книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

70 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Величина измеряемой э. д. с. определяется по шкалам, распо­ ложенным у ручек прибора. Перед тем как произвести отсчет, не­ обходимо вновь переключить гальванометр в положение К и убе­ диться в том, что сила тока в цепи за время измерений не измени­ лась. Если это не так, измерения по пп. 5 и 8 необходимо повторить.

Как нетрудно заметить, градуировка прибора не зависит от э. д. с. Ш0. Требуется, однако, чтобы эта э. д. с. была больше э. д. с. измеряемой термопары и э. д. с. нормального элемента. Макси­ мальная величина Шй определяется диапазоном изменения вспомо­ гательного сопротивления г.

Измерения. 1. Перед началом измерений разберитесь в устрой­ стве потенциометра ПП-63.

2. Проверьте исправность термопары. Для этого подключите к потенциометру идущие от термопары провода и убедитесь в том, что нагревание (или охлаждение) одного из спаев вызывает откло­ нение гальванометра в предварительно сбалансированном потен­ циометре.

3.Поместив оба спая термопары в сосуд Дьюара с тающим льдом, убедитесь, что э. д. с. Шх термопары обращается в нуль.

4.Один из спаев термопары оставьте в сосуде Дьюара с тающим

льдом на все время измерений; второй спай поместите в колбу

скипящей водой и вновь измерьте величину <&х.

5.Поместите второй спай в сосуд Дьюара, наполненный жидким азотом, и снова измерьте величину э. д. с. Шх.

6.Поместите второй спай в тигель с расплавленным оловом. Температуру плавления (отвердевания) чистого олова определите по таблицам.

Для того чтобы измерить э. д. с. термопары именно при темпе­ ратуре плавления металла, рекомендуется расплавить все олово, выключить печь и во время остывания (и затвердевания) металла измерять термо-э. д. с. через равные промежутки времени (продол­ жительность этих интервалов студент выбирает самостоятельно). При измерениях следите за тем, чтобы спай термопары не касался стенок тигля.

После отвердевания олова снова расплавьте его, медленно под­ нимая температуру тигля. Измерения термо-э. д. с. следует произ­ водить и при нагревании олова. После того как измерения будут

На кривых должны обозначиться резко выделенные горизонтальные участки почти постоянной температуры. Измеренные на серединах этих участков э. д. с. соответствуют температуре плавления олова.

в процессе нагрева и остывания, позволяет судить о том, были ли процессы плавления и отвердевания достаточно медленны. Расхож­ дение результатов позволяет оценить погрешность измерений.

Таким образом, для градуировки термопары получены четыре точки: температура тающего льда (начало координат), температура кипящей воды, температура кипения жидкого азота и температура плавления олова. Поскольку градуировочный график нашей тер­ мопары в исследуемом диапазоне температур почти прямолинеен, этих четырех точек достаточно для проведения градуировочной кривой *).

Градуировочный график термопары постройте на миллиметровке. На графике должны быть отложены ожидаемые ошибки измере­ ния Шх.

8.По полученному графику определите температуру плавления неизвестного сплава. Температура измеряется при плавлении и при отвердевании сплава так же, как это делалось при' градуировке термопары по точке плавления олова.

9.В заключение включите в цепь термопары (см. рис. 25) вместо потенциометра ПП-63 милливольтметр и сравните показания при измерении температуры кипящей воды и жидкого азота.

Ра б о т а 7. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ СТЕРЖНЯ С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА

Принадлежности: микроскоп, объектная шкала, окулярная шкала (в оку­ ляре микроскопа), линейка с миллиметровыми делениями, кварцевая трубка с меткой, исследуемый металлический стержень, электронагреватель, трансфор­ матор, термометр сопротивления, технический мост постоянного тока типа МО-47, источник э. д. с., гальванометр.

Микроскоп. Микроскопом называется оптический прибор, поз­ воляющий получать сильно увеличенные изображения мелких, близко расположенных предметов.

’) Температуры кипения жидкого азота и воды, а также температура плав­ ления олова берутся из справочника. Температуры кипения азота и воды суще­ ственно зависят от атмосферного давления. Величина давления должна быть определена по барометру во время опыта.

и его угловое увеличение

Обозначения l2, I, ß и а ясны из рис. 30. Линейное увеличение определяется отношением поперечных размеров изображения и предмета, а угловое увеличение — отношением их угловых размеров.

