Лабораторный практикум по физике
.pdfАлтайский государственный университет
Физико-технический факультет Кафедра общей физики
ЛАБОРАТОРНЫЙ
ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ
Учебное пособие к лабораторным работам по курсу общей физики
Издательство Алтайского государственного университета
Барнаул 2005
В.И. Букатый, К.В. Соломатин. Лабораторный практикум по физике. Учебное пособие к лабораторным работам. /Алтайский государственный университет – Барнаул, 2005. – 150 с.
Рецензент: |
к.ф.-м.н., доц. М.Ю. Свердлов |
Пособие содержит описания лабораторных работ по всем разделам общего курса физики. В основу практикума положены переработанные авторами методические указания, выполненные большей частью кафедрой общей физики, а также кафедрами экспериментальной и теоретической физики АлтГУ. В каждой работе приводятся краткая теория изучаемого вопроса, описание экспериментальной установки, порядок выполнения лабораторной работы. Указана литература и даны контрольные вопросы.
Пособие предназначено для студентов химического, биологического, географического и математического факультетов государственных уни-
верситетов. |
|
|
План УМД 2005 г., п. 68 |
|
|
Подписано в печать 01.11.2005 г. |
Формат 60 x 90/16. |
|
Бумага офсетная. |
Печать офсетная. |
|
Усл.- печ.л. 6. Тираж 100 экз. |
Заказ |
. |
Оригинал–макет подготовлен Е.А. Злобиным и К.В. Соломатиным с помощью пакета LATEX
Типография Алтайского государственного университета: 656049, Барнаул, Димитрова, 66
c Букатый В.И., Злобин Е.А., Соломатин К.В.c Алтайский государственный университет, 2005
Содержание
1. |
Движение тела, брошенного под углом к горизонту |
5 |
2. |
Измерение скорости полета пули с помощью баллистиче- |
|
|
ского маятника |
11 |
3. |
Механические колебания |
17 |
4. Определение моментов инерции различных тел методом |
|
|
|
крутильных колебаний |
24 |
5. |
Изучение связанных колебаний |
29 |
6. Определение момента инерции махового колеса методом |
|
|
|
свободных колебаний |
35 |
7. |
Определение модуля Юнга из растяжения проволоки |
39 |
8. |
Определение коэффициента вязкости жидкости капил- |
|
|
лярным вискозиметром |
44 |
9. Определение СP /СV для воздуха методом Клемана и Дез- |
|
|
|
орма |
50 |
10. Определение изменения энтропии воздуха статистиче- |
|
|
|
ским и термодинамическим способами |
55 |
11. Определение средней длины свободного пробега и эф- |
|
|
|
фективного диаметра молекул воздуха |
64 |
12.Исследование полупроводникового термосопротивления 67
13.Измерение сопротивлений при помощи моста Уитстона 75
14.Определение горизонтальной составляющей напряжен-
ности магнитного поля Земли |
80 |
15. Переходные процессы в системе с конденсатором |
85 |
16. Исследование зависимости полезной мощности и к.п.д. |
|
источника тока от его нагрузки |
91 |
3
17. Определение фокусного расстояния собирательной и рас-
|
сеивающей линз |
96 |
18. |
Определение длины световой волны с помощью колец |
|
|
Ньютона |
102 |
19. |
Определение длин волн излучения ртутной лампы с по- |
|
|
мощью бипризмы Френеля и двойной щели |
108 |
20. |
Изучение Фраунгоферовой дифракции света |
113 |
21. |
Изучение оптических голограмм |
121 |
22. |
Изучение поляризованного света |
126 |
23. Исследование поля напряжений в прозрачных твердых
|
телах методом фотоупругости |
132 |
24. |
Изучение законов теплового излучения |
136 |
25. |
Изучение спектра атома водорода |
143 |
4
Лабораторная работа № 1 ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА, БРОШЕННОГО ПОД УГЛОМ К
ГОРИЗОНТУ
Цель работы: Изучение кинематики равнопеременного движения
Оборудование: Пружинный пистолет на подставке, рулетка, установка для определения коэффициента упругости
1.КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Вработе проводится изучение кинематики материальной точки на примере исследования полета тела в поле сил тяжести. Задача сводится
кустановлению законов движения вдоль координатных осей, т.е. к нахождению уравнений, позволяющих определить в любой момент времени положение движущегося тела в заранее выбранной системе координат. Затем по известному закону движения решается частная задача по нахождению параметров движения: начальной скорости и пути, проходимого телом вдоль одной из осей. Один из этих параметров, начальная скорость, может быть определена, например, с помощь пружинного пистолета. При зарядке пружинного пистолета мы совершаем работу про-
тив сил упругости, сжимая пружину на |
l. Сжатая пружина обладает |
||
потенциальной энергией |
|
|
|
U = |
k · (Δl)2 |
, |
(1) |
2 |
|
|
где k – коэффициент упругости пружины.
