- •Физика по направлению подготовки
- •Программа
- •Реализация компетенции ок(2)
- •Реализация компетенций ок4 и ок8.
- •Учебный план курса План лекционных занятий
- •План лабораторных работ
- •План практических занятий
- •Вопросы, вынесенные на самостоятельную подготовку.
- •Вопросы к зачету
- •Основная и дополнительная литература
- •Лабораторные работы
- •Механика Лабораторная работа №1 «Изучение колебаний математического маятника»
- •I. Цель работы
- •II. Теоретическая часть
- •III. Порядок проведения экспериментальных измерений.
- •IV. Обработка результатов измерений в программе Microsoft Excel.
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 «Изучение колебаний физического маятника»
- •Цель работы
- •Теоретическая часть
- •Порядок проведения экспериментальных измерений
- •Обработка результатов измерений в программе Microsoft Excel
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 «Изучение колебаний пружинного маятника»
- •Цель работы:
- •Теоретическая часть
- •Порядок проведения измерений
- •Обработка результатов измерений в программе Microsoft Excel
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 4 «Определение моментов инерции тел методом крутильных колебаний»
- •Цель работы:
- •Теоретическая часть.
- •Порядок проведения экспериментальных измерений
- •Обработка результатов измерений в программе Microsoft Excel
- •Контрольные вопросы:
- •Электричество и магнетизм. Лабораторная работа № 5 Экспериментальная проверка закона Ома и определение сопротивления проводника заданной длины в цепи постоянного тока
- •I. Цель лабораторной работы
- •II. Теоретическая часть
- •III. Порядок проведения эксперимента.
- •IV. Обработка результатов измерений в программе Microsoft Excel
- •Результаты замеров тока и напряжения в исследуемом проводнике
- •Результаты замеров тока и напряжения
- •Результаты замеров тока и напряжения в исследуемом проводнике
- •Окончательный вид таблицы №1
- •Окончательный вид таблицы №2
- •V. Определение зависимости сопротивления проводника заданной длины в цепи постоянного тока
- •Лабораторная работа № 6 Экспериментальное определение ёмкости конденсатора
- •I. Цель лабораторной работы
- •II. Теоретическая часть
- •Переключатель
- •Замеряемых параметров
- •III. Порядок проведения эксперимента.
- •IV. Обработка результатов измерений
- •Результаты замеров тока и времени при разрядке конденсатора
- •Результаты обработки экспериментальных данных исследуемого конденсатора
- •Зависимость выражения от времени t
- •Лабораторная работа № 7 Явление электромагнитной индукции. Исследование магнитного поля соленоида
- •I. Цель лабораторной работы
- •II. Теоретическая часть
- •III. Порядок проведения экспериментальных измерений.
- •Внешние витки; 2- соленоид; 3- внутренние витки; 4- генератор сигналов; 5- осциллограф; 6- коммутатор витков; b- магнитный поток.
- •IV. Обработка результатов измерений в программе Microsoft Excel
- •Результаты экспериментальных измерений
- •Результаты замеров частоты сигнала и напряжения эдс во внутреннем витке
- •Результаты замеров частоты сигнала и напряжения эдс во внутреннем витке
- •Окончательный вид таблицы №3
- •Окончательный вид таблицы №4
- •Результаты замеров напряжения эдс на внутренних витках
- •Окончательный вид таблицы №7
- •Окончательный вид таблицы №9
- •Лабораторная работа № 8 Экспериментальное определение удельного сопротивления проводника в цепи постоянного тока
- •I. Цель лабораторной работы
- •II. Теоретическая часть
- •Основные характеристики проводниковых материалов
- •III. Порядок проведения эксперимента.
- •Результаты замеров диаметра исследуемого проводника
- •Результаты замеров тока и перепада напряжения в исследуемом проводнике
- •IV. Обработка результатов измерений
- •Результаты замеров диаметра исследуемого проводника
- •Результаты обработки замеров диаметра исследуемого проводника
- •Результаты замеров тока и напряжения в исследуемом проводнике
- •Результаты замеров тока и напряжения в исследуемом проводнике
- •Результаты вычисления удельного сопротивления исследуемого проводника длиной 800 мм
- •Результаты замеров диаметра исследуемого проводника
- •Обработка результатов замеров диаметра исследуемого проводника
- •Результаты замеров тока и напряжения в исследуемом проводнике
- •Результаты вычисления удельного сопротивления исследуемого проводника длиной 400 мм
- •VI.4. Определение материала, из которого изготовлен исследуемый проводник
- •Оптика Лабораторная работа № 9 Изучение дифракции света на щели
- •I. Цель работы
- •II. Теоретическая часть
- •III. Порядок проведения эксперимента.
