А.Ф. Волков, Т.П. Лумпиева
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ
Рекомендовано Ученым Советом Донецкого национального технического университета в качестве учебного пособия для студентов инженерно-технических специальностей
Донецк Издательство ДонНТУ
2011
ББК 22.3я7 |
Гриф надано Вченою Радою Донецького |
В 67 |
національного технічного університету, |
УДК 53(071) |
протокол № 5 від 18.06.2010 р. |
Рецензенты:
В.Д. Александров, доктор химических наук, кандидат физико- математических наук, профессор , заведующий кафедрой физики и физического материаловеде-ния Донбасской национальной академии строительства и архитектуры, акаде-мик Академии наук высшего образования Украины.
А.Г. Петренко, доктор физико-математических наук, профессор кафедры на-нофизики Донецкого национального университета, член-корреспондент Акаде-мии технологических наук Украины.
Волков А.Ф., Лумпиева Т.П.
67 Лабораторный практикум по физике. Учебное пособие для студен-
тов инженерно-технических специальностей высших учебных заве-дений.– Донецк: ДонНТУ, 2011. – 389 с.
Учебное пособие содержит описания лабораторных работ по физике. Предназначено для студентов инженерно-технических и технологических спе-циальностей Донецкого национального технического университета.
Лабораторный практикум охватывает все разделы курса физики, преду-смотренные программой: механика, молекулярная физика, электростатика, по-стоянный ток, электромагнетизм, колебания и волны, оптика, физика твердого тела и физика атомного ядра.
Пособие имеет вводный раздел, который знакомит с правилами выполне-ния и оформления лабораторных работ, методами расчета погрешностей, пра-вилами построения графиков, с простейшими измерительными инструментами и электроизмерительными приборами, а также с техникой безопасности при ра-боте с электрооборудованием.
В книгу включен справочный материал. В приложение вынесено краткое описание используемых в практикуме приборов. Эти сведения позволяют сту-дентам, еще не подготовленным к чтению специальной литературы, сознатель-но пользоваться современными приборами.
Табл. 141, ил. 153.
Волков А.Ф., Лумпиева Т.П., 2011
Донецкий национальный технический университет, 2011
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Раздел 1. Введение в физический практикум . . . . . . . . . . . . . 9
1.1. Некоторые советы и указания по выполнению лабораторных работ . . . . . . . . . . . 9 1.2. Представление результатов измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1. Составление таблиц. Расчеты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2. Построение графиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3. Оформление отчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.4. Вычисление погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.4.1. Погрешность прямых измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.4.2. Погрешность косвенных измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3. Измерительные инструменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4. Электрические измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1 Электроизмерительные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.2. Основные характеристики электроизмерительных приборов . . . . . . . . . . . . 23 1.5. Основные правила безопасной эксплуатации электрических установок . . . . . . . . 24 1.5.1. Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5.2. Опасность поражения электрическим током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.3. Действие электрического тока на организм человека . Факторы, влияющие на исход поражения электрическим током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.4. Меры безопасности при эксплуатации приборов и аппаратов . . . . . . . . . . . 27
1.5.5. Первая доврачебная помощь пострадавшим от действия электрического тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Раздел 2. Описания лабораторных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Механика
Лабораторная работа № 3. Определение плотности твердых тел . . . . . . . . . . . . . . 30
Лабораторная работа № 4. Измерение коэффициента трения скольжения . . . . . . 35
Лабораторная работа № 5. Изучение законов кинематики и динамики поступательного движения на машине Атвуда . . . . . 40
Лабораторная работа № 6. Изучение вращательного движения на маятнике Обербека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Лабораторная работа № 7. Изучение законов вращательного движения на маятнике Обербека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Лабораторная работа № 8. Упругий центральный удар шаров . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Лабораторная работа № 9. Определение мощности электродвигателя методом ленточного тормоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Лабораторная работа № 10. Изучение деформации растяжения . . . . . . . . . . . . . . . 64 Лабораторная работа № 23. Измерение коэффициента трения скольжения . . . . . 69
3
Молекулярная физика
Лабораторная работа № 11. Определение среднего коэффициента линейного расширения методом Д.И. Менделеева . . . . . . . . . . . 74
Лабораторная работа № 12. Определение молярной газовой постоянной методом откачки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Лабораторная работа № 14. Определение удельной теплоты плавления олова . . . 81
Лабораторная работа № 15. Определение отношения молярных теплоемкостей воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Лабораторная работа № 17. Определение вязкости жидкости методом падающего шарика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Лабораторная работа № 19. Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения раствора от его концентрации методом максимального давления в
пузырьке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Лабораторная работа № 20. Определение коэффициента внутреннего трения и средней длины свободного пробега молекул воздуха 100
Электростатика и постоянный ток
Лабораторная работа № 41. Изучение электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . 105
Лабораторная работа № 42. Определение электроемкости конденсатора и батареи конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Лабораторная работа № 43. Измерение удельного сопротивления металлов методом вольтметра и амперметра . . . . . . . . . . . . . . . 115