При выстреле эта энергия переходит в кинетическую энергию. Если потери энергии на трение небольшие, то можно считать, что приближенно выполняется закон сохранения механической энергии. Тогда при выстреле потенциальная энергия пружины (1) переходит в кинетическую
энергию тела (в дальнейшем будем называть тело пулей) |
|
|||||
T = |
m · v02 |
, |
|
(2) |
||
|
2 |
|
|
|
||
где v0 – скорость пули в момент выстрела. |
|
|||||
Значит |
|
|
|
|
|
|
m · v02 |
= |
k · (Δl)2 |
. |
(3) |
||
2 |
2 |
|
|
|
5
Откуда |
|
|
|
|
|
|
v0 |
= l · |
r |
|
m |
. |
(4) |
|
|
|
|
k |
|
Таким образом, для отыскания начальной скорости пули нужно знать m, l и k; l легко измерить, масса пули определяется взвешиванием. Чтобы найти коэффициент упругости пружины k, воспользуемся установкой, изображенной на рисунке 1 а - б. Пружина 1 надевается на стержень 2. Сверху на пружину кладется платформа 3.
Помещая на платформу мас-
сивные грузы 5, находим по шка- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ле 4 смещение l, производя его |
|
0 |
|
0 |
4 |
0 |
|
0 |
|||||||
отсчет от положения |
l0, опреде- |
|
|
|
|
||||||||||
|
1 |
2 |
1 |
|
1 |
|
1 |
||||||||
ляемого по верхнему |
концу не |
|
|
|
|||||||||||
|
2 |
2 |
|
2 |
|
2 |
|||||||||
|
3 |
|
|
||||||||||||
нагруженной пружины. Его луч- |
|
3 |
3 |
|
3 |
|
3 |
||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
ше фиксировать по уровню ниж- |
|
4 |
|
4 |
|
4 |
|
4 |
|||||||
|
5 |
|
5 |
l |
5 |
|
5 |
||||||||
ней плоскости поверхности |
плат- |
|
|
5 |
|||||||||||
|
6 |
|
6 |
|
6 |
6 |
|||||||||
формы. Массой платформы мож- |
|
|
|
|
|||||||||||
l0 |
7 |
|
7 |
|
7 |
|
7 |
||||||||
но пренебречь. Тогда коэффици- |
|
|
|
||||||||||||
8 |
|
8 |
|
8 |
|
8 |
|||||||||
ент упругости определится по из- |
|
9 |
|
9 |
|
9 |
|
9 |
|||||||
вестной формуле |
|
|
|
|
|
|
10 |
1 |
10 |
|
10 |
|
10 |
||
|
|
|
|
|
|
11 |
|
11 |
|
11 |
|
11 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
12 |
|
12 |
|
12 |
k = |
. |
|
(5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
l |
|
|
|
а |
|
|
|
б |
|
||||||
Измерения следует повторить несколь- |
|
|
Рис. 1. |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ко раз и в качестве k взять его |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
среднее значение |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
k = |
|
· |
|
ki |
, |
|
|
|
|
(6) |
|
|
|
|
|
n |
i=1 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где n – число измерений, ki |
= Fi/ |
li |
– значение коэффициента упру- |
гости, вычисляемое при нагрузке Fi, равной суммарной силе тяжести помещенных на платформу грузов и смещения li, – измеряемом от начального положения l0 не нагруженной платформы. Если теперь пулю 3 вставить в пистолет 1, то пружина сожмется на величину l0 (рис. 2). При "выстреле"зажим 2 поднимается и пуля вылетает из пистолета, имея начальную скорость v0 , определяемую соотношением (4).
