- •Передмова
- •Модуль 1
- •1. Вступ до лабораторного практикуму.
- •1.1. Обробка результатів вимірювань, обчислення похибок, представлення даних у вигляді таблиць і графіків.
- •Лабораторна робота № 1.1 „Експериментальне визначення густини речовини”.
- •Теоретичні відомості та обґрунтування методики.
- •Порядок вимірювання та розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •2. Механіка твердого тіла
- •2.1. Обертальний рух твердого тіла.
- •2.1.1. Кінематика обертального руху матеріальної точки.
- •2.1.2. Динаміка.
- •Лабораторна робота № 2.1 „Вивчення законів динаміки обертального руху”.
- •Теоретичні відомості та обґрунтування методики.
- •2 . Методика вимірювання.
- •Контрольні запитання.
- •Лабораторна робота № 2.2 „Визначення моментів інерції тіл”.
- •Порядок вимірювання та розрахунків:
- •Контрольні запитання.
- •Модуль 2
- •3. Електрика.
- •3.1. Електростатика.
- •3.2. Постійний електричний струм.
- •3.2.1. Закони постійного струму.
- •Лабораторна робота № 3.1 „Визначення ємності конденсатора по дослідженню кривої струму розряду”.
- •Порядок виконання роботи.
- •Порядок розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •Лабораторна робота № 3.2 „Вивчення методів вимірювання опору та визначення температури нитки лампи розжарювання”.
- •Порядок виконання роботи та порядок розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •Лабораторна робота № 3.3 „Дослідження залежності опору провідника від його довжини та визначення його питомого опору”.
- •Порядок виконання роботи та порядок розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •Лабораторна робота № 3.4 „Дослідження вольт – амперної залежності, потужності, температури нитки лампи розжарювання”.
- •Порядок виконання роботи та порядок розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •Лабораторна робота № 3.5 „Вивчення температурної залежності питомого опору металу електричному струму”.
- •Порядок виконання роботи та порядок розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •Модуль 3
- •4. Магнетизм.
- •4.1. Магнітне поле у речовині.
- •Парамагнетики.
- •Діамагнетики.
- •Феромагнетики.
- •Питання для самостійного контролю.
- •Лабораторна робота № 4.1 „Дослідження залежності магнітної проникності феромагнетика від напруженості зовнішнього поля”.
- •Порядок виконання роботи.
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 4.2 „Дослідження кривої намагнічування феромагнетика методом амперметра та вольтметра”.
- •Порядок виконання роботи.
- •Контрольні запитання.
- •Лабораторна робота № 4.3 „Зняття петлі гістерезису та визначення Нс, Вr та втрат методом електронного осцилографа”.
- •Порядок виконання роботи.
- •Контрольні запитання.
- •Питання для самоконтролю з теми “Магнетизм”.
- •Модуль 4
- •5. Коливання та хвилі.
- •5.1. Власні коливання.
- •Лабораторна робота № 5.1 „Дослідження згасаючих електромагнітних коливань”.
- •Порядок вимірювання та розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •5.2. Вимушені коливання.
- •5.2.1. Змінний струм, який тече крізь резистор з опором r (l 0, c )
- •5.2.2. Змінний струм, який тече крізь котушку індуктивності l (r 0, c )
- •5.2.3. Змінний струм, який тече крізь конденсатор ємністю с (r 0, l 0).
- •5.2.4. Коло змінного струму, яке має послідовно з’єднані резистор, котушку індуктивності і конденсатор.
- •5.2.5. Коло змінного струму, яке має паралельно з’єднані резистор, котушку індуктивності і конденсатор.
- •Лабораторна робота № 5.2 „Вивчення вимушених електромагнітних коливань”.
- •Порядок вимірювання та розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •5.3. Звукові і світлові хвилі.
- •5.4. Інтерференція хвиль. Стоячі хвилі.
- •5.5. Інтерференція світлових хвиль.
- •Лабораторна робота № 5.3 „Хвилі в пружних середовищах. Додавання хвиль. Стояча хвиля”.
- •Порядок вимірювання та розрахунків.
- •Контрольні запитання.
- •Лабораторна робота № 5.4 „Хвильові властивості світла. Інтерференція світла в тонких плівках”.
- •Порядок розрахунків.
- •Лабораторна робота № 5.5 „Хвильові властивості світла. Дифракція”.
- •Порядок розрахунків:
- •Модуль 5
- •6. Квантова фізика.
- •6.1. Теплове випромінювання.
- •Закон Стефана-Больцмана.
- •Закони Віна.
- •Формула Планка.
- •Лабораторна робота № 6.1 „Визначення ступеня чорноти нитки лампи розжарювання”.
