
  температура (мера средней кинетической энергии молекул); внутренняя
  энергия; работа как способ изменения внутренней энергии; теплопередача;
  количеств теплоты; удельная теплоемкость вещества; законы и формулы:
  основное уравнение молекулярно-кинетической теории, уравнение Менделеева —
  Клапейрона, связь между параметрами состояния газа в изопроцессах; формулы
  для вычисления количества теплоты, выделяемой или поглощаемой; изменение
  температуры тела и для определения внутренней энергии уравнение теплового
  баланса;
• понятия:
  необратимость тепловых процессов, адиабатный процесс; законы и формулы:
  первый и второй законы термодинамики, КПД тепловых двигателей;
• практическое
  применение: тепловые двигатели и их применение на транспорте, в энергетике
  и в сельском хозяйстве; методы профилактики и борьбы с загрязнением
  окружающей среды;
• понятия:
  электрический заряд, электрическое поле; напряженность, разность
  потенциалов, напряжение, электроемкость, диэлектрическая проницаемость;
• понятия:
  электрический ток в металлах; сила тока; плотность тока;
• строение
  силы и ЭДС; электрическое сопротивление и удельное электрическое
  сопротивление;
• законы:
  Ома для участка цепи и для полной цепи, Кирхгофа, Джоуля-Ленца;
• формулы: силы
  и плотности тока; сопротивления, ЭДС, работы и мощности тока;
• практическое
  применение: электролиза в металлургии и гальванотехнике;
  электронно-лучевая трубка; полупроводниковые приборы (диод, транзистор);
• законы:
  Ампера, правило «Буравчика»;
• законы:
  электромагнитной индукции, правило Ленца;
• формулы:
  связи длины волны с частотой и скоростью;
• практическое
  применение: радиосвязь, телевидение и радиолокация; примеры практического
  применения электромагнитных волн инфракрасного, ультрафиолетового и
  рентгеновского диапазона частот.
• понятия:
  свет, основные  понятия фотометрии; дифракция, интерференция, дисперсия и
  поляризация света;
• законы:
  отражение и преломление, полного внутреннего отражения света; принцип
  постоянства скорости света в вакууме; практическое применение: полное
  отражение, спектральный анализ;
• понятия:
  фотон, фотоэффект, корпускулярно-волновой дуализм, люминесценция;
• законы:
  фотоэффекта;
• практическое 
  применение: устройство и принцип действия фотоэлемента; примеры
  технического использования фотоэлементов;

Теоретическая подготовка

Теоретическая подготовка необходима для проведения
физического эксперимента, должна проводиться обучающимися в порядке
самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства к
данной лабораторной работе.

Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно
быть обращено на понимание физической сущности процесса. Для самоконтроля в
каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать
четкие, правильные ответы. Теоретическая подготовка завершается предварительным
составлением отчета со следующим порядком записей:

1.     Название
работы.

2.     Цель
работы.

3.     Оборудование.

4.     Ход работы
(включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а
так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин).

5.     Расчеты –
окончательная запись результатов работы.

6.     Вывод.

Ознакомление с
приборами, сборка схем

Приступая к лабораторным работам, необходимо:

1.       
получить
у преподавателя приборы, требуемые для выполнения работы;

2.       
разобраться
в назначении приборов и принадлежностей в соответствии с их техническими
данными;

3.       
пользуясь
схемой или рисунками, имеющимися в пособии, разместить приборы так, чтобы
удобно было производить отсчеты, а затем собрать установку;

4.       
сборку
электрических схем следует производить после тщательного изучения правил
выполнения лабораторных работ по электричеству.

Проведение
опыта и измерений

При выполнении лабораторных работ измерение физических
величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной
последовательности.

Особо следует обратить внимание на точность и
своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например,  
точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого
определения положения стрелки, но и в значительной степени – от
своевременности  включения и выключения часового механизма.

Критерии
оценок лабораторных работ

Оценка «5» (отлично)
ставится, если обучающийся выполняет работу в полном объеме с соблюдением
необходимой последовательности проведения опытов и измерений; самостоятельно и
рационально монтирует необходимое оборудование; все опыты проводит в условиях и
режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов; соблюдает
требования правил безопасного труда; в отчете правильно и аккуратно выполняет все
записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления; правильно выполняет
анализ погрешностей.

Оценка «4» (хорошо)
ставится, если выполнены требования к оценке 5, но было допущено два-три
недочета, не более одной негрубой ошибки и одного недочета.

Оценка «3»
(удовлетворительно) ставится, если работа выполнена не
полностью, но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные
результаты и выводы; если в ходе проведения опыта и измерений были допущены
ошибки.

Оценка «2»
(неудовлетворительно) ставится, если работа
выполнена не полностью и объем выполненной части работы не позволяет сделать
правильных выводов; если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились
неправильно.

Методические указания к выполнению
лабораторных работ для студентов

1.       
К
выполнению лабораторных работ необходимо приготовиться до начала занятия в
лаборатории. Кроме описания работы в данном учебном пособии, используйте
рекомендованную литературу и конспект лекций. К выполнению работы допускаются
только подготовленные студенты.

2.       
При
проведении эксперимента результаты измерений и расчетов записывайте четко и
кратко в заранее подготовленные таблицы.

3.       
При
обработке результатов измерений:

А) помните, что
точность расчетов не может превышать точности прямых измерений;

Б) результаты
измерений лучше записывать в виде доверительного интервала.

4.       
Отчеты
по лабораторным работам оформляются согласно требованиям и должны включать в
себя следующие пункты:

·        
название
лабораторной работы и ее цель;

·        
используемое
оборудование;

·        
порядок
выполнения лабораторной работы;

·        
далее
пишется «Ход работы» и выполняются этапы лабораторной работы, согласно выше
приведенному порядку записываются требуемые теоретические положения, результаты
измерений, обработка результатов измерений, заполнение требуемых таблиц и
графиков, по завершении работы делается вывод.

