С.В. Анофрикова, Г.П. Стефанова, В.В. Смирнов

Стр 1 из 2Следующая ⇒

С.В. Анофрикова, Г.П. Стефанова, В.В. Смирнов

ВВЕДЕНИЕ В ПРАКТИКУМ

ПО ОБЩЕЙ ФИЗИКЕ

РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ ДЛЯ СТУДЕНТОВ

Допущено Научно-методическим советом по физике

Министерства образования и науки Российской Федерации

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению 510400 «Физика»

Издательский дом «Астраханский университет»

2006

ББК 22.3

А69

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом

Астраханского государственного университета

Рецензенты: доктор физико-математических наук, профессор кафедры технической физики и информационных технологий Технологического института Саратовского государственного технического университета М.Д. Элькин;

доктор педагогических наук, профессор, заведующая кафедрой общей электроники Астраханского государственного технического университета Л.Х. Зайнутдинова

Анофрикова, С. В. Введение в практикум по общей физике: рабочая тетрадь для студентов / С. В. Анофрикова, Г. П. Стефанова, В. В. Смирнов. – Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2006. – 79 с.

Рабочая тетрадь для студентов является частью учебно-методического комплекса, также включающего в себя методические рекомендации для преподавателей и учебное пособие для студентов. Представляет собой описание содержания экспериментальной деятельности студентов по проведению физических исследований в лабораторном практикуме по курсу общей физики. Предназначено для студентов I–III курсов, обучающихся по специальности «Физика».

ISBN 5-88200-915-4

«Астраханский университет», 2006

Смирнов В.В., 2006

ПЕРВЫЙ СЕМЕСТР

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ЗАНЯТИЙ В ПЕРВОМ СЕМЕСТРЕ

№ зан.	Дата	Вид деятельности, которой должен овладеть студент	Параграф пособия для самостоятельной проработки	№ задания, которое должно быть выполнено на занятии
1		Выделение структурных элементов экспериментальных установок	1.1, 1.2	1.2
2		Выделение свойств элементов экспериментальной установки (ЭУ), значимых для воспроизведения явления	1.3	1.3
3		Корректировка определений физических явлений	1.4	1.4
4		1. Проектирование свойств элементов ЭУ, значимых для воспроизводимого явления; 2. Составление принципиальных схем ЭУ	1.5, 1.6	Контр. зад. № 1 на дом
4			1.5, 1.6	1.5, 1.6А
5		Составление принципиальных схем ЭУ	1.6 (продолжение)	1.6 Б
6		Составление принципиальных схем ЭУ для проведения физических исследований	1.7	1.7 Контр. зад. №2 на дом
7-8		Самостоятельное изучение экспериментальных установок, используемых в практикуме по общей физике	1.8	1.8
9 -16		Планирование воспроизведения физических явлений и исследований при установлении зависимости между величинами с использованием данной ЭУ (выполнение работ по графику и их защита)	2.1 (дома)	2.1 (к занятию)

ДАТА:

Занятие 1.

Учебная карта № 1

Выделение функций приборов, используемых в экспериментальной установке, описанной в методической литературе

Ориентиры при выполнении действий	Система действий
Объект исследования – вещественный или полевой объект, состояние или изменение состояния которого подлежит исследованию.	1, Выделите прибор, который выполняет функцию объекта исследования.
Воздействующий объект – тоже вещественный или полевой объект, который воздействует на объект исследования, и это воздействие является причиной изменения его состояния. Если изменения состояния объекта исследования в данном эксперименте не воспроизводится, значит, и воздействующего объекта может не быть.	2. Выделите прибор, который выполняет функцию воздействующего объекта
Управляющие элементы, с помощью которого объект исследования и воздействующий объект приводятся в контакт, обозначаются УЭа.	3. Выделите приборы, которые выполняют функцию управляющего элемента, с помощью которого объект исследования и воздействующий объект приводятся в контакт
Управляющие элементы, с помощью которого объект исследования и воздействующий объект приводятся в контакт, обозначаются УЭб.	4. Выделите приборы, которые выполняют функцию управляющего элемента, задающего параметры начального состояния объекта исследования или сам объект
Управляющие элементы, с помощью которого объект исследования и воздействующий объект приводятся в контакт, обозначаются УЭв.	5. Выделите приборы, которые выполняют функцию управляющего элемента, задающего параметры начального состояния воздействующего объекта или сам объект.
Управляющие элементы, с помощью которого объект исследования и воздействующий объект приводятся в контакт, обозначаются УЭг.	6. Выделите приборы, которые выполняют функцию управляющего элемента, создающего специфические условия взаимодействия объектов
Индикаторы – элементы ЭУ, с помощью которых обнаруживается изменение (или постоянство, или наличие) параметров состояния объекта исследования; фиксируется интенсивность воздействия воздействующего объекта.	7. Выделите приборы, которые выполняют функцию индикатора (индикаторов).