- •IV. Обработка результатов измерений
- •Результаты замеров и l, занесённые в Excel
- •Лабораторная работа № 10 Измерение длины волны света с помощью дифракционной решетки
- •I. Цель работы
- •II. Теоретическая часть
- •III. Порядок проведения эксперимента.
- •IV. Обработка результатов измерений
- •Результаты замеров и l, занесённые в Excel
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 11 Изучение явления поляризации
- •Цель работы:
- •Теоретическая часть
- •Порядок проведения измерений
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 12 Изучение естественного вращения плоскости поляризации
- •Цель работы
- •Теоретическая часть
- •Описание установки
- •Перед проведением измерений комплекс лко-5 требует настройки.
- •Порядок проведения эксперимента Определение угла поворота плоскости поляризации
- •Обработка результатов измерений
- •Заключение.
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая литература.
- •Методические указания к решению задач.
- •Механика;
- •Молекулярная физика и термодинамика;
- •Электричество и магнетизм;
- •Механические и электромагнитные колебания и волны;
- •Волновая и квантовая оптика;
- •Квантовая физика, физика атома;
- •Домашние задания.
- •Механика;
- •Молекулярная физика и термодинамика;
- •Механические и электромагнитные колебания и волны;
- •Электричество и магнетизм;
- •Волновая и квантовая оптика;
- •Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц
Контрольные вопросы
-
Какое физическое тело называется физическим маятником?
-
Какой закон сохранения используется при выводе уравнения описывающего колебания физического маятника?
-
Что такое период колебаний маятника?
-
Чему равен момент инерции тонкого стержня длины l относительно его центра тяжести?
-
Что такое приведенная длина физического маятника?
Лабораторная работа № 3 «Изучение колебаний пружинного маятника»
-
Цель работы:
-
Определение коэффициента упругости k пружины.
-
Теоретическая часть
Пружинный маятник в данной работе представляет из себя груз, подвешенный на пружине, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой груза. Покажем, что период колебаний определяется формулой:
,
где m – масса груза, k - коэффициента упругости пружины.
Фото установки для изучения колебаний приведено на рис. 1.
1-Пружина
2-Мерная линейка
3-Подвес пружины
Рис.1. Пружинный маятник
-
Пружина; 2. Мерная линейка; 3. Подвес пружины.
Упругий маятник с грузом изображён на рис.2.
Рис.2. Пружина с подвешенным грузом в равновесном положении.
В положении равновесия:
kx0=mg. (1)
При смещении из положения равновесия возникают колебания, описываемые следующим уравнением:
m
или, учитывая (1), (см.рис.3):
Рис.3.
Это уравнение свободных гармонических колебаний с частотой и периодом:
. (2)
Частота и период колебаний не зависят от амплитуды, а только от конструктивных характеристик маятника.
Вторая часть работы посвящена проверке формулы (2). При ее выводе использовались законы динамики Ньютона и упругих деформаций Гука. Поэтому одной из целей работы можно считать проверку этих законов.
-
Порядок проведения измерений
Порядок проведения измерений следующий:
-
Определение условий изохронности колебаний маятника.
При изучении колебаний маятника измеряется период колебаний и выявляются условия независимости периода от амплитуды колебания. Это называется изохронностью колебаний.
Для проведения опытов на пружину вешается грузик и измеряется длина пружины в равновесии при подвешенном грузе. Затем груз выводится из состояния равновесия либо растяжением пружины, либо её сжатием и наблюдаются колебания груза вокруг состояния равновесия. Для уменьшения влияния ошибки измеряется период ни одного, а нескольких колебаний, в нашем случае десяти колебаний (см.рис.3).
По результатам измерений строится график зависимости периода колебаний от амплитуды и определяется диапазон изменения значений амплитуды, при котором период не зависит от амплитуды.
-
Определение жесткости пружины.
При определении жесткости пружины измеряется длина пружины без нагрузки, а затем нагружаем пружину последовательно тремя различными грузами и измеряем удлинение пружины относительно ненагруженной пружины.