5.       
При
подготовке к сдаче лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные
контрольные вопросы.

6.       
Если
отчет по работе не сдан во время (до выполнения следующей работы) по
неуважительной причине, оценка за лабораторную работу снижается.

Техника
безопасности при выполнении лабораторных работ

·          
Вход в лабораторию осуществляется только по
разрешению преподавателя.

·          
На первом занятии преподаватель проводит
инструктаж по технике безопасности и напоминает студентам о бережном отношении
к лаборатории и о материальной ответственности каждого из них за сохранность
оборудования и обстановки лаборатории.

·          
При обнаружении повреждений оборудования
персональную ответственность несут студенты, выполнявшие лабораторную работу на
этом оборудовании. Виновники обязаны возместить материальный ущерб колледжу.

·          
При ознакомлении с рабочим местом проверить
наличие комплектности оборудования и соединительных проводов (в случае
отсутствия, какого либо элемента, необходимо немедленно сообщить об этом
преподавателю).

·          
Если во время проведения опыта замечены
какие-либо неисправности оборудования, необходимо немедленно сообщить об этом
преподавателю.

·          
После окончания лабораторной работы рабочее
место привести в порядок.

·          
Будьте
внимательны, дисциплинированы, осторожны, точно выполняйте указания учителя.

·          
Не
оставляйте рабочего места без разрешения учителя.

·          
Располагайте
приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном
учителем.

·          
Не
держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

·          
Перед
тем как приступать к работе, уясните ход ее выполнения.

·          
Постоянно
следите за исправностью всех креплений в приборах, предназначенных для
вращения.

Лабораторная
работа №1

Измерение
ускорения тела при равноускоренном движении.

1. ЦЕЛЬ
РАБОТЫ: Изучение
равноускоренного движения тела по наклонной плоскости,

определение
ускорения шарика, движущегося по наклонному желобу.

2.
ОБОРУДОВАНИЕ: желоб, шарик, штатив с муфтами и лапкой, металлический
цилиндр, линейка, секундомер.

3. ТЕОРИЯ.

Движение, при
котором скорость тела изменяется за равные промежутки времени, называется
равноускоренным. Основной характеристикой равноускоренного движения является
ускорение: , которое показывает быстроту изменения
скорости. Ускорение движения некоторых тел можно определить опытным путем,
например, ускорение движущегося шарика по желобу. Для этого используется
уравнение равноускоренного движения: . Если , то . При
измерениях величин допускаются некоторые погрешности, поэтому нужно проводить
несколько опытов и вычислений и найти среднее значение .

4. ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Собрать
установку.

2. Пустить шарик с
верхнего конца желоба, определить время движения шарика до столкновения с
цилиндром, находящимся на другом конце желоба.

3. Измерить длину
перемещения шарика.

4. Подставив
значения  и ,
определите ускорение , подставив в уравнение .

5. Не меняя угол
наклона желоба повторить опыт еще 4 раза, определить для каждого опыта значение
.

6. Определить
среднее значение ускорения: .

7. Результаты
измерений и вычислений записать в таблицу.

№ опыта	Длина пути Sn, м	Время движения tn, с	Ускорение	Среднее значение ускорения	Погрешности
1
2
3
4
5

8. Сделать вывод.

5.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что такое
мгновенная скорость? Средняя скорость? Как определяются?

2. Написать
уравнение равноускоренного движения и свободного падения тел.

3. Решить задачу:

            Скорость
катера относительно берега при движении по течению реки равна 30 м/с, при движении
против течения реки 16 м/с. Определить скорость течения и скорость катера в
стоячей воде.

Лабораторная
работа №2.

Изучение
движения тел по окружности под действием силы тяжести и упругости.

1. ЦЕЛЬ
РАБОТЫ: определить центростремительное ускорение шарика при его равномерном
движении по окружности.

2.ОБОРУДОВАНИЕ:
штатив с муфтой и лапкой, лента измерительная, циркуль, динамометр
лабораторный, весы с разновесами, шарик на нити, лист бумаги, линейка, пробка.

3.ТЕОРИЯ.

Эксперименты
проводятся с коническим маятником. Небольшой шарик движется по окружности
радиуса R. При этом нить АВ, к которой прикреплен шарик, описы­вает поверхность
прямого кругового конуса. На шарик действуют две силы: сила тяжести  и
натяжение ни­ти  (рис.
а). Они создают центростремительное ускорение ,
направленное по радиусу к центру окруж­ности. Модуль ускорения можно определить
кинематиче­ски. Он равен:

.

Для определения ускорения надо измерить радиус окружности и период
обращения шарика по окружности.

Центростремительное (нормальное) ускорение можно определить также,
используя законы динамики.

Согласно второму закону Ньютона .
Разло­жим силу  на
составляющие и ,
направленные по радиусу к центру окружности и по вертикали вверх.

Тогда второй закон Ньютона запишется следующим об­разом:

.

Направление координатных осей выберем так, как показано на рисунке
б. В проекциях на ось О₁у уравнение движения ша­рика примет вид: 0 =
F₂ — mg. От­сюда F₂ = mg: составляющая уравновешивает
силу тяжести ,
действующую на шарик.

Запишем второй закон Нью­тона в проекциях на ось О₁х:
ma_n = F₁. Отсюда .

Модуль составляющей F₁ мож­но определить
различными спосо­бами. Во-первых, это можно сде­лать из подобия треугольников
ОАВ и FBF₁:

.

Отсюда  и .

Во-вторых, модуль составляю­щей F₁ можно
непосредственно из­мерить динамометром. Для этого оттягиваем горизонтально
располо­женным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу R окружности
(рис. в), и опре­деляем показание динамометра. При этом сила упругости пружи­ны
уравновешивает составляющую .

