МИНОБРНАУКИ ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
(среднее специальное учебное заведение)
«Южноуральский энергетический техникум»
ГБОУ СПО (ССУЗ) ЮЭТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ФИЗИКА»
для групп специальностей технического профиля СПО:
140407 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ, СЕТИ И СИСТЕМЫ
140443 МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
150415 СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО270802 СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
2014 Рассмотрено предметной (цикловой) УТВЕРЖДАЮ комиссией естественнонаучных дисциплин Замдиректора по УР Протокол № 13 от « 22 апреля » 2014 г. /Е.В.Чапаева/ «_ _»_2014 г.Председатель цикловой комиссии _ Н.А.Вальщикова Методические указания для проведения лабораторных работ по физике:
Учебное пособие для студентов средних специальных учебных заведений по специальностям:140407 Электрические станции, сети и системы, Монтаж и эксплуатация линий электропередач, 150415 Сварочное производство, 270802 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений, – Южноуральск, 2014 – 56 с.
Составитель: Н.А. Вальщикова, преподаватель физики ГБОУ СПО (ССУЗ) ЮЭТ Оглавление Предисловие…………………………………………………………………… Введение……………………………………………………………………….. Раздел 1. Общие требования………………………………………………….. Инструментальные погрешности ……………………………………………. Оценка допустимого интервала времени …………………………..……….. Раздел 2. Указания к выполнению лабораторных работ ……………..……. Лабораторная работа № 1. «Исследование зависимости силы трения от веса тела»…………………………………………………………………………… Лабораторная работа № 2. «Изучение закона сохранения импульса тела»…………………………………………………………………………… Лабораторная работа № 3 «Изучение зависимости периода колебаний нитяного маятника от длины нити»……………………………….………… Лабораторная работа № 4 «Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости»…………………………………………………………. Лабораторная работа № 5 «Опытная проверка закона Бойля-Мариотта» …. Лабораторная работа № 6 «Определение относительной влажности воздуха»………………………………………………………………………… Лабораторная работа №7.« Определение электрической емкости конденсатора»..…………………………………………………………...…….. Лабораторная работа № 8 «Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии»…………………………………………… Лабораторная работа № 9 «Определение удельного сопротивления проводника»…………………………………………………………………….. Лабораторная работа № 10 «Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания, от напряжения на ее зажимах»……….. Лабораторная работа № 11 «Изучение последовательного и параллельного соединения проводников»……………………………………………………... Лабораторная работа №12 «Определение температурного коэффициента сопротивления меди»……………………………………………………………………....... Лабораторная работа № 13 «Изучение электрических свойств полупроводников»…………………………………………………………………………………….……. Лабораторная работа № 14 «Исследование явления электромагнитной индукции»……………………………………………………………………….. Лабораторная работа № 15 «Изучение устройства и работы трансформатора»…………………………………………………………..……. Лабораторная работа № 16 «Изучение явления электромагнитной индукции»…………………………………………………………..………….... Лабораторная работа № 17 «Определение показателя преломления стекла»………………………………………………………………………….... Лабораторная работа № 18 «Определение оптической силы и фокусного расстояния линзы» ………………………………………………………….….. Лабораторная работа № 19 «Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки» ……………………………………………………... Лабораторная работа № 20 «Наблюдение сплошного и линейчатого спектров»………………………………………………………………………… Библиографический список…………………………………………………......