Задание 1.2. Руководствуясь учебной картой № 1, выделите структурные элементы экспериментальных установок, описания которых приведены ниже. Результаты анализа установок впишите в таблицы, приведенные в конце каждого описания.

Установка 1. Для измерения удельного сопротивления электролитов используют следующую экспериментальную установку (рис. 1).

Рис.1

Испытуемый электролит помещается в U-образную трубку. Сквозь трубки пропускают электроды – металлические стержни, заканчивающиеся круглыми пластинами. На верхних концах стержней укреплены клеммы. Между коленами трубки помещена шкала, позволяющая отмечать положение электродов. Сопротивление электролита находится по показаниям реохордного моста, включенного (вместе с электролитом) в электрическую цепь.

№ установки	Структурные элементы ЭУ
№ установки	ОИ	ВО	УЭ	Ин
1

Установка 2. Для измерения магнитной индукции магнитного поля Земли применяется прибор, называемый тангенс – гальванометром.

Рис.2. Рис.3.

Схематически устройство этого прибора показано на рис. 2. Он состоит из плоской катушки А большого диаметра (диаметр и число витков указываются на приборе). В центре помещена магнитная стрелка В. Для удобства отсчета угла поворота магнитной стрелки в приборе имеется круглая шкала С и длинная алюминиевая указательная стрелка Д, которая крепится перпендикулярно магнитной стрелке. Под действием магнитного поля Земли магнитная стрелка устанавливается в плоскости магнитного меридиана в направлении составляющей индукции В_τ. Ток, протекающий по контуру, создает магнитное поле В_х, действующее на магнитную стрелку. В случае, когда магнитная стрелка расположена в плоскости магнитного меридиана, составляющая В_х перпендикулярна В_τ (рис. 3). Под действием магнитного поля Земли и магнитного поля катушки стрелка устанавливается по направлению результирующего поля с индукцией В.

№ установки	Структурные элементы ЭУ
№ установки	ОИ	ВО	УЭ	Ин
2

Установка 3. Для нахождения момента инерции тел используют маятник Максвелла (рис.4).

Основание I оснащено регулируемыми ножками 2, которые позволяют произвести выравнивание прибора. В основании закреплена колонка 3, к которой прикреплен неподвижный верхний кронштейн 4 и подвижный нижний кронштейн 5. На верхнем кронштейне находится электромагнит 6, фотоэлектрический датчик 7 и вороток 8 для закрепления и регулирования длины нити подвески маятника. Нижний кронштейн вместе с прикрепленным к нему фотоэлектрическим датчиком 9 можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в избранном положении.

Маятник 10 - это диск, ось которого прикреплена к нити подвеса бифилярно. На диск надеваются кольца 11 для изменения момент инерции системы.

Маятник с надетым кольцом поднимается вверх. При этом нить подвеса накручивается на ось диска. В верхнем положении маятник удерживается электромагнитом. Длина нити маятника находится по миллиметровой шкале на колонке прибора. Фотоэлектрические датчики соединены с миллисекундомером.

№ установки	Структурные элементы ЭУ
№ установки	ОИ	ВО	УЭ	Ин
3

Установка 4. Для нахождения точки Кюри применяется установка, схема которой приведена на рис. 5.

В печь I помещается ферромагнитный образец 2, который нагревается спиралью 3. При протекании переменного тока через спираль 3в обмотке 4 индуцируется ток. Этот ток регистрируется микроамперметром. Первичная обмотка отделена от вторичной слоем теплоизолирующего вещества.

Температура образца измеряется термометром или термопарой. При достижении температуры Кюри магнитные свойства образца изменяются, поэтому ЭДС индукции во вторичной обмотке уменьшается.