- •Порядок виконання роботи.
- •Контрольні питання.
- •6.2. Лінійчаті спектри атомів в газах.
- •Лабораторна робота № 6.2 „Визначення сталої Ридберга”.
- •Порядок виконання роботи.
- •Контрольні питання.
- •6.3. Фотоелектричний ефект.
- •Лабораторна робота № 6.3 „Визначення сталої Планка”.
- •Порядок виконання роботи.
- •Контрольні питання.
- •7. Елементи фізики твердого тіла.
- •7.1. Зонна теорія електропровідності.
- •Лабораторна робота № 7.1 „Визначення ширини забороненої зони напівпровідника”.
- •Порядок вимірювань .
- •Порядок розрахунків.
- •7.2. Випрямляння струму на p-n – переході. Напівпровідниковий діод.
- •Лабораторна робота № 7.2 „Дослідження напівпровідникового діода”.
- •Порядок вимірювань.
- •Порядок розрахунків.
- •Модуль 6
- •8. Молекулярна фізика і термодинаміка
- •8.1. Основні параметри та закони.
- •Лабораторна робота № 8.1 "Визначення відношення Сp/сv повітря методом Клемана – Дезорма".
- •8.1.1. Теплоємності і внутрішня енергія моделі ідеального газу.
- •8.1.2. Методика вимірювань і розрахунків.
- •Порядок вимірів.
- •Порядок розрахунків:
- •Лабораторна робота № 8.2 „Визначення відносної й абсолютної вологості повітря”.
- •8.2.1. Методика визначення вологості.
- •Порядок вимірів.
- •Порядок розрахунків:
- •Лабораторна робота № 8.3 "Визначення питомої теплоти паротворення води".
- •8.3.1. Фазові переходи.
- •8.3.2. Методика вимірів та розрахунків.
- •Порядок вимірів.
- •Порядок розрахунків:
- •Лабораторна робота № 8.4 “Визначення коефіцієнта поверхневого натягу води”.
- •8.4.1. Молекулярна структура рідини і поверхневий натяг.
- •Порядок вимірів.
- •Порядок розрахунку.
- •Лабораторна робота № 8.5 "Визначення коефіцієнта внутрішнього тертя повітря, середньої довжини вільного пробігу, середнього часу вільного пробігу й ефективного діаметра його молекул".
- •8.5.1. Нерівноважні процеси переносу.
- •8.5.2. Методика вимірів та розрахунків.
- •Порядок вимірів.
- •Порядок розрахунків:
- •Лабораторна робота № 8.6 “Визначення коефіцієнта теплопровідності твердого тіла”.
- •8.6.1. Процеси переносу в твердих тілах.
- •Порядок вимірів.
- •Порядок розрахунків:
- •9. Віртуальні лабораторні роботи з курсу фізики.
- •Контрольні питання і вправи
- •Лабораторна робота № 9.4 „Кулонівська взаємодія точкових зарядів”.
- •Завдання
- •Порядок виконання роботи
- •К онтрольні питання і вправи
- •Лабораторна робота № 9.5 „Рух заряду в полі плоского конденсатора”.
- •Завдання
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні питання і вправи
- •Лабораторна робота № 9.6 „Взаємні перетворення електромагнітної і механічної енергії”.
- •Завдання
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні питання і вправи
- •Лабораторна робота № 9.7 „Магнитне поле струмів різної конфігурації”.
- •Завдання
- •Порядок виконання роботи
- •К онтрольні питання і вправи
- •Контрольні питання і вправи
- •Лабораторна робота № 9.11 „Хвильові властивості електронів”.
- •Завдання
- •Порядок виконання роботи
- •К онтрольні питання і вправи
- •Лабораторна робота № 9.13 „Квантові частинки в потенціальному полі”.
- •Завдання
- •Порядок виконання роботи
- •Модель. Квантування електронних орбіт.
- •Контрольні питання і вправи
- •Контрольні питання і вправи
- •Література
3.2. Постійний електричний струм.
Електричним струмом називається упорядкований рух електричних зарядів. Електричний струм можна здійснити тільки у речовинах – провідниках, в яких є вільні заряджені частинки. Крім того, необхідна ще сила, під дією якої ці частинки будуть переміщуватись. Якщо це сила електричного походження, то це означає, що в провіднику існує електричне поле. Коли уздовж провідника тече електричний струм, то траєкторію окремого носія струму можна схематично зобразити як ламану лінію: носій струму виконує хаотичний тепловий рух і разом з тим дрейфує, тобто рухається упорядковано в бік діючої сили. При макроскопічному розгляді електричного струму тепловий рух можна ігнорувати, розглядаючи лише упорядкований рух зі швидкістю v уздовж траєкторії, яка називається лінією струму. Електричний струм називається постійним, якщо швидкість упорядкованого руху носіїв заряду в фіксованій точці провідника не змінюється з часом.