Рассмотрим сначала линейное увеличение микроскопа. Пред­ ставим его в виде

Первый из сомножителей называется увеличением окуляра, а вто­ рой — увеличением объектива. Из рис. 30 ясно, что

Расстояние ОхА' мало отличается от фокусного расстояния объек­ тива, а точка В' лежит вблизи от фокуса окуляра, так что

Длина тубуса микроскопа L обычно равна 160 мм. Заменяя в (4) числитель и знаменатель их приближенными значениями (5) и (6), найдем число, которое не вполне точно определяет /Д/, но зато не зависит ни от выбора окуляра, ни от настройки микроскопа. Это число выбито на оправе объектива.

Перейдем теперь к увеличению окуляра:

Что же касается 02С', то оно зависит от настройки микроскопа. Близорукие наблюдатели устанавливают 02С = 10 -н 15 см, а дальнозоркие > 40 см, иногда даже на бесконечное расстояние. При определении увеличения окуляра принято полагать 0 2С' = = 25 см, что соответствует расстоянию наилучшего зрения для нормального человеческого глаза

Подставляя (8) и (9) в (7), мы снова получим число. Это число называется увеличением окуляра и выбито на его оправе.

Перейдем теперь к угловому увеличению:

74 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

При 02С' -■ 25 см имеет место приближенное равенство 02С' « » 02Л', так что угловое и линейное увеличения микроскопа при­ близительно равны друг другу.

Как видно из формулы (3), для первоначальной оценки увеличе­ ния микроскопа достаточно перемножить увеличения окуляра и объектива. Полученная при этом величина определяет увеличение микроскопа крайне грубо. Более надежное значение следует полу­ чать экспериментально.

При практических измерениях величина предмета сравнивается с некоторым масштабом. Лучше всего располагать этот масштаб в плоскости самого измеряемого предмета; во многих случаях это, однако, оказывается неудобным. Масштаб можно расположить и в плоскости изображения предмета — в плоскости /х. В этом случае предмет и масштаб будут видны одновременно и могут, следова­ тельно, быть сопоставлены друг с другом. При таком измерении, однако, с масштабом сравнивается не сам предмет, а его увеличенное

масштабом другой масштаб, помещенный вместо предмета. Обычно масштаб (окулярная шкала) располагается в плоскости первого изображения /х.

Настройка микроскопа. 1. Перед началом работы тубус микро­ скопа перемещается вниз почти до упора в объект (за расстоянием между предметом и тубусом удобно следить, помещая глаз сбоку

вплоскости рассматриваемого объекта).

2.Перемещая окуляр / 2 относительно окулярной шкалы, полу­ чают резкое изображение шкалы на удобном расстоянии от глаза наблюдателя.

3. Затем, наблюдая в окуляр, м едлен н о подним аю т тубус винтом грубой наводки до тех пор, пока в поле зрения не мелькнет изображение объекта. Винтом точной наводки регулируют микро­ скоп до получения резкого изображения. Таким образом, в поле зрения микроскопа одновременно и одинаково резко оказываются видны объект и окулярная шкала.

Обращаем особое внимание студентов на то, что при отсутствии контроля сбоку тубус микроскопа можно передвигать только вверх. При движении вниз нетрудно проскочить правильное расстояние и упереть объектив в рассматриваемый объект, — объект или объектив при этом могут быть испорчены.

Точность совмещения шкалы с изображением предмета прове­ ряется методом параллакса. В том случае, когда изображение предмета действительно лежит в плоскости окулярной шкалы, небольшие боковые смещения глаза не приводят к сдвигу шкалы относительно предмета. Если сдвиг наблюдается, положение тубуса слегка регулируется винтом точной наводки до устранения парал­ лакса.

ее необходимо проградуировать. Для градуировки окулярной шкалы служит объектная шкала, нанесенная на стекле. Шкала обычно разделена на сотые доли миллиметра. Помещая эту шкалу вместо объекта и совмещая первичное изображение объектной шкалы Іх с окулярной шкалой, можно определить цену деления окулярной шкалы. Для градуировки совмещают произвольное п-е деление объектной шкалы с произвольным т-м делением окулярной шкалы (рис. 31). Так как расстояния между штрихами окулярной шкалы и изображением объектной шкалы не равны друг другу, всегда нахо­ дится такое (п + /)-е деление объектной шкалы, которое совпадает

Окулярная шкала

Рис. 31. Определение цены деления окулярной шкалы.