Сопоставим все три выражения для а_n:

, ,  и
убедимся, что они близки меж­ду собой.

4.ПОДПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Определите массу шарика.

2. Шарик, подвешенный на нити, закрепите в
лапке штатива.

3. Вычертите на листе бумаги окружность
радиусом 20 см.

4. Штатив с маятником расположите так,
чтобы продолжение нити проходило через центр окружности.

5. Взяв нить пальцами у точки подвеса,
приведите маятник во вращательное движение над листом бумаги так, чтобы шарик
описывал такую же окружность, как и начерченная на бумаге.

6. Измерьте время
20 полных оборотов маятника.

7. Рассчитайте
период обращения маятника по формуле: T = tср./N

8. Рассчитайте
значение центростремительного ускорения:  а₁  = 4π² R/
T²

9. Определите
высоту маятника. Для этого измерьте расстояние по вертикали от центра шарика до
точки подвеса.

10. Рассчитайте
значение ускорения по формуле: а₂ = g R/ h.

11. Оттяните
горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу
окружности, и измерьте модуль равнодействующей силы

12. Используя
второй закон Ньютона, рассчитайте значение центростремительного ускорения:  а₃
= F/m.

13. Результаты
измерений и вычислений занесите в таблицу.

№ опыта	Число оборотов N	Радиус вращения R, м	Высота маятника h, м	Масса тела m, кг	Время обращения t, с	Время обращения t ср., с	Период обращения Т, с	Равнодействующая сила F, Н	Ускорение а1, м/с2	Ускорение а2, м/с2	Ускорение а3, м/с2
1
2	20
3

14. Сделайте вывод
по данным результатов опытов, сравнив а_1, а_2, а_3.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ.

1.
Какие силы действуют на конический маятник?

2.
Что такое период вращения?

3.
Для чего при выполнении работы определяли время , за которое совершается чило
оборотов?

4.
Определите линейную скорость тела по результатам опытов.

Лабораторная
работа №3

Измерение
жёсткости пружины.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение
коэффициента жёсткости пружины, проверка справедливости закона Гука.

2.ОБОРУДОВАНИЕ: Штатив,
динамометр, чашечка весов, грузы, линейка.

3.ТЕОРИЯ.

Согласно
закону Гука: F_упр=kx, где F_упр— сила
упругости(Н), k-коэффициент
жёсткости(Н/м), x-удлинение(м).
Если груз находится в равновесии, то сила тяжести груза уравновешивается силой 
упругости пружины(пружину считаем невесомой). Из условия равновесия груза
следует, что F_упр=F_тяж=mg (1),
отсюда k=F_тяж/x (2).

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.
Подвесить к динамометру чашечку весов.

2.
Прижмите к шкале динамометра листочек бумаги и отметьте на нём начальное
положение пружины динамометра.

3.
Поместите на чашечку поочерёдно грузы массой m=20г; m=4-г; m=60г.

4.
Отметьте на бумаге положение пружины для каждого груза.

5.
Измерьте линейкой удлинение пружины x₁,x₂,x₃.

6.
Вычислите значение силы тяжести для каждого груза по формуле 1.

7.
Определите значение k для
каждого опыта по формуле 2.

8.
Вычислите среднее значение коэффициента жёсткости k_ср=k₁+k₂+k₃/3.

9.
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

10.
Постройте график зависимости силы упругости от удлинения.

  
F_упр,Н

                                                              
x, м

11.Сделайте
вывод о справедливости закона Гука.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.В
каких случаях возникает сила упругости?

2.
К чему приложена сила упругости?

3.
Каково направление силы упругости?

4.
От чего зависит сила упругости?

5.
В каких пределах справедлив закон Гука?

6.
Как должен двигаться динамометр, чтобы, несмотря на подвешенный к нему груз,
пружина оставалась натянутой. В каком состоянии будет при этом находиться груз?

7.
Как заставить гирю массой 1кг растягивать пружину динамометра с силой, большей
10Н?

Лабораторная
работа №4

Опытная
проверка закона Гей – Люссака.

1. ЦЕЛЬ: измерить объем воздушного столба при разной температуре и
проверить выполнение закона Гей – Люсака для изобарного процесса.

2. ОБОРУДОВАНИЕ: Стеклянная
трубка, запаянная   с  одного   конца    длиной 600 мм и диаметром 8-10 мм;
цилиндрический сосуд высотой 600 мм и диаметром 40—50 мм, наполненный горячей
водой (t60⁰С);
стакан с водой комнатной температуры; пластилин.

3. ТЕОРИЯ.

Чтобы проверить закон
Гей-Люссака, достаточно измерить объем и температуру газа в двух состояниях
при постоянном давлении и проверить справедливость равенства . Это можно осуществить, используя,
воздух   при   атмосферном давлении.         

Стеклянная    трубка   
открытым   концом   вверх   помещается   на   3 -5 минут в цилиндрический сосуд
с горячей водой (рис. 1, а).  В этом случае объем воздуха V₁
равен объе­му стеклянной трубки, а температура — температуре горячей воды . Это — первое состояние. Чтобы при
переходе воздуха в следующее состояние его количество не изменилось,  
открытий   конец  стеклянной трубки, находящейся в горячей воде, замазывают   
пластилином,    после этого трубку вынимают из  сосуда                                с
горячей водой и замазанный конец быстро опускают в стакан с водой          
комнатной температуры (рис. 1, б), а затем прямо под водой снимают          пластилин.
По   мере   охлаждения воздуха в трубке вода в ней будет подниматься. После
прекращения подъема воды в трубке (рис. 1 в) объем воздуха в ней станет равным 
V₂ меньшим
V₁, а
давление . Чтобы давление воздуха в трубке вновь
стало равно атмосферному, необходимо увеличивать глубину погружения трубки в
стакан до тех пор, пока уровни воды в трубке и в стакане не выровняются (рис. 1
г). Это будет второе состояние воздуха в трубке при температуре окружающего воздуха. Отношение объемов
воздуха в трубке в первом и втором состояниях можно заменить    отношением
высот воздушных столбов в трубке в этих состояниях, если сечение трубки 
постоянно  по  всей длине ( ).   Поэтому   в работе
следует сравнить отношения  и . Длина воздушного столба
измеряется линейкой, а температурa –
термометром.