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое пособие входит в учебно-методический комплекс, разработанный автором к учебникам по физике, рекомендованным МОиН РФ.Методические указания по физике разработаны для технических специальностей среднего специального образования в соответствии c требованиями государственного стандарта среднего профессионального образования РФ. Основная цель пособия – способствовать формированию у студентов ключевых учебных и личностных компетенций, а также развитию творческих компетенций. Предлагаемые методические указания представляют собой практикум по лабораторным работам для студентов соответствующих специальностей по всему курсу общей физики и ориентированы на использование современных физических приборов, По своему содержанию лабораторные работы представляют собой наблюдения, измерения и опыты, тесно связанные с темой занятия. В пособие включены следующие виды заданий: 1) наблюдение и изучение физических явлений, 2) наблюдение и изучение свойств веществ, 3) измерение физических величин, 4) исследование зависимостей физическими величинами, 5) изучение физических законов, 6) компьютерные исследовательские задачи, 7) задачи с использованием фотографий треков Лабораторные работы составлены по разделам курса общей физики согласно разработанной автором рабочей программе и выполняются на типовом лабораторном оборудовании в некоторых случаях с использованием электронного учебника «Открытая физика», что позволяет вести обучение Выполнение всех работ является обязательным для студентов.
Лабораторные работы являются эффективным средством активизации и мотивации обучения физике, способствуют применению различных методов и приемов обучения для формирования у студентов системы прочных знаний, интеллектуальных и практических умений и навыков, помогают развитию мышления студентов, так как побуждают к выполнению умственных операций: анализу, синтезу, сравнению, обобщению и др.
Пособие состоит из двух разделов, которые отражают общие требования и указания к выполнению лабораторных работ. В разделе I приведены общие требования, необходимые при выполнении лабораторных работ. В разделе II описаны лабораторные работы, которые составлены в виде инструкций.
Каждая инструкция содержит цель работы, перечень оборудования, список литературы, ход выполнения работы и контрольные вопросы, обращающие внимание студентов на существенные стороны изучаемых явлений. Вопросы помогают глубже осмыслить производимые действия и полученные результаты и на их основе самостоятельно сделать необходимые выводы.
ВВЕДЕНИЕ
Основное назначение методических указаний – оказать помощь студентам в подготовке и выполнении лабораторных работ, а также облегчить работу преподавателя по организации и проведению лабораторных занятий.Систематическое и аккуратное выполнение всей совокупности лабораторных работ позволит студенту овладеть умениями самостоятельно ставить физические опыты, фиксировать свои наблюдения и измерения, анализировать их делать выводы в целях дальнейшего использования Целями выполнения лабораторных и практических работ является:
1) обобщение, систематизация, углубление, закрепление полученных теоретических знаний по конкретным темам дисциплины;
2) формирование умений применять полученные знания на практике, реализация единства интеллектуальной и практической деятельности;
3) развитие интеллектуальных умений у будущих специалистов;
аналитических, проектировочных, конструктивных и др.
4) выработку при решении поставленных задач таких профессионально значимых качеств, как самостоятельность, ответственность, точность, творческая инициатива.
РАЗДЕЛ 1. Общие требования.
Для более эффективного выполнения лабораторных работ необходимо повторить соответствующий теоретический материал, а на занятиях, прежде всего, внимательно ознакомиться с содержанием работы и оборудованием.
В ходе работы необходимо строго соблюдать правила по технике безопасности; все измерения производить с максимальной тщательностью;
для вычислений использовать микрокалькулятор.
После окончания работы каждый учащийся составляет отчет по следующей схеме:
1. дата, наименование и номер работы;
2. перечень оборудования;
3. схема или зарисовка установки;
4. запись цены деления шкалы измерительного прибора;
5. таблица результатов измерений и вычислений заполняется по ходу 6. расчетная формула, обработка результатов измерений и определение относительной погрешности.
Небрежное оформление отчета, исправление уже написанного недопустимо.
В конце занятия преподаватель ставит зачет, который складывается из результатов наблюдения за выполнением практической части работы, проверки отчета, беседы в ходе работы или после нее. Все лабораторные работы должны быть выполнены и защищены в сроки, определяемые программой или календарным планом преподавателя. Студенты, не Лабораторные работы и практические занятия (ЛПР) - основные виды учебных занятий, направленные на экспериментальное подтверждение теоретических положений и формирование учебных и профессиональных практических_умений.
Инструментальная погрешность При выполнении лабораторных работ допускаются погрешности, которые студент должен уметь оценить.