Лабораторная работа № 44. Измерение сопротивлений при помощи моста постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Лабораторная работа № 46. Исследование зависимости электрического сопротивления металлов от температуры . . . . . . . . . 123
Лабораторная работа № 49. Исследование зависимости полезной мощности и коэффициента полезного действия источника эдс от силы тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Лабораторная работа № 50. Измерение эдс и внутреннего сопротивления источника постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Электромагнетизм
Лабораторная работа № 54. Измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и магнитного
момента магнита методом Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Лабораторная работа № 55. Определение горизонтальной составляющей
магнитного поля Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Лабораторная работа № 57. Исследование зависимости индукции магнитного поля тороида от напряженности намагничивающего
поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Лабораторная работа № 58. Измерение индукции магнитного поля в железе по подъемной силе электромагнита . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Лабораторная работа № 59. Измерение магнитного потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Лабораторная работа № 60. Измерение температуры Кюри ферромагнетика . . . . 160
Лабораторная работа № 61. Знакомство с работой электронного осциллографа. Изучение петли магнитного гистерезиса при помощи осциллографа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Лабораторная работа № 62. Измерение удельного заряда электрона методом поперечного магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4
Колебания и волны
Лабораторная работа № 64. Знакомство с работой электронного осциллографа .. 177
Лабораторная работа № 65. Знакомство с работой электронного осциллографа. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний . . 182
Лабораторная работа № 66. Измерение ускорения свободного падения с помощью физического маятника . . . . . . . . . . . . . . . 187
Лабораторная работа № 67. Определение характеристик затухающих колебаний 191
Лабораторная работа № 68. Измерение скорости звука в воздухе методом интерференции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Лабораторная работа № 69. Измерение момента инерции с помощью маятниковых колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Лабораторная работа № 70. Изучение затухающих электромагнитных колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Лабораторная работа № 71. Исследование апериодического разряда конденсатора и определение его емкости . . . . . . . . . 208
Лабораторная работа № 72. Вынужденные электромагнитные колебания.
Резонанс в колебательном контуре . . . . . . . . . . . . . . . 213
Волновая оптика
Лабораторная работа № 80. Определение шага нарезки лазерного диска . . . . . . . 218
Лабораторная работа № 81. Определение силы света электрической лампочки и изучение ее светового поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Лабораторная работа № 82. Определение радиуса кривизны линзы и длины световой волны с помощью колец Ньютона . . . . . . . 228
Лабораторная работа № 83. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки на гониометре . . . . . . . . . . 232
Лабораторная работа № 84. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки на оптической скамье . . . . 237
Лабораторная работа № 85. Знакомство с работой сахариметра . Определение концентрации сахарных растворов . . . . . . . . . . . . . . . 242
Лабораторная работа № 86. Изучение дисперсии с помощью гониометра . . . . . . 247
Лабораторная работа № 90. Исследование зависимости показателя преломления газов от давления с помощью газового интерферометра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Квантовая оптика
Лабораторная работа № 87. Исследование спектров поглощения и определение теплового эффекта реакции по краю полосы поглощения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Лабораторная работа № 88. Знакомство с работой оптического пирометра. Определение постоянной Стефана – Больцмана . . . . 264
Лабораторная работа № 89. Определение показателя степени абсолютной температуры в законе Стефана – Больцмана . . . . . . . 269
Лабораторная работа № 91. Изучение вакуумных элементов и определение их характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Лабораторная работа № 92. Определение постоянной Планка и работы выхода электрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Лабораторная работа № 94. Знакомство с работой универсального монохроматора-спектрометра. Определение длин волн спектральных линий атома водорода . . . . . . . . . 283
Лабораторная работа № 95. Знакомство с работой гелий-неонового лазера и изучение свойств лазерного излучения . . . . . . . . . . . 289
5
Лабораторная работа № 97. Снятие вольт-амперной характеристики электровакуумного фотоэлемента и определение работы выхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Лабораторная работа № 109. Изучение спектров излучения атомов с помощью монохроматора-спектрометра и определение постоянной Ридберга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Физика твердого тела
Лабораторная работа № 104. Измерение температуры при помощи термопары . . 306
Лабораторная работа № 105. Исследование зависимости сопротивления полупроводников от температуры и определение ширины запрещенной зоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Лабораторная работа № 106. Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Лабораторная работа № 107. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника по фотоэмиссии . . . . . . . . . . . . . . . 320
Лабораторная работа № 108. Исследование фотопроводимости полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Физика атомного ядра
Лабораторная работа № 114. Снятие счетной характеристики счетчика Гейгера . 330
Лабораторная работа № 115. Определение коэффициента ослабления гамма-
лучей в веществе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Лабораторная работа № 116. Определение концентрации калия в растворах по его естественной радиоактивности . . . . . . . . . . . . . 342