4.ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Подготовьте бланк отчета с таблицей для
записи результатов измерений и вычислений.

мм

мм

0С

0С

мм

мм

мм

К

К

К

К

К

—

%

—

—

%

—

2. Подготовьте стакан с водой комнатной
температуры и сосуд с горячей водой.

3.Измерьте
длину  стеклянной трубки и
температуру воды в цилиндрическом сосуде.

4.
Приведите воздух в трубке во второе состояние так, как об этом рассказано выше.
Измерьте длину    воздушного столба в трубке и
температуру окружающего воздуха .

5.Вычислите
отношение  и ,
относительные и абсолютные погрешности измерений этих отношений по формулам:

.

6. Сравните отношения  и .

7. Сделайте вывод.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Почему после погружения стеклянной
трубки в стакан с водой комнатной температуры и после снятия пластилина вода в
трубке поднимается?

2. Почему при равенстве уровней воды в
стакане и в трубке давление воздуха в трубке равно атмосферному?

Лабораторная
работа №5

Определение
массы воздуха в помещении.

1. ЦЕЛЬ: определить массу,
число молекул воздуха и их концентрацию в классной комнате.

2. ОБОРУДОВАНИЕ: барометр,
термометр, мерная лента или план класса.

3. ТЕОРИЯ.

Масса воздуха в помещении может быть
определена с помощью

уравнения Менделеева-Клапейрона:

Откуда получим:  

где р — давление воздуха в Па, измеренное
барометром;

— объем комнаты в
м³,

а, b, с — длина, высота, ширина комнаты в
м;

М =29 10^-3 кг/моль — средняя
молярная масса воздуха;

 R = $,31 Дж/(моль К) — универсальная
газовая постоянная;

Т = t + 273 — абсолютная температура
воздуха, t — температура по шкале Цельсия, измеренная термометром.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Используя теорию составить таблицу для
записи результатов измерений и вычислений.

2. При помощи барометра определить
давление воздуха в помещении.

3. Определить температуру воздуха в
помещении при помощи термометра.

4. Определить объем помещения: измерить
его длину, ширину и

высоту.

5. Определить массу воздуха, используя
формулу, полученную из уравнения Менделеева-Клапейрона.

6. Определить число молекул воздуха в
комнате и их концентрацию.

7. Определить массу воздуха, число молекул
-и их концентрацию при нормальных условиях: р_о= 760 мм. рт. ст., t₀= 0°С или
Т = 273К.

8. Сравнить полученные результаты и
сделать вывод.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.       
Что
такое давление газа? Чем оно обусловлено?

2.       
Какими
приборами измеряют давление газа?

3.       
Что
называется изопроцессом?

4.       
Какой
физический смысл имеют молярная газовая постоянная и постоянная Больцмана?

5.       
Выведите
уравнение Клапейрона-Менделеева из основного уравнения молекулярно-кинетической
теории.

Лабораторная
работа №6

Определение
удельного электрического сопротивления проводника.

1.ЦЕЛЬ
РАБОТЫ:
определить  удельное сопротивление проводника, определить, из какого материала
он изготовлен

2.ОБОРУДОВАНИЕ:
источник
электропитания, амперметр, вольтметр, проводник, ключ, линейка.

3.ТЕОРИЯ.

Известно,
что сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления материала, из
которого он изготовлен и его геометрических размеров:

                                            (1)

Отсюда
следует, что определить удельное сопротивление проводника можно, зная его
сопротивление, длину и площадь поперечного сечения:

                                             (2)

Если
проводником является проволока с круглым сечением, то, так как площадь круга ,                             (3)

Следовательно,
для определения удельного сопротивления провода знать его длину, диаметр и
сопротивление. При отсутствии омметра – прибора, непосредственно измеряющего
сопротивление, проводника, эту величину можно определить с помощью амперметра и
вольтметра. По закону Ома для участка цепи:

             или                 .          

В
работе определяют удельное сопротивление провода, из которого изготовлено
проволочное сопротивление R₁ Длину провода
определяют с помощью  линейки.

4.ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Для измерения
удельного сопротивления проводника собирают электрическую цепь, схема которой
показана на рисунке 1.

2. Подготовьте
таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

	0,5

3. Начертите в
тетради схему установки для выполнения работы.

4. С помощью 
линейки измерьте длину  провода,

5. Определите
диаметр провода и рассчитайте площадь его поперечного сечения.

6. Соберите
электрическую цепь.

7. Замкните ключ и
измерьте силу тока в цепи и напряжение на проводнике. Рассчитайте сопротивление.

8. Вычислите
удельное сопротивление проводника.

9. По справочной
таблице задачника по физике определите материал провода, из которого изготовлен
резистор. Сделайте вывод.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ.

1. R,I,U,l,p— назови
величины и их единицы измерения

2. Чему равно
удельное сопротивление железа? вольфрама? Переведи в единицы измерения Ом×м.

3. Как включается
в цепь вольтметр? амперметр?

4. Определите сопротивление медного провода длиной 15 метров
и площадью поперечного сечения 20мм²

Лабораторная
работа №7

Изучение
последовательного и параллельного соединения проводников.