Все измерения делятся на две группы: прямые и косвенные. Прямые измерения – это определение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений (приборов). Косвенные измерения – это определение значения физической величины по формуле, куда входят величины, полученные прямым измерением. Погрешности для этих типов измерений вычисляются по-разному. В случае прямых измерений максимальная абсолютная погрешность А складывается из абсолютной инструментальной погрешности, определяемой конструкцией прибора А и, и абсолютной погрешности отсчета Ао, которая принимается равной половине цены деления прибора А = Аи + Ао. Для лабораторных приборов значения абсолютных погрешностей средств измерений представлены в таблице Табл. электронный Амперметр Вольтметр Для расчета косвенных погрешностей используются специальные формулы, полученные с помощью математического анализа для оценки относительной погрешности вычисляемой величины: = А/А.
Табл. формула физической величины формула относительной Таким образом, абсолютные инструментальные погрешности могут быть рассчитаны до проведения эксперимента. Что касается относительных погрешностей, то из самого определения следует, что чем больше измеряемая величина, тем меньше относительная погрешность. И этот факт должен быть доминирующим при проведении лабораторных работ.
электрических величин, следует учитывать ряд факторов, влияющих на результат измерения. Это прежде всего вид электрической схемы, марка соединительных проводов, класс точности измерительных приборов, а также время измерения показания приборов. Известно, что протекания тока в проводнике сопровождается его нагреванием, а температура влияет на сопротивление проводника. Оценим допустимое время прохождения тока в цепи, при котором изменение сопротивления резистора не превысит 10%.
Оценка допустимого интервала измерений Температурная зависимость сопротивления металлов имеет вид (1) где R0 – сопротивление резистора при комнатной температуре R – сопротивление резистора в нагретом состоянии – температурный коэффициент сопротивления t – увеличение температуры резистора при прохождении тока Так как материалом для школьных резисторов служит нихром (сплав, состоящий из 80% никеля и 20% хрома), то все электрические и тепловые параметры мы будем брать для этого вещества.
Ошибка в 10% соответствует R/R0 = 1,1. Получим из формулы (1) t = 0,1/. Для нихрома = 5·10 – 3 К – 1, поэтому t = 20 0С. Таким образом, для выполнения заданной точности нагрев проводника не должен превышать 20 0С.
Рассчитаем время () прохождения тока, которое обеспечит нагрев проводника на 20 0С. Будем считать, что все джоулево тепло ( Q ) идет на нагрев резистора:
Из термодинамики следует что Q = mct (3) где m – масса проводника, с = 460 Дж/кг·С – удельная теплоемкость сплава.
Объединяя формулы (2) и (3) получим уравнение для интервала времени (4) Рассчитаем массу проводника (5) где 1 = 8300 кг/м3 – плотность сплава, S 1мм2 = 10 – сечения провода.
Длину провода выразим через формулу сопротивления (6) где 2 = 1,1·10 – 6 Ом·м – удельное сопротивление нихрома.
Объединяя формулы (4), (5) и (6), получим (7) После подстановки величин в формулу, получим (8) Рекомендации Таким образом, для того, чтобы погрешность измерения сопротивления не превышала 10%, время прохождения тока по цепи не должна превышать следующие значения:
Полученные результаты мы будем использовать при выполнении измерений.
РАЗДЕЛ II. Указания к выполнению лабораторных работ «Исследование зависимости силы трения от веса тела»
Цель работы: установить зависимости силы трения от веса тела и понять отличие веса тела от массы тела.
Оборудование: динамометр, грузики, горизонтальная поверхность (парта, дощечка) Теория.
При движении любого тела по поверхности между соприкасающимися частями тел возникает сила трения (сопротивление поверхности движению).
Сила трения величина векторная и всегда направлена против движения.
Измеряется в Ньютонах (Н).
Вес тела – это сила давления тела на опору или подвес, является векторной величиной и всегда направлен вертикально вниз к центру Земли. Измеряется в Ньютонах (Н).