№ установки	Структурные элементы ЭУ
№ установки	ОИ	ВО	УЭ	Ин
4

Установка 5. Для измерения удельного сопротивления металлов используется установка, общий вид которой приведен на рис. 6.

Основание /I/ снабжено регулируемыми ножками-винтами, которые позволяют произвести выравнивание положения прибора. К основанию прикреплена колонна /2/ с нанесенной метрический шкалой /3/. На колонне смонтированы два неподвижных кронштейна /4/ и один подвижный кронштейн /5/, который может передвигаться вдоль колонны и фиксироваться в любом положении.

Между верхним и нижним кронштейнами натянут металлический провод /6/. Через контактный зажим на подвижном кронштейне обеспечивается хорошее соединение с металлическим проводом, удельное сопротивление которого нужно найти. На подвижном кронштейне нанесена черта, которая облегчает нахождение по шкале длины отрезка провода, сопротивление которого измеряется.

Нижний, верхний и центральный контакты металлического провода подведены при помощи проводов низкого сопротивления к измерительной части прибора /8/, которая помещена в центральном корпусе.

Измерительные приборы измеряют силу тока в исследуемом проводнике и напряжение на его концах.

№ установки	Структурные элементы ЭУ
№ установки	ОИ	ВО	УЭ	Ин
5

Установка 6. Для нахождения коэффициента теплопроводности веществ применяется следующая установка.

Слои эталонного и исследуемого материала помещаются между тремя медными или алюминиевыми шайбами (рис. 7). Система шайб и находящихся между ними образцов располагается между нагревателем Н и холодильником X. Для уменьшения отдачи тепла металлическими шайбами и образцами в окружающее пространство на систему шайб и образцов надевается теплоизолирующая «рубашка» (например, эбонитовый или асбестовый цилиндр).

Рис. 7. Принципиальная схема установки для измерения коэффициента теплопроводности

Нагревателем служит часть проволочной спирали от маленькой электрической плитки, уложенная в вырезы керамики.

Керамика со спиралью находится в корпусе из органического стекла с отверстием в дне, диаметр которого равен диаметру металлических шайб. При установке нагревателя на верхнюю шайбу ее верхняя часть входит в вырез в дне корпуса нагревателя, чем фиксируется положение последнего.

Холодильник представляет собою металлический цилиндрический сосуд с двойными стенками и дном; в холодильнике поддерживается постоянная температура благодаря таянию находящихся в нем кусков льда.

Нагреватель и холодильник создают в системе шайб и образцов определенную разность температур. Стационарный процесс передачи теплоты достигает через 20-25 минут после начала действия нагревателя и холодильника.

Так как коэффициент теплопроводности металла во много раз больше, чем коэффициенты теплопроводности эталонного и исследуемого материалов, то градиент температуры на каждой металлической шайбе будет во много раз меньше, чем на сравниваемых образцах материалов. Можно считать, что каждая из металлических шайб имеет во всей своей толщине практически одинаковую температуру. Следовательно, температура верхней шайбы может быть принята равной температуре t₂ верхней поверхности слоя исследуемого материала, температура средней шайбы — общей температуре t нижней поверхности исследуемого образца и верхней поверхности эталонного образца, а температура нижней шайбы — температуре t₁ нижней поверхности слоя эталонного материала. В опыте достаточно измерять разность температур металлических шайб — нижней и средней t — t₁ и средней и верхней t₂ — t.

Температурным датчиком служит термопара. Ее спаи вводятся в углубления, высверленные сбоку в металлических шайбах — либо в нижнее и среднее, либо в среднее и верхнее. Измеренные при этом отклонения зеркального гальванометра п₁ — п₀ и n₂ — п₀ будут пропорциональны разностям температур между соответствующими шайбами т. е. разностям температур между верхней и нижней поверхностями эталона t— t₁ и между верхней и нижней поверхностями исследуемого образца t₂ — t.

Для измерения соответствующих отклонений гальванометра он подключается поочередно в цепь той или иной термопары.