1.ЦЕЛЬ
РАБОТЫ:
экспериментально проверить утверждение о том, что для электрической цепи,
содержащий два последовательных соединений сопротивления R₁ и R₂,
справедливы равенства: R₁₂ = R₁+ R₂; U₁₂ = U₁+U₂ и  = , где U1 и U2 –
падения напряжения на соответствующих сопротивлениях и экспериментально
проверить утверждение о том, что для электрической цепи, содержащей два
параллельно соединенных участка, справедливы равенства: I₁₂ = I₁ + I₂;  1/ R₁₂ = 1/ R₁ + 1/ R₂ и I₁ / I₂ = R₂/ R_1, где I₁ и I₂ – токи,
протекающие через соответствующие сопротивления.

2.ОБОРУДОВАНИЕ:
источник
электропитания,  резистор R₁, резистор R₂,
амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода.

3.ТЕОРИЯ.

Схема
установки для выполнения работы показана на рисунке 1. К источнику питания
подключают электрическую цепь, составляющую из двух проволочных сопротивлений,
амперметра и ключа, соединенных последовательно. Напряжение измеряют
вольтметром, который в ходе опыта подключают к различным участкам цепи.

Сопротивление
участков цепи определяют по показаниям амперметра и вольтметра на основе закона
Ома для участков цепи R = U/I.

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Опыт 1

1. Подготовьте в
тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

2. Нарисуйте в
тетради схему электрической цепи (рис. 1).

3. Соберите
установку и измерьте силу тока в цепи I и напряжение U₁ на первом
сопротивлении R₁.

4. Измените схему
установки так, чтобы она позволяла измерить напряжение на втором сопротивлении.
Схему зарисуйте в тетрадь.

5. Измерьте
напряжение U₂ на втором
сопротивлении R₂

6. Вычислите сумму
напряжений U₁+U_2.

7. Измените схему
установки так, чтобы она позволяла измерить общее напряжение на двух
сопротивлениях. Схему зарисуйте в тетрадь.

8. Измерьте общее
напряжение на двух сопротивлениях U_12.

9. Проверьте,
выполняется ли равенство: U₁₂ = U₁ + U₂.

10.По данным произведенных
измерений вычислите величины сопротивлений R₁, R₂ и R_12.

11. Вычислите
сумму R1 + R2 и
проверьте справедливость равенства R12 = R1 + R2.

12. Вычислите
отношения  и  и
проверьте справедливость равенства = .

Опыт
2

1.
Подготовьте в тетради таблицу для записи  результатов измерений и вычислений:

U, B	I1, A	I2, A	I12, A	R1, Ом	1/R1, 1/Ом	R2, Ом	1/R2, 1/Ом	R12, Ом	1/R12, 1/Ом	I1/I2	R2/R1

2. Нарисуйте в
тетради схему электрической цепи.

3. Соберите
установку и измерьте напряжение U и силу тока в первом сопротивлении
I₁

4. Измерьте схему
установки так, чтобы она позволяла измерить силу тока во втором сопротивлении.
Схему зарисуйте в тетрадь.

5.Соберите
установку и измерьте силу тока во втором сопротивлении I₂.

6. Вычислите сумму
токов I₁ + I₂.

7. Измените схему
установки так, чтобы она позволяла измерить общую силу тока в цепи I₁₂.

8. Проверьте,
выполняется ли равенство I₁₂ = I₁ + _I2.

9. По данным
проверенных измерений вычислите величины сопротивлений R₁, R₂ и R₁₂, а также
величины 1/R₁, 1/R₂, 1/R₁₂.

10. Вычислите
сумму 1/R₁+1/R₂ и
проверьте справедливость равенства 1/R₁₂ = 1/R₁+1/R₂.

11. Вычислите
отношения I₁/I₂ и R₂/R₁ и
проверьте справедливость равенства I₁/I₂ = R₂/R₁

12. Сделайте вывод
по обоим опытам.

5.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какие
сопротивления можно получить, имея три резистора по 6 кОм?

2.
Сопротивление одного из последовательно включенных проводников в п раз больше
сопротивления другого. Во сколько раз изменится сила тока в цепи (напряжение
постоянно), если эти проводники включить параллельно?

3.
Какую гидродинамическую аналогию можно использовать для моделирования
последовательного и параллельного соединения проводников?

4. Как зависит
мощность, выделяемая в проводниках с током, от типа их соединения?

5. Как соединены
потребители электроэнергии в квартирах? Почему?

6. Как соединены
лампочки в елочной гирлянде?

Лабораторная
работа №8

Измерение
ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить метод
измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока  помощью амперметра и
вольтметра.

2.ОБОРУДОВАНИЕ :металлический
планшет, источник тока, амперметр, вольтметр, резистор, ключ, зажим, соединительные
провода.

3.ТЕОРИЯ.

Для измерения ЭДС и внутреннего
сопротивления источника тока собирают электрическую цепь, схема которой
показана на рисунке 1.

К источнику тока подключают амперметр,
сопротивление и ключ, соединение последовательно. Кроме того, непосредственно к
выходным гнездам источника подключают еще и вольтметр.

ЭДС измеряют по показанию вольтметра при
разомкнутом ключе. Этот прием определения ЭДС основан на следствии из закона
Ома для полной цепи, согласно которому при бесконечно большом сопротивлении
внешней цепи напряжения на зажимах источника равно его ЭДС.

Для определения внутреннего сопротивления
источника  замыкают ключ К. При этом в цепи можно условно выделить два участка:
внешний (тот, который подключен к источнику) и внутренний (тот, который
находится внутри  источника тока). Поскольку ЭДС источника равна сумме падения
напряжения на внутреннем и внешнем участках цепи: , то

 , то                                                                                               (1)

По закону Ома  для участка цепи    (2). Подставив
равенство (2) в (1) получают:  , откуда                                                       (3)

Следовательно, чтобы узнать внутреннее
сопротивление источника тока, необходимо предварительно определить его ЭДС,
затем замкнуть ключ и измерить падение напряжения на внешнем сопротивлении, а
также силу тока в нем.