-
Определение ускорения свободного падения по измерениям периода колебаний нагруженной пружины.
Для выполнения первого задания (проверка независимости периода колебаний от амплитуды (изохронность)) к пружине подвешивают груз массой т = 221,5 г., затем измеряется время десяти полных колебаний маятника при смещении груза на 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 и 5,0 см от положения равновесия.
Результаты полученных измерений заносят в графу t таблицы 1.
Таблица 1
№ |
х, см |
t,с |
Тэксп, с |
Тср, с |
|
1. |
1 |
|
|
|
10 |
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
2. |
2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
3. |
3 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
4. |
4 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
5. |
5 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
|
|
После проведенных измерений находится период колебаний маятника по формуле (3) и заносится в графу Тэксп.
Тэксп = , (3)
где t — время колебаний.
Ошибка измерения Тэксп определяется по формуле (4) и заносится в таблицу 1, в графу Тср:
, (4)
где Тэксп i - период колебаний груза;
Тср - средний период колебаний груза.
Строится график усреднённой зависимости периода колебаний от амплитуды смещения, а затем строится график с учётом ошибки, приводящей к увеличению периода и к уменьшению. По трём полученным таким образом кривым можно оценить ошибку измерения периода колебаний. Строим все графики, а затем определяем, в каком диапазоне амплитуд смещения груза период колебаний меняется в пределах полученной ошибки.
Затем определяется жесткость пружины. Метод понятен из рис. 4.
Рис. 4. Растяжение пружины под действием нагрузки.
Величины х1, х2 и х3 соответствуют длине растянутой пружины под действием груза массой т1, т2 и т3 соответственно.
Строиться зависимость mg от х, по наклону графика определяется величина коэффициента упругости k рис.5.
Рис.5.
Для измерения коэффициента упругости пружины необходимо заполнить таблицу 2.
Таблица 2
m, кг |
x0, м |
x1, м |
x2, м |
x3, м |
x4, м |
x5, м |
m1 |
|
|
|
|
|
|
m2 |
|
|
|
|
|
|
m3 |
|
|
|
|
|
|
Сначала строится усреднённая зависимость удлинения пружины от приложенной силы, затем строится верхняя и нижняя оценка. Записывается окончательный результат измерения k.
Для этого сначала считается среднее удлинение пружины:
,
в нашем случае n=5. Затем вычисляется ошибка проведенных измерений по формуле
.
Абсолютные погрешности . Абсолютной погрешностью g можно по сравнению с ними пренебречь. (В таблицах для нашей местности g = 9,81 ± 0,01 м/с2.). После этого строятся графики зависимости величины удлинения от внешней силы и по ним определяется k.
После проведения измерений, необходим для определения коэффициент упругости пружины k, приступаем к измерению зависимости периода колебаний от амплитуды и массы груза.
Порядок выполнения работы следующий.
-
К пружине подвешивают груз т1 = 169,5 г. Растягивают ее на расстояние х1 от положения равновесия. Измеряют время 20 колебаний.
-
К пружине подвешивают груз т2 = г, пружину растягивают на х2 > х1 от положения равновесия. Измеряют время 20 колебаний.
-
К пружине подвешивают груз т3 = г, пружину растягивают на расстояние х3 > х2 от положения равновесия. Измеряют время 20 колебаний.
Результаты заносят в таблицу 3.
Таблица 3
№ |
m, кг |
x, м |
t, с |
Тэксп = , с |
Тэксп_ср, с |
, c |
1. |
0,1695 |
0,02 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|||||
2. |
|
0,03 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|||||
3. |
|
0,05 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Ошибка измерения Тэксп определяется по формуле (4)
, (4)
где Тэксп i - период колебаний груза;
Тср - средний период колебаний груза.
После вычисления, экспериментально измеренного периода колебаний и его ошибок, проводится вычисление теоретического периода по формуле при известной жёсткости пружины k и массам, взятым из таблицы 3. Результат заносится в графу . Если по результатам измерений и из расчёта по теоретической формуле результаты совпадают в пределах ошибки, то можно считать, что полученная теоретически формула правильно описывает колебания.
Таким образом, по результатам работы определяется:
-
диапазон амплитуд, для которых соблюдается изохронность колебаний маятника;
-
определяется коэффициент упругости пружины;
-
экспериментально подтверждается формула для определения периода колебаний маятника.