6
Далее определим, где будет на- |
|
|
ходиться пуля в произвольный мо- |
|
|
мент времени и куда она упадет. |
|
|
Рассмотрим силы, действующие на |
|
|
пулю во время полета. На нее дей- |
|
2 |
ствует сила тяжести и сила со- |
1 |
l0 |
противления воздуха. Зная силу |
|
|
тяжести, можно найти ускорение |
|
|
пули из второго закона Ньюто- |
|
|
на, по ускорению определить ско- |
|
3 |
рость, по скорости – перемещение. |
|
|
Второй закон Ньютона спра- |
Рис. 2. |
|
|
ведлив для материальной точки. |
|
Пуля имеет конечные размеры. Но, |
|
если нас интересуют ее координаты с точностью до ее размеров, пулю можно считать материальной точкой. При этом мы пренебрегаем и вращением пули, точнее тем, что часть работы, совершаемой силой упругости, уходит на вращение.
Итак, вместо движения пули мы рассмотрим модельную задачу – движение материальной точки в поле тяжести.
Справедливы ли наши предположения? Ответ таков: нужно решить модельную задачу и предсказать, где должна находиться материальная точка в произвольный момент времени.
Если в результате опыта получится, что теоретические результаты совпадают с экспериментальными, то следует считать наши приближе-
ния и модель вполне приемлемыми. |
|
|||
Запишем второй закон Нью- |
|
|
||
тона |
~ |
|
|
|
m~a = F = m~g; ~a = ~g. |
y |
|
||
Введем оси координат. Выбе- |
|
|||
рем ось Oy вертикально, Ox |
|
~v0 |
||
– горизонтально (рис. 3). Это |
v0y |
|||
α |
||||
удобно, |
так как тогда про- |
h |
||
v0x |
||||
екция ускорения на ось Ox: |
||||
|
||||
ax = 0, а на Oy: ay = −g. |
|
m~g |
||
Теперь найдем vx и vy. |
|
|
||
Так как ускорение направлено |
0 |
x |
||
перпендикулярно Ox и ax = |
||||
|
Рис. 3. |
|||
dvx/dt |
= 0, то vx постоянно |
|
(vx = const,) т.е. не меняется
7
со временем. Значит, скорость по Ox такая, как и была в момент выстрела. Пусть в этот момент t = 0, т.е.