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Подготовьте таблицу для записи
результатов измерений и вычислений:

B	,B	I,A	r, Ом

2. Начертите схему в тетради для измерения
ЭДС  и внутреннего сопротивления источника.

3. После проверки схемы соберите
электрическую цепь. Ключ разомкните.

4. Измерьте величину ЭДС источника.

5. Замкните ключ и определите показания
амперметра и вольтметра.

6. Вычислите внутреннее сопротивление
источника.

7. Сделайте вывод.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Раскройте физический смысл понятия
«электродвижущая сила источника тока».

2. Почему, определяя пригодность к
использованию гальванического элемента, недостаточно ограничиться лишь
измерением его ЭДС?

3. Верно ли утверждение о том, что
внутреннее сопротивление аккумулятора может изменяться с течением времени?

Лабораторная работа № 9

Изучение явления
электромагнитной индукции.

1.ЦЕЛЬ
РАБОТЫ: изучить условия возникновения индукционного тока, ЭДС
индукции. 

2.ОБОРУДОВАНИЕ: катушка,
два полосовых магнита, миллиамперметр.  

3.ТЕОРИЯ.

  
Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся
английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной
индукции.

  
Многочисленные опыты Фарадея показывают, что с помощью магнитного поля можно
получить электрический ток в проводнике.

  
Явление электромагнитной индукции заключается в
возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного
потока, пронизывающего контур.

  
Ток, возникающий при явлении электромагнитной индук­ции, называют индукционным.

  
В электрической цепи (рисунок 1) возникает индукционный ток, если есть движение
магнита относительно катушки, или наоборот. Направление индукционного тока
зависит как от направления движения магнита, так и от расположения его полюсов.
Индукционный ток отсутствует, если нет относительного перемещения катушки и
магнита.

Рисунок
1.

  
Строго говоря, при движении контура в магнит­ном поле генерируется не
определенный ток , а определенная э. д. с.

 

Рисунок
2.

  
Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в
проводящем контуре возникает ЭДС индукции E_инд, равная скорости
изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со
знаком минус:

 

  
Эта формула выражает закон Фарадея: э. д. с. индукции равна скорости
изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром. 

  
Знак минус в формуле отражает правило Ленца.

  
В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом
Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении
магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле
препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

  
При возрастании магнитного потока Ф>0, а ε_инд < 0,
т.е.   э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором
его маг­нитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

  
При уменьшении магнитного потока Ф<0, а ε_инд > 0,
т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток
через контур.

  
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно
выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур
увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле
направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур
уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это
убывающее магнитное поле.

  
ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный
магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более
высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется
быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного
тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного
тока показан на рисунке 2. 

  
На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля
постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии
магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному
полюсу магнита.

   По
правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при
изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле
противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление
силовых линий  магнитного поля противоположно силовым линиям
постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока
находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать
так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в
катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением
индукционного тока.

   Поэтому
ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке 1 красной
стрелкой. В случае,  когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии
магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми
линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

4.ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.
Подготовьте для отчета таблицу и по мере проведения опытов заполните её.

№ п/п	Действия с магнитом и катушкой	Показания милли-амперметра, мА	Направления отклонения стрелки миллиампер-метра (вправо, влево или не откланяется)	Направление индукционного тока (по правилу Ленца)
1	Быстро вставить магнит в катушку северным полюсом
2	Оставить магнит в катушке неподвижным после опыта 1
3	Быстро вытащить магнит из катушки
4	Быстро приблизить катушку к северному полюсу магнита
5	Оставить катушку неподвижной после опыта 4
6	Быстро вытащить катушку от северного полюса магнита
7	Медленно вставить в катушку магнит северным полюсом
8	Медленно вытащить магнит из катушки
9	Быстро вставить в катушку 2 магнита северными полюсами
10	Быстро вставить магнит в катушку южным полюсом
11	Быстро вытащить магнит из катушки после опыта 10
12	Быстро вставить в катушку 2 магнита южными полюсами

2.
Записать общий вывод по работе на основе проведённых наблюдений.

5.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. 

1.      В
чем заключается явление электромагнитной индукции?

2.      Какой
ток называют индукционным?

3.      Сформулируйте
закон электромагнитной индукции. Какой формулой он описывается?

4.      Как
формулируется правило Ленца?

5.      Какова
связь правила Ленца с законом сохранения энергии?

Лабораторная работа№10

Определение ускорения при
помощи нитяного маятника

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ: вычислить
ускорение свободного падения из формулы для периода колебаний математического
маятника

2.ОБОРУДОВАНИЕ:
часы с секундной стрелкой, измерительная лента (Δ_л =
0,5 см), шарик с отверстием, нить, штатив с муфтой и кольцом.

3.ТЕОРИЯ.

Целью данной лабораторной работы является экспериментальное
установление ускорения свободного падения с помощью маятника. Зная формулу
периода колебания математического маятника ,  можно выразить
значение g через величины, доступные простому установлению путем эксперимента и
рассчитать g с некоторой точностью. Выразим  ,где
l — длина подвеса, а Т — период колебаний маятника. Период колебаний маятника Т
легко определить, измерив время t, необходимое для совершения некоторого
количества N полных колебаний маятника

Математическим
маятником называют груз, подвешенный к тонкой нерастяжимой нити, размеры
которого много меньше длины нити, а масса — много больше массы нити. Отклонение
этого груза от вертикали происходит на бесконечно малый угол, а трение
отсутствует. В реальных условиях формула ,имеет
приблизительный характер.

4.ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.
Установите на краю стола штатив. У его верхнего конца укрепите при помощи муфты
кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 3—5
см от пола.

2.
Отклоните маятник от положения равновесия на 5—8 см и отпустите его.

3.
Измерьте длину подвеса мерной лентой.

4.
Измерьте время Δt 40 полных колебаний (N).