Раздел 3. СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 3.1. Некоторые сведения по математике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 3.2. Основные физические постоянные. Единицы физических величин . . . . . . . . . . . . 353 3.3. Таблицы физических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 3.3.1. Астрономические величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 3.3.2. Плотность и модуль упругости твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 3.3.3. Тепловые свойства твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 3.3.4. Свойства жидкостей при 20°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 3.3.5. Свойства газов при 20°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 3.3.6. Скорость звука при 20°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 3.3.7. Состав сухого атмосферного воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 3.3.8. Критические параметры и поправки Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 3.3.9. Элементы периодической системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 3.3.10. Электрические свойства веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
3.3.11. Удельное электрическое сопротивление ρ0 и температурный коэффициент сопротивления α некоторых проводников при 0°С . . . . . . . 360
3.3.12. Связь между магнитной индукцией В поля в ферромагнетике и напряженностью Н намагничивающего поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
3.3.13. Показатели преломления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
3.3.14. Интервалы длин волн и частот и соответствующие им цвета видимой части спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
6
3.3.15. Шкала электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
3.3.16. Длины волн ярких линий в спектре ртутной лампы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
3.3.17. Длины волн некоторых ярких линий в спектре неона . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
3.3.18. Спектральные линии атома водорода в видимой части спектра . . . . . . . . . 364
3.3.19. Основные физические свойства некоторых полупроводниковых
материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
3.3.20. Работа выхода для химически чистых элементов и элементов, покрытых
слоем адсорбата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
3.3.21. Зависимость удельной энергия связи от массового числа . . . . . . . . . . . . . . 366
3.2.22. Зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии падающих
фотонов для некоторых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
3.3.23. Основные свойства некоторых изотопов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
ПРИЛОЖЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Приложение А. Образец оформления лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Приложение Б. Краткое описание основных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Приложение В. Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева 388
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
7
Предисловие
ПРЕДИСЛОВИЕ
Преподавание физики, в котором эксперимент не составляет основы и краеугольного камня всего изложения, должно быть признано бесполезным и даже вредным.
О.Д. Хвольсон
предлагаемом учебном пособии обобщен многолетний опыт работы коллек-тива кафедры физики Донецкого национального технического университета по соз-данию и модернизации лабораторного практикума по физике. Представленные в по-собии описания лабораторных работ соответствуют программе курса физики для ин-женерно-технических и технологических специальностей высших учебных заведений.
Прежде, чем приступить к лабораторным работам, необходимо изучить раздел «Введение в физический практикум», в котором рассказывается, как представлять ре-зультаты измерений, проводить расчеты, строить графики и оформлять лабораторные работы.
Выполнение лабораторных работ иногда предшествует изложению соответст-вующего материала на лекциях. Поэтому в начале описания каждой лабораторной ра-боты приведены краткие теоретические сведения, позволяющие самостоятельно под-готовиться к ее выполнению. Объем этих сведений определяется тем, насколько под-робно изучаемый в практикуме материал излагается в лекционном курсе.
На лабораторные занятия студент приходит, самостоятельно проработав «Об-щие положения», изложенные в инструкции, а также письменно ответив на блок во-просов «Подготовка к работе». Перед началом работы производится допуск. Каждая работа рассчитана на два часа, и в большинстве случаев она выполняется двумя сту-дентами. После проведения измерений и расчетов необходимо письменно ответить на блок вопросов «Защита работы».
пособие включен справочный материал, необходимый для выполнения лабо-раторных работ и обработки результатов измерений, сопоставления эксперименталь-ных данных с табличными. Приведенные таблицы и графики не претендуют на пол-ноту охвата всех справочных сведений по тому или иному разделу курса физики. Из многочисленных сведений отобраны те, которые необходимы при выполнении лабо-раторных работ практикума и обработки результатов измерений.
приложения вынесено краткое описание используемых в практикуме прибо-ров. Здесь же находится образец оформления лабораторной работы.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам: заведующему кафедрой физики и физического материаловедения Донбасской национальной академии строительства и архи-тектуры, доктору химических наук, кандидату физико-математических наук , академику Ака-демии наук высшего образования Украины, профессору В.Д. Александрову; доктору физико-математических наук, профессору кафедры нанофизики Донецкого национального универ-ситета, член -корр. Академии технологических наук Украины А.Г. Петренко, а также всему коллективу кафедры физики Донецкого национального технического университета за по-лезные замечания и советы, которые были учтены при подготовке рукописи к печати.
Также выражаем свою искреннюю благодарность и признательность И.В Лумпиеву. и В.А. Фабре. за оформление графического материала книги.
С замечаниями и предложениями по книге к авторам можно обратиться по электрон-
ной почте: afv@fizmet.dgtu.donetsk.ua
8
Введение в физический практикум