vx = v0x = v0 cos α . |
(7) |
||
Аналогично |
|
||
|
dvy |
|
|
ay = |
|
= −g. |
|
dt |
|
||
В момент выстрела начальная скорость по оси Оy равна v0y |
= v0 sin α. |
||
В произвольный момент времени t скорость по оси Oy будет равна |
|||
vy = v0 sin α − gt . |
(8) |
Теперь найдем координаты x и y. Из (7) следует, что скорость вдоль оси Ox не меняется со временем
vx = |
dx |
= v0 cos α . |
(9) |
dt |
Значит, закон движения вдоль этой оси будет иметь вид
x = (v0 cos α)t . |
(10) |
По аналогии с этим закон движения по оси Oy можно представить сле-
дующим образом |
gt2 |
|
|
|
|
||
y = h + (v0 sin α)t − |
|
. |
(11) |
2 |
Выражения (10) и (11) позволяют ответить на вопрос о том, где будет находиться материальная точка в любой момент времени. Если мы хотим найти координату xп точки падения пули (рис. 3), нужно узнать время падения – tп . Это легко сделать, так как y при этом равно нулю. Тогда из (11)
0 |
= h + (v0 sin α)tп − |
gtп2 |
, |
|
|
|
||||
2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tп = |
g |
± s |
|
0 g2 |
+ |
g . |
(12) |
|||
|
v0 sin α |
|
|
v2 sin2 α |
2h |
|
Так как пуля упадет после выстрела, который произошел при t = 0, то
tп > 0, т.е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
tп = |
g |
+ s |
|
0 g2 |
+ g . |
(13) |
||
|
v0 sin α |
|
|
v2 sin2 α |
|
2h |
|
8
Из (10), используя (13), получим |
|
|||||
|
|
x√ |
|
|
|
|
v0 = |
g |
. |
(14) |
|||
|
||||||
p |
2 cos α(x sin α + h cos α) |
Различие в значениях начальной скорости пули, полученных по формуле (4), т. е. по энергии деформации, и по формуле (14), т.е. через измерение дальности полета пули, позволяет судить о справедливости части сделанных нами допущений.
2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Схема экспе- |
|
|
|
||
риментальной уста- |
|
|
|
||
новки изображе- |
|
|
|
||
на на рисунке 4. |
|
|
|
||
Главной |
частью |
8 |
5 |
7 |
|
ее является пру- |
|||||
|
|
|
|||
жинный |
писто- |
|
|
6 |
|
лет 1, представ- |
|
|
|||
|
|
3 |
|||
ляющий из себя |
|
|
|||
|
4 |
|
|||
цилиндр |
с пру- |
|
|
||
|
|
|
|||
жиной 2, скреп- |
|
|
|
||
ленный |
с помо- |
|
|
|
|
щью держателя |
|
|
|
||
3 с подставкой 4. |
|
1 |
2 |
||
Цилиндр может |
|
|
|
||
поворачиваться во- |
|
|
|
||
круг горизонталь- |
|
|
|
ной оси на про- |
Рис. 4. |
|
извольный угол, |
||
|
измеряемый с помощью дугового транспортира 5. Если пружину сжать вставляемым в
ствол пистолета телом 6, а затем освободить стопор 7, то тело приобретет некоторую скорость и будет двигаться в дальнейшем в поле сил тяжести. Начальная скорость тела определяется, очевидно, величиной сжатия и упругими свойствами пружины, характеризуемыми коэффициентом упругости. Последний находится с помощью приспособления 8, назначение которого проиллюстрировано рисунками 1 а, б.
Измерения проводятся в следующей последовательности.
9
1.Определите массу пули (масса пули может быть приведена на установке).
2.С помощью приспособления 8 определите коэффициент упругости пружины (сделайте не менее 5 измерений). Результаты занесите в таблицу 1.
|
|
|
|
Таблица 1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
№ п/п |
Fi, Н |
li, м |
ki, Н/м |
|
k, Н/м |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Вычислите v0 по формуле (4), подставив в нее найденные значения m (согласно п.1), k (согласно п.2) и величину сжатия l0, определяемую при выстрелах. Согласно рисунка 2 в (4) вместо l берется l0.
4. Выберите угол, под которым вылетает пуля, так, чтобы формула |
||||||
(4) упростилась, например α = 0, α = |
π |
, |
α = |
π |
и т. д. Проделав |
|
4 |
3 |
|||||
|
|
|
|
не менее 5 выстрелов для выбранного угла, по измеренной дальности полета x найдите v0 . Результаты заносятся в таблицу 2.
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ п/п |
α, 0 |
x, м |
|
|
, м |
|
|
0, м/с |
|
x |
v |
||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.Сравните v0 найденные двумя способами.
6.Измерьте рулеткой расстояние до места падения пули, обозначив
его xэксп и сравните с теоретическим значением xтеор , которое можно получить, подставляя в выражение (10) время из выражения (14). Результаты занесите в таблицу 3.
10