5.
Повторите измерения Δt (не изменяя условий опыта) и найдите среднее значение Δt_ср.

6.
Вычислите среднее значение периода колебаний T_ср по среднему
значению Δt_ср.

7.
Вычислите значение g_cp по формуле:

8.
Полученные результаты занесите в таблицу:

№опыта	l, м	N	Δt, с	Δtср, с	Tср	gср
1
2
3

9.
Сравните полученное среднее значение для g_cp со значением g =
9,8 м/с² и рассчитайте относительную погрешность измерения по
формуле:

10. Сделайте
вывод.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ.

1. Как
определить период колебаний математического маятника? Как из этой формулы
выразить ускорение свободного падения?

2. Что
такое погрешность? Какие бывают погрешности?

3. Определите
период колебаний математического маятника, если известно, что за 10 секунд он
успевает сделать 20 полных колебаний. Что нужно сделать с длиной нити, чтобы за
такое же время он сделал больше колебаний?

Лабораторная работа №11

Определение показателя преломления стекла.

1.ЦЕЛЬ
РАБОТЫ: наблюдение
преломления света на границе раздела сред воздух — стекло, а также измерение
показателя преломления стекла.

2.Оборудование: источник электропитания, лампа, ключ,
соединительные провода, экран со щелью, плоскопараллельная стеклянная пластина
в форме трапеции, лист бумаги, линейка и карандаш.

3.ТЕОРИЯ.

Так как будет
определяться показатель преломления стекла относительно воздуха, то закон
преломления света будет иметь вид:,
где a — это угол падения пучка света на грань пластинки, b — угол
преломления светового пучка в стеклянной пластине. Для того, чтобы
определить отношение синусов, поступают следующим образом. В самом начале,
пластину необходимо разместить на листе бумаги и с помощью карандаша обвести ее
малую и большую грани. Затем, не смещая пластины, на ее малую грань необходимо
направить узкий световой пучок под любым углом к грани. После этого, вдоль
падающего на пластину и вышедшего из нее световых пучков, карандашом
проставляются 4 точки.

Сняв пластину с листа бумаги, с помощью линейки
прочерчивают входящий, преломленный и выходящий лучи. Затем, через точку
раздела двух сред — воздух-стекло — опускается перпендикуляр к границе раздела
и отмечаются углы падения и преломления. После этого, с помощью циркуля,
рисуется окружность произвольного радиуса с центром в точке раздела двух сред
воздух-стекло, и строятся два прямоугольных треугольника, например, ABE и CBD.

Тогда, исходя из
определения синуса угла, можно записать, что

Длины
отрезков АЕ и DC, стоящих в формуле, измеряют при
помощи линейки с миллиметровыми делениями. Их значения подставляются в
расчетную формулу и высчитывают показатель преломления стекла.

Если в кабинете не
хватает оборудования, то можно воспользоваться булавками. Для этого нужно на
стол положить кусок поролона, для того чтобы было удобнее воткнуть булавки, и
накрыть его белым листом бумаги. Сверху, на него, положить плоскопараллельную
стеклянную пластину и, как и в предыдущем случае, обвести карандашом ее малую и
большую грани. Затем возле малой грани воткнем первую булавку, вторую булавку воткнем
под некоторым углом к первой, но так, чтобы у нас был ярко выраженный угол
падения. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку
расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга.
Снимаем оборудование и с помощью линейки достраиваем падающий и преломленный
лучи, а также перпендикуляр к точке падения луча на пластину. Далее все
делается точно так же, как и в выше описанном нами способе.

А теперь приступим
непосредственно к работе.

Для удобства записей
результатов измерений и вычислений составим следующую таблицу.

4.ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Установите источник
света на столе. В окно прибора вставьте рамку со щелью так, чтобы щель
располагалась вертикально.

2. Соберите
электрическую цепь, присоединив лампочку к источнику постоянного тока через
выключатель. Замкните цепь и получите яркую, тонкую полосу света на бумаге —
световой луч.

3. Наблюдайте явление
преломления света при различных углах паления, а затем зафиксируйте ход лучей.

4. Выполните
построения в соответствии с рисунком и измерьте длины отрезков АЕ и DC Результаты
измерений занесите в таблицу.

5. По формуле
рассчитайте значение показателя преломления стекла и занесите его в таблицу.

6. Проделайте данный
эксперимент еще не менее двух раз, меняя угол падения луча на пластинку, не
забывая заносить все полученные данные в таблицу.

7. После проделанной
работы рассчитайте абсолютные погрешности измерения отрезков.

8. Далее вычислите
относительную и абсолютную погрешности измерения показателя преломления стекла.

9. Сравните результаты,
полученные по формулам, и сделайте вывод о зависимости или независимости
показателя преломления от угла падения светового луча.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ.

1. От чего зависит
показатель преломления вещества?

2. В чем заключается
явление полного отражения света на границе раздела двух сред?

3.
Запишите формулу для вычисления скорости света в веществе с показателем
преломления n.

Лабораторная
работа №12

Определение длины световой
волны с помощью дифракционной решётки.

1.ЦЕЛЬ: получить
дифракционный спектр, определить длины световых волн разного цвета

2.ОБОРУДОВАНИЕ:
лабораторная тетрадь, карандаш, линейка, прибор для определения
длины световой волны, подставка для прибора, дифракционная решётка, источник
света.

3.ТЕОРИЯ.

Параллельный
пучок света, проходя через дифракционную решётку, вследствие дифракции за
решёткой, распространяется по всевозможным направлениям и интерферирует. На
экране, установленном на пути интерферирующего света, можно наблюдать
интерференционную картину. Максимумы света наблюдаются в точках экрана. Для
которых выполняется условие: D = nl (1)

D
— разность хода волн; l — длина световой волны, n – номер
максимума. Центральный максимум называют нулевым: для него D
= 0. Слева и справа от него располагаются максимумы высших порядков.

