Методички / Т.В. Лавряшина Методические указания по выполнению лабораторного практикума по физике. Часть 1. лабораторные работы для учащихся 10 класса

11

Экспериментальная часть

Выводы теории можно подтвердить экспериментально, используя метод Клемана - Дезорма. Если в сосуд быстро накачать воздух, то через 2-3 минуты после его охлаждения до комнатой температуры Tк состояние 1 термодинамической системы будет задано параметрами:

V1, Pатм +ρgh1,Tк ,

где Pатм - атмосферное давление, ρ - плотность жидкости в манометре, g - ускорение свободного падения, h1 - разность уровней жидкости в манометре.

При адиабатном расширении воздуха в сосуде, соединённом с атмосферой, система перейдёт в состояние 2 с параметрами:

V2 , Pатм,T2 .

Адиабатный переход системы из состояния 1 в состояние 2 описывается уравнением Пуассона, связывающим давление и температуру.

Через 2-3 минуты после выравнивания температуры система перейдёт в состояние 3. Изохорный переход 2 → 3 описывается уравнением

Решая совместно два последних уравнения, получим

γэкс = h1h−1h2 .

Порядок выполнения работы

1.Накачать насосом воздух в баллон до разности уровней в манометре ~ 15-20 см.

2.Через 2-3 минуты измерить разность уровней h1 жидкости в манометре.

3.Открыть кран, соединив баллон с атмосферой, и закрыть его, когда сравняются уровни жидкости в манометре.

12

4. Через 2-3 минуты измерить разность уровней h2. Рассчитать γэкс. Результаты экспериментов занести в таблицу.

5. Сопоставить экспериментальное и теоретическое значения коэффициента Пуассона

Записать вывод.

Контрольные вопросы

1. Можно ли считать идеальным газ, используемый в эксперимен-

те?

2.Какие процессы происходят с газом в результате опытов? Дать определение этих процессов, записать первый закон термодинамики для указанных процессов.

3.Изобразить в координатах P-V переходы термодинамической

системы 1→2 и 2→3. Чему равна работа при указанных переходах?

4.Изобразить в координатах P-V изотермический (PV=const) и адиабатный (PVγ=const) процессы. Одинаковы ли работы А при этих процессах, если изменение объема ∆V одинаково?

5.Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, показать, что при изобарном процессе

A = Mm R ∆Т.

13

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы: изучить картину расположения эквипотенциальных поверхностей и линий напряженности электростатического поля.

Приборы и принадлежности: электролитическая ванна или лист токопроводящей бумаги, набор электродов, зонд-проводник со штeкером на конце, источник ЭДС, вольтметр, гальванометр, потенциометр.

Теоретическая часть

Основными характеристикамиr электростатического поля являют-

ся напряженность E и потенциал φ. Для того чтобы описать электрическое поле, нужно задать вектор напряженности в каждой точке поля. Это можно сделать аналитически, выражая зависимость напряженности поля от координат в виде формулы.

Однако эту зависимость можно представить и графически. Для этого пользуются линиями напряженности (силовыми линиями).

Чтобы при помощи силовых линий изобразить не только направление, но и величину напряженности поля, условились на графиках поля проводить силовые линии с определенной густотой, и именно так, чтобы число силовых линий, проходящих через единицу поверхности, перпендикулярной к силовым линиям, было пропорционально величине напряженности поля в данном месте.

Электростатическое поле можно описать и с помощью другой характеристики - потенциала. Объединяя точки электрического поля, обладающие одинаковым потенциалом, получают поверхности, называемые поверхностями равного потенциала, или эквипотенциальными поверхностями. Эквипотенциальные поверхности, пересекаясь с плоскостью чертежа, дают эквипотенциальные линии. Силовые линии всегда совпадают по направлению с нормалями к эквипотенциальной поверхности.

Действительно, рассмотрим работу перемещенияr точечного элек-

трического заряда q на малое расстояние l вдоль эквипотенциальной линии. Работа А перемещения зарядаr r на данномr r пути будет:

A = q E l cos(E, l).

14

С другой стороны, эта же работа может быть выражена как произведение величины заряда на разность потенциалов в начальном и ко-

нечном положениях заряда:

A = q ∆ϕ.

випотенциальной поверхности противоположны по знаку: нормаль счиr-

тается положительной в сторону возрастания потенциала, а вектор E направлен в сторону действия поля на положительный заряд, то есть в сторону убывания потенциала.

Напряженность и потенциал электростатического поля связаны

между собой соотношением

Er = −∆∆ϕr ,

циала.

Линии напряженности представляют собой семейство линий, нормальных к семейству эквипотенциальных поверхностей, что существенно облегчает экспериментальное исследование электрических полей.

Изучение электростатического поля между системой заряженных проводников можно заменить изучением его точной, но более удобной модели - электрического поля слабого постоянного тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными, а проводимость среды, в которой исследуется распределение потенциалов, намного меньше, чем проводимость данных про-

15

водников. Слабопроводящей средой могут быть обыкновенная вода, влажный песок, токопроводящая бумага и т.д.

Экспериментальная часть

Установка представляет собой ванну с двумя электродами «Э1» и «Э2», к которым от источника ЭДС через потенциометр «R» подается постоянное напряжение (рис.1). Вместо ванны с водой можно использовать токопроводящую бумагу в клетку.