Масса тела – это скалярная величина, то есть не имеет направления.
Измеряется в килограммах (кг).
Задание: 1) перерисуйте рисунок в рабочую папку и укажите на рисунке силу трения и вес тела.
1) Приготовьте отчетную таблицу.
Где Ризм –вес тела измеренной на динамометре, Рвыч –вес тела, вычисленный по формуле, m – масса бруска + масса гирь 2) Определите цену деления динамометра. Укажите предел измерения прибора. Определите цену деления весов. Укажите предел измерения прибора.
3) Измерьте массу 1 грузика и 1 бруска на весах, данные запишите в таблицу (в килограммах).
4) Измерьте вес 1 грузика и 1 бруска на динамометре, данные запишите в таблицу (в Ньютонах).
5) Измерьте силу трения бруска с 1 грузиком при равномерном движении по столу, данные запишите в таблицу (в Ньютонах).
6) Пункты с 3 по 5 повторить еще 2 раза, каждый раз добавляя по грузику к имеющимся в предыдущем опыте.
7) Постройте график зависимости силы трения F тр от веса тела Ризм 8) Вычислите значение веса тела Рвыч по формуле P=mg 9) Сделайте вывод: а) какая между силой трения и весом зависимость – прямо пропорциональная или обратно пропорциональная? б) чем отличается вес от массы тела?
Контрольные вопросы:
1) От чего зависит величина силы трения?
2) Сравните Ризм и Рвыч. Если они отличаются, то объясните почему.
3) В чем измеряется вес?
4) В чем измеряется масса?
5) В чем измеряется сила трения?
6) Почему динамометр показывает и вес тела, и силу трения?
7) Почему надо было измерять силу трения по столу и по дощечке? Чем они отличаются? В чем причина отличия?
Оборудование: наклонная плоскость, полоска бумаги, линейка измерительная, монеты разного достоинства, весы, гири.
Цель работы: проверить закон сохранения импульса.
Задание:1) Определите импульс массивной монеты после ее скольжения по наклонной плоскости и импульс легкой монеты, находящейся в покое.
2) Поставьте на пути массивной монеты более легкую и проанализируйте результат их взаимодействия. 3) Сравните импульс системы из двух монет до столкновения и после столкновения.
Содержание и метод выполнения работы: Импульс тела определяется как произведение массы тела на его скорость. Но на практике случается наоборот, довольно часто бывает затруднительно измерить массу и скорость тела, но сведения о них можно получить на основании измерений импульса тела. Такая ситуация характерна для ядерной физики и физики элементарных частиц, в которых встречаются новые частицы и неизвестной массой.
Измерение импульса тела с неизвестной массой или неизвестной скоростью возможно на основе закона сохранения импульса. В данной работе исследуется суммарный импульс двух монет до и после столкновения. Так как массы монет неизвестны, то для определения импульсов нужно определить их скорости. Они вычисляются по длине тормозного пути и измеренному коэффициенту трения о бумагу.
Порядок выполнения работы:
1) Положите на наклонную плоскость полоску бумаги таким образом, чтобы части ее длинной 25-30 см находились на горизонтальной поверхности стола. Подберите такой угол наклона поверхности, чтобы путь монеты составлял 15-25см 2) Отметьте начальное положение монеты на наклонной плоскости и ее конечные положение на горизонтальной плоскости. (см. рисунок 10.5, стр 377 (Физика, 10 под редакцией А.А.Пинского)). Отметьте положение центра монеты в начале горизонтального участка пути (точка А) и в его конце (точка В).Измерьте тормозной путь S=AB 3) Измерьте длинны катетов h и l. (см. Рисунок 10.3, стр 376). По формуле µ =h/(l+s) определите коэффициент трения монеты о бумагу.
Опыт проводите три раза и найдите среднее значение коэффициента трения, определите погрешность.
4) Зная коэффициент трения µ определите скорость монеты в точке А по 5) Массу монеты измерьте на весах.