Условие
возникновения максимума (1) можно записать иначе: nl = d Sin j

Рисунок 1

Здесь
d – период дифракционной решётки, j — угол, под которым виден

световой
максимум (угол дифракции). Так как углы дифракции малы, то для них можно
принять Sin j = tg j, а tg j = a/b
рисунок 1, поэтому nl = dа/ b (2)

Эту
формулу используют для определения длины световой волны.

В
результате измерений было установлено, что для красного света λкр = 8 • 10-7 м,
а для фиолетового — λф = 4 • 10-7 м.

В
природе нет никаких красок, есть лишь волны разных длин волн

Анализ
формулы (1) показывает, сто положение световых максимумов зависит от длины
волны монохроматического света: чем больше длина волны. Тем дальше максимум от
нулевого.

Белый
свет по составу – сложный. Нулевой максимум для него — белая полоса, а
максимумы высших порядков представляют собой набор цветных

полос,
совокупность которых называют спектром I и II
рисунок 2

Рисунок 2

 
Прибор состоит из бруска со шкалой 1, стержнем 2, винта 3 (можно регулировать
брусок под разными углами). Вдоль бруска в боковых пазах можно перемещать
ползунок 4 с экраном 5. К концу бруска прикреплена рамка 6, в которую вставляют
дифракционную решётку, рисунок 3

Рисунок
3 дифракционная решётка

Дифракционная
решётка разлагает свет в спектр и позволяет точно определить длины
световых волн.

 Рисунок
4.

4.ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.       

1. Собрать
   установку, рисунок 3.
2. Установить
   источник света, включить его.
3. Смотря
   через дифракционную решётку, направить прибор на лампу так, чтобы через
   окно экрана прибора была видна нить лампы
4. Экран
   установить на возможно большем расстоянии от дифракционной решётки.
5. Измерить
   по шкале бруска расстояние «b от экрана прибора до дифракционной решётки.
6. Определить
   расстояние от нулевого деления (0) шкалы экрана до середины фиолетовой
   полосы как слева «а_л», так и справа «а_п» для
   спектров I
   порядка, рисунок 4 и вычислить среднее значение, а _ср
7. Опыт
   повторить со спектром II порядка.
8. Такие
   же измерения выполнить для красных полос дифракционного спектра.
9. Вычислить
   по формуле (2) длину волны фиолетового света для спектров I и II
   порядков, длину волны красного света I и II
   порядков.
10. Результаты
    измерений и вычислений занести в таблицу 1

11. 
Рассчитать погрешности определения длин волн

12. 
Сделать вывод

№ опыта

Период дифракционной решётки d мм

Порядок спектра n

Расстояние от дифракционной решётки до экрана b мм

Видимые Границы спектра фиолетового света

Видимые Границы спектра красного света

Длина световой волны

Слева ал, мм

Справа ап, мм

Среднее а ср, мм

Слева ал, мм

Справа ап, мм

Среднее а ср, мм

Красного Излучения l к, мм

Фиолетового Излучения l ф, мм

11.
Рассчитать погрешности определения длин волн

12.
Сделать вывод

5.КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ.

1. Почему
   нулевой максимум дифракционного спектра белого света – белая полоса, а
   максимум высших порядков – набор цветных полос?
2. Почему
   максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?
3. В
   каких точках экрана получаются I, II, III
   максимумы?
4. Какой
   вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?
5. В
   каких точках экрана получается световой минимум?
6. Чему
   равна разность хода светового излучения (l= 0,49 мкм),
   дающего 2-й максимум в дифракционном спектре? Определите частоту этого
   излучения
7. Дифракционная
   решётка и её параметры.
8. Определения
   интерференции и дифракции света.
9. Условия
   максимумов света от дифракционной решётки.

Лабораторная работа №13

Изучение треков заряженных
частиц по готовым фотографиям.

1.ЦЕЛЬ: установить тождество заряженной частицы по
результатам сравнения ее трека с треком протона в камере Вильсона, помещенной в
магнитное поле.

2.ОБОРУДОВАНИЕ: электронное учебное издание
«Виртуальная физическая лаборатория. Лабораторные работы по физике 11 класс»

3.ТЕОРИЯ: Работа проводится с готовой фотографией треков двух
заряженных частиц (один принадлежит протону, другой частице, которую надо
идентифицировать). Идентификация неизвестной частицы осуществляется путем
сравнения ее удельного заряда q/m с удельным зарядом протона.
Отношение удельных зарядов обратно пропорционально отношению радиусов треков:

Для измерения радиуса кривизны
трека вычерчивают две хорды и восстанавливают к ним перпендикуляры из центров
хорд. Центр окружности лежит на пересечении этих перпендикуляров.

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.      
Подготовьте
бланк с таблицей для записей результатов измерений и вычислений.

2.      
Ознакомьтесь с фотографией треков двух заряженных
частиц. (Трек I принадлежит  протону, трек
II – частице, которую надо
идентифицировать).

3.      
Измерить
радиусы кривизны треков, на их начальных участках (см. рис. 1)

4.      
Сравните
удельные заряды неизвестной частицы и протона.

5.      
Все
полученные результаты занесите в таблицу

R1, м	R2, м

6.      
Идентифицировать частицу по результатам измерений.

7.      
Запишите
вывод.

Материал для справок:

Удельный заряд электрона:

Удельный заряд протона:

Удельный заряд альфа-частицы:

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.     
Почему альфа-частицы оставляют
в камере Вильсона хорошо видимые треки в виде полосок тумана?

2.     
Что можно сказать о длине
треков альфа-частиц, их толщине, направлении?

3.     
Как называется сила, с которой
магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу? Как она
направлена?

4.     
Как влияет магнитное поле на
движение заряженной частицы?

5.     
Укажите причину, по которой
радиус кривизны трека частицы уменьшается к концу ее пробега.