шкалы (приведенное к объекту и выраженное в миллиметрах рас­ стояние между соседними штрихами) іок равна при этом

Следует заметить, что определение цены деления окулярной шкалы имеет смысл для данного окуляра, данного объектива и данной длины тубуса микроскопа.

Технический мост постоянного тока МО-47. Технический мост постоянного тока предназначен для измерения сопротивлений от 1 до 10е Ом. Принципиальная схема моста не отличается от описан­ ной в работе 5 схемы моста Уитстона.

Мост собран в ящике, внешний вид которого (вид сверху) дан на рис. 32а. Ящик содержит три плеча моста и ключи. Чет­ вертым плечом является исследуемое сопротивление гх, подсое­ диняемое к клеммам «X». Измерения сводятся к балансировке моста. После балансировки величина искомого сопротивления определяется по обычной формуле

Сопротивления плеч задаются штепсельными реостатами А (гх) и В (г2), содержащими два одинаковых набора сопротивлений:

76 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1, 10, 100, 1000 и 10 000 Ом. Включение в схему любого из этих сопротивлений производится штепселями. Меняя величину сопро­ тивлений, для отношения rxtr2 можно получить значения 10 000; 1000; 100; 10; 1; 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001. Первые значения выбирают для измерения больших, а последние — при измерении малых

Рис. 32а. Внешний вид моста постоянного тока.

ШуШШШУ/УУУУІг-

ез & & ж уш ш ?7ш т ш в

е з е э & е э е э л

У7УУ77УУ77УЯ7Ут777ЯГ£- WzZZÈZZz2Zhm:Z2H 6)

Рис. 326. Две схемы включения сопротивлений в вет­ вях А и В моста постоянного тока, дающие одно и то же значение для отношения r j r 2.

сопротивлений. Третьим плечом моста является пятисекционный рычажный реостат /•„. Четыре Секции этого плеча содержат по девять одинаковых сопротивлений: по 1000, по 100, по 10, по 1 Ом, а пятая секция содержит десять сопротивлений по 0,1 Ом. Все секции сое­ динены последовательно, так что полное сопротивление плеча равно сумме показаний на пяти переключателях. Балансировка моста осуществляется путем изменения сопротивления г0.

Кроме клеммовых пластин сопротивлений г0, гх, г2, на эбонитовой панели прибора смонтированы:

танную на исследуемый стержень по всей длине. Градуировочный график, выражающий зависимость сопротивления медной прово­ локи Rt от температуры t, прилагается к работе.

При ‘нагревании стержень удлиняется, и метка на кварцевой трубке смещается. Смещение метки измеряется с помощью микро­ скопа, снабженного окулярной шкалой.

Коэффициент линейного расширения определяется по формуле (13)

где Ltо и Lt — длины стержня при температурах і0 и t соответ­ ственно.

Выражая разность температур / — t{) через разность сопротив­

Измерения. 1. Ознакомьтесь с устройством микроскопа.

2.Определите цену деления окулярной шкалы с помощью объектной шкалы.

3.Получите в микроскопе четкое изображение метки на трубке Т. Подумайте, какое положение должно занимать изображение метки на окулярной шкале, чтобы при расширении стержня изображение метки не вышло из поля зрения микроскопа.

4.Ознакомьтесь с устройством технического моста МО-47 и

подготовьте его к работе.

5. Подсоедините термометр сопротивления к мосту и измерьте его сопротивление при начальной температуре стержня.

Подберите такой режим работы моста, при котором его чувстви­ тельность оказывается максимальной (работают все секции сопро­ тивления г0).

6. Снимите зависимость длины исследуемого стержня от тем­ пературы (т. е. от сопротивления медной проволоки). Для этого подключите электрическую печь к выходным клеммам автотранс­ форматора. Ручкой автотрансформатора установите небольшое напряжение и подождите, пока установится тепловое равновесие в системе (метка в поле зрения микроскопа перестает перемещаться). Измерьте величину сопротивления и отметьте положение метки на окулярной шкале.

7. Постепенно увеличивая выходное напряжение автотранс­ форматора, измерьте 5-=-8 значений величины сопротивления и соответствующие им положения метки.

Полученные на опыте результаты изобразите на графике в коор­ динатах АL, АR. Через экспериментальные точки проведите наи­ лучшую прямую и из графика определите отношение AL/A/?.