Движок потенциометра «О» соединен с проводником – зондом «З». Зонд и электроды опущены в воду. Падение напряжения между электродом «Э1» и зондом «З» фиксируется вольтметром «V».

Если потенциал точки «О» равен потенциалу зонда, то ток через гальванометр не пойдет. Перемещая зонд в ванне таким образом, чтобы показания индикатора «Г» оставались нулевыми, получаем ряд точек равного потенциала, которые будут соответствовать одной из эквипотенциальных поверхностей. Вольтметр покажет в этом случае потенциал этой поверхности относительно электрода «Э1».

16

Порядок выполнения работы

1.Собрать электрическую цепь по схеме (рис.1).

2.Указать положение электродов на листе бумаги, используемом для изображения эквипотенциальных линий.

3.Изменяя положение движка потенциометра от минимального до максимального значения разности потенциалов между электродами, получить семейство эквипотенциальных линий. Перемещая зонд при фиксированной разности потенциалов между электродом и зондом, получить не менее десяти точек с одинаковым потенциалом. Эти точки

соединить плавной линией. r

4. Используя связь вектора напряженности E с разностью потенциалов, построить 5-6 силовых линий по всему полю. Электроды являются эквипотенциальными поверхностями, поэтому силовые линии к ним тоже перпендикулярны. Указать направление силовых линий.

Контрольные вопросы

1.Что такое напряженность электростатического поля? Какой физической смысл вектора напряженности ?

2.Формула для определения напряженности электростатического поля, созданного точечным зарядом.

3.Что называется потенциалом электростатического поля?

4.Какие поверхности называются эквипотенциальными?

5.Какова связь между напряженностью электростатического поля

иразностью потенциалов?

6.Почему линии напряженности перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям?

7.Как определить в электростатическом поле положение эквипотенциальной линии?

8.Как построить линии напряженности?

17

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА

Цель работы: 1) изучить зависимость сопротивления металлического проводника от температуры; 2) определить температурный коэффициент сопротивления проводника.

Приборы и принадлежности: проводник, универсальный мост, водяная баня, термометр.

Теоретическая часть

Металлические проводники при температурах выше 00 С имеют высокую электрическую проводимость. Это обусловлено их структурой: кристаллическая решетка, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы металла, заполнена электронным газом - обобществленными электронами. Электроны движутся хаотично, но при наложении электрического поля они приобретают направленное движение и создают электрический ток.

Ионы в узлах кристаллической решетки связаны между собой кулоновскими силами и находятся в состоянии устойчивого равновесия. Тепловые колебания ионов приводят к колебаниям кристаллической решетки – фононным колебаниям. Электроны при движении по кристаллу взаимодействуют с фононами и рассеивают свою энергию.

Концентрация свободных электронов в металлах при комнатной температуре уже достигла своего предела и практически не изменяется с увеличением температуры. Скорость направленного движения электронов с ростом температуры должна уменьшаться из-за рассеяния их энергии на тепловых колебаниях решетки, которые с повышением температуры усиливаются.

Омическое сопротивление проводника – это и есть сопротивление, оказываемое кристаллической решеткой направленному движению электронов. С ростом температуры оно должно возрастать. Опыт показывает, что при температурах выше 0° С сопротивление линейно возрастает с ростом температуры по закону:

18

где R0 и Rt - сопротивления при 00 С и при t0 С, α - температурный коэффициент сопротивления.

Величина α может быть определена в температурном интервале от 00 С до t0 С только как среднее значение. Для чистых металлов α изменяется с температурой очень мало. В интервале температур от 0 до 1000 С его можно считать постоянным.

Термический коэффициент сопротивления определяется из соот-

R 0 t k

Сопротивление R0 при 00 С находят из графика Rt =f(t0) методом экстраполяции (рис.1).

Рис. 1

Экспериментальная часть

Установка для экспериментального изучения зависимости сопротивления металлического проводника от температуры (рис.2) состоит из нагревателя (1), водяной бани (2), заполненной трансформаторным маслом пробирки (3), исследуемого сопротивления (4), термометра (5) и универсального моста (6), позволяющего измерять сопротивление исследуемого проводника Rt .

19

Рис.2

Используя полученные данные t0 и Rt , строится график зависимо-

сти

Rt = f (t0 ).

Порядок выполнения работы

1.Собрать установку (рис.2).

2.С помощью универсального моста измерить сопротивление проводника при комнатной температуре.

3.Включить нагреватель и произвести измерения сопротивления проводника через каждые 50 С. Измерения проводить до температуры

80 ÷ 900 С. Данные занести в таблицу.

t0, C

Rt,Ом

4.Используя данные таблицы, построить график Rt =f(t0).

5.Из графика определить R0 и по формуле (2) рассчитать α. Записать вывод.

20

Контрольные вопросы

1.Чем обусловлен электрический ток в металлах?

2.Какую роль играет кристаллическая решетка в возникновении омического сопротивления проводника?

3.Почему сопротивление металлов увеличивается с ростом температуры?

4.Что называется температурным коэффициентом сопротивления? Выведите его размерность.

5.От каких параметров зависит сопротивление проводника.

6.Сравните сопротивление двух медных проводников равной длины, если их радиусы отличаются в 2 раза ?