6) Умножив массу монеты на скорость, найдите импульс массивной монеты до столкновения. Импульс маленькой монеты равен нулю, так как скорость равна нулю.
7) Поставьте на пути первой монеты вторую таким образом. Чтобы столкновение произошло в тот момент, когда центр диска первой монеты проходит точку А. отметьте начальное положение центра диска 8) Запустите первую монету с того же места на наклонной плоскости, как и в первом опыте. Отметьте конечное положение центров дисков обоих монет. Измерьте пройденный путь по горизонтали для монет S1, S2.
Вычислите скорость монет по формуле 9) По известным массам и скоростям вычислите общий импульс системы из 2-х монет до и после столкновения и сравните.
10) Таблица отчета:
Контрольные вопросы: 1) от чего зависит дальность движения легкой монеты? 2) в чем заключается физический смысл закона сохранения импульса?
«Изучение зависимости периода колебаний нитяного маятника Цель работы: проверить:
1) Зависит ли период колебания маятника от амплитуды (отклонение маятника от положения равновесия, брать не более 5-80)?
2) Зависит ли период колебания от массы маятника?
3) Зависимость периода колебания от длины маятника Оборудование: математический маятник, набор грузов, линейка, секундомер Теория.
Проблемный вопрос: Маятник, выведенный из положения равновесия, совершает колебание. Объясните почему?
Вспомните, при каких условиях возникает колебание маятника? Почему колебание со временем затухает?
Что называется периодом колебания? Единица измерения?
Период математического маятника вычисляется по формуле: Т = Задание: ответьте письменно на все поставленные вопросы и приступите к выполнению работы.
Порядок выполнения работы:
1) Начертите таблицу отчета, в которую занесите результаты измерений и вычислений.
2) Отклоните маятник от положения равновесия и без толчка отпустите его. Сосчитайте за сколько секунд маятник совершит 30-50 полных колебаний и определите время одного полного колебания (Т =, где n число колебаний) 3) Измените амплитуду колебаний (увеличив или уменьшив ее) и определите вновь период колебания. Зависит ли период колебания маятника от амплитуды?
4) Измените массу маятника, оставляя длину нити неизменной. Снова вычислите период колебания. Изменился ли при этом период колебания? Зависит ли период колебания от массы груза?
5) Измените длину нити маятника, например, укоротите в 4 раза и вычислите период колебания. Зависит ли период колебания маятника от длины нити? Если зависит, то какова зависимость – прямо пропорциональная или обратно пропорциональная?
6) Используя формулу Томсона Т = 2, проверьте ваши выводы по пункту 5).
Таблица отчета.
Контрольные вопросы:
1) Изменится ли период колебания маятника при перенесении с Земли 2) Можно ли при определении периода ограничиться двумя, тремя, десятью колебаниями? В каком случае период будет определяться 3) Где применяется маятник?
4) Применяется ли маятник в вашей профессии? Если да, то приведите «Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости»
Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом капель и сравнить с табличным значением.
Оборудование: 1) стакан с водой, 2) пипетка, 3) весы с гирьками, 4) пустой стакан, 5) микрометр, 6) иголки разной толщины или набор проволок разного сечения.
Теория.
Поверхности всех жидкостей под действием сил молекулярного взаимодействия находятся в своеобразном натяжении. Этим самым они могут быть уподоблены тонким резиновым пленкам. Силы поверхностного натяжения пропорциональны длине границы контура, охватывающего пленку, т.е. F ~ L, если ввести коэффициент пропорциональности, который зависит от рода жидкости и от внешних условий (давление, температура), то получим равенство F = L. Из этого уравнения можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения При вытекании жидкости из тонкой трубочки образуется капля. Незадолго до отрыва капли, в верхней части ее образуется перетяжка, радиус которой можно принять равной радиусу канала пипетки. В момент отрыва капли сила тяжести, действующий на каплю, уравновешивается силой поверхностного натяжения жидкости, действующей вдоль контура перетяжки капли.
«