Розглянемо деяку поверхню S всередині провідника. Нехай за малий проміжок часу dt через цю поверхню протече заряд dq. Тоді величину, яка дорівнює відношенню заряду, який протече через деякий проміжок часу, до величини цього проміжку, будемо називати силою струму через цю поверхню:
(3.24)
Якщо струм постійний, то заряд буде прямо пропорційний часу і тому замість похідної можна взяти відношення q до t, тобто
(3.25)
Сила струму – величина алгебраїчна. Один з двох напрямів уздовж провідника необхідно обрати за позитивний. Тоді сила струму буде позитивною, якщо позитивно заряджені носії заряду рухаються в цьому напрямку. Одиниця вимірювання сили струму 1А (Ампер). .
В багатьох задачах недостатньо знати повну силу струму через поперечний переріз провідника, тому важливо вміти описати, як розподіляється струм по перерізу провідника. Для цього введемо вектор густини струму. Це вектор, величина якого дорівнює силі струму через одиничну площадку перпендикулярно лініям струму, а напрям збігається з напрямом упорядкованого руху позитивних носіїв струму. Якщо на перпендикулярну лініям струму площадку dS припадає струм dI, тоді
(3.26)
Зв’яжемо густину струму з швидкістю упорядкованого руху носіїв заряду. Розглянемо деяку площадку S. Через неї за час dt пройдуть тільки ті носії, які знаходяться на відстані, не більшій ніж d = udt (u – швидкість упорядкованого руху носіїв заряду), оскільки інші не встигнуть дійти до площадки. Таким чином, через площадку зможуть пройти тільки ті носії, які знаходяться в межах циліндра з площею основи S та висотою d. В межах цього циліндра знаходяться dN = ndV носіїв заряду (n – концентрація носіїв, dV - об’єм циліндра). Якщо заряд одного носія q0, то всі носії в циліндрі будуть мати загальний заряд dq = q0dN. Знаходячи об’єм циліндра, можна одержати:
. (3.27)
Тоді для густини струму одержимо:
. (3.28)
Оскільки густина струму – це вектор, напрям якого збігається з напрямом швидкості, можна записати останню рівність в векторній формі:
(3.29)
Сила струму через будь – яку поверхню буде дорівнювати , де інтегрування ведеться по всій поверхні.
Одержати електричний струм в провіднику можна, утворивши в ньому електричне поле, яке буде діяти на носії струму і приведе їх в упорядкований рух. Для одержання постійного струму недостатньо присутності одних тільки електростатичних сил. Протікання струму супроводжується виділенням теплоти, а це може відбуватись тільки за рахунок роботи будь-яких сил по переміщенню носіїв струму. Але це не можуть бути електростатичні сили, тому що робота останніх по переміщенню заряду уздовж замкненого кола дорівнює нулю. Тому для існування електричного струму необхідна наявність в колі будь-яких сил по переміщенню зарядів неелектростатичного походження – так званих сторонніх сил. Ці сили повинні підтримувати такий розподіл зарядів уздовж провідників зовнішнього кола, при якому електричне поле усередині провідників буде відмінне від нуля. В гальванічних елементах (акумуляторах і таке інше) це сили хімічної природи, у випадку генераторів змінного струму – це сили електромагнітної природи, в сонячних батареях – світлової природи. В зовнішньому колі, при цьому, носії струму рухаються під дією електростатичних сил. Заряди в зовнішньому колі розподіляються уздовж поверхні провідників. Введемо характеристику, аналогічну різниці потенціалів, але для сторонніх сил, яка називається електрорушійною силою. Електрорушійною силою (ЕРС) називають відношення роботи сторонніх сил по переміщенню заряду до величини цього заряду:
. (3.30)
Одиниця вимірювання ЕРС – вольт (В), так само, як і для напруги.
Визначимо напруженість поля сторонніх сил Ест. Це відношення сторонньої сили, діючої на заряд q0, до величини цього заряду:
. (3.31)
Тоді для роботи сторонніх сил знайдемо . Раніше ми мали для роботи електростатичних сил . Розглянемо роботу всіх сил по переміщенню заряду q0 уздовж замкненого кола:
(3.32)
Будемо називати напругою на ділянці кола відношення роботи всіх сил по переміщенню заряду q0 до величини цього заряду:
(3.33)
Таким чином, напруга складається з різниці потенціалів та електрорушійної сили.
Якщо на ділянці кола сторонні сили відсутні, тобто ε = 0, то напруга дорівнює різниці потенціалів, тобто U = Dj.