№ установки	Структурные элементы ЭУ
№ установки	ОИ	ВО	УЭ	Ин
6

Установка 7. Для изучения зависимости коэффициента вторичной эмиссии от скорости первичных электронов производится с простейшим фотоумножителем ФЭУ-1 (фотодинатроном) с однокаскадным усилением фототока за счет вторичной эмиссии. Устройство фотодинатрона аналогично устройству вакуумного фотоэлемента (рис. 8).

Светочувствительный, например, сурьмяно-цезиевый слой, играющий роль фотокатода на внутренней поверхности стеклянного вакуумного баллончика, присоединен к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения.

На противоположной, также внутренней стороне баллончика нанесен такой же сурьмяно-цезиевый слой меньшего размера. Он является вторым электродом и носит название эмиттера. Между катодом и эмиттером -третий сквозной цилиндрический электрод или в других конструкциях сетчатый электрод, называемый анодом или коллектором фотоэлемента.

Принцип действия фотодинатрона следующий: свет падает на фотокатод К и вырывает из него фотоэлектроны. Наблюдается явление внешнего фотоэффекта. Эти электроны попадают в ускоряющее электрическое поле, созданное между катодом и анодом (рис. 9).

Так как ускоряющее поле достаточно велико (100-300В), то большая часть этих электронов пролетает сквозь сетку-анод А и достигает эмиттера Э. Ударами первичных электронов из эмиттера вырываются вторичные электроны, которые также летят к аноду и задерживаются им, так как потенциал эмиттера ниже потенциала анода. Фототок идет вместе с током вторичных электронов через сопротивление R, с концов которого разность потенциалов может быть снята для дальнейшего усиления. Число первичных фотоэлектронов n1, достигающих эмиттера, определяется по силе тока, создаваемого потоком электронов, пролетевших анод и дальше летящих по инерции к эмиттеру.

Если включить измеритель тока в цепь эмиттера, то он покажет ток I, равный разности токов вторичного и первичного, т.е. I э= I 2 - I 1

Схема установки для проведения измерений представлена на рис. 10.

№ установки	Структурные элементы ЭУ
№ установки	ОИ	ВО	УЭ	Ин
7

Отметка о зачете
Подпись преподавателя

Дата:

Занятие 2

Задание 1. 3. Выделите в приведенных ниже определениях физических явлений обобщенные знания об объектах, их взаимодействии и условиях, при которых это взаимодействие приводит к данному явлению. Результаты анализа определений запишите в таблицу №1:

Таблица № 1

Определение физического явления	Обобщенные знания о
Определение физического явления	МО - 1	МО - 2	воздействии	результате	условиях
1. Свободное падение – падение тела в безвоздушном пространстве.
2. Электрический ток – явление, заключающееся в упорядоченном перемещении зарядов.
3. Электролиз – совокупность электрохимических процессов, происходящих на электродах, погруженных в электролит, при прохождении по нему электрического тока.
4. Электромагнитная индукция – явление возникновения электродвижущей силы в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле так, что меняется магнитный поток, пронизывающий площадь контура.
5. Плавление – явление, заключающееся в переходе вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления, соответствующей данному внешнему давлению.
6. Самоиндукция – явление, заключающееся в возникновении ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока.
7. Вращательное движение вокруг оси – движение твердого тела, при котором две его точки остаются все время неподвижными.
8. Испарение – физическое явление, заключающееся в переходе жидкости в пар, происходящем со свободной поверхности жидкости.
9. Биения – явление, заключающееся в периодическом изменении амплитуды колебания, возникающее при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами.
10. Намагничивание – процесс установления намагниченности (свойства) вещества при действии на него внешним магнитным полем.
11. Дисперсия света – зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света.
12. Кавитация – явление образования в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью.
13. Пьезоэлектрический эффект – явление, заключающееся в изменении поляризации некоторых диэлектрических кристаллов при механической деформации.
14. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.
15. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми телами в вакуум или другую среду.
16. Броуновское движение – беспорядочное движение малых частиц, взвешенных а жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды.

Отметка о зачете
Подпись преподавателя

ДАТА:

Занятие 3

Задание 1. 4. В определениях физических явлений, приведенных в задании 1.3, выделите те, которые нуждаются в дополнениях и корректировке, и подкорректируйте их. Результаты работы представьте в таблице № 2:

Таблица 2

Название явления	Структурные элементы, не указанные в определении явления	Дополнения и корректировка

Контрольное задание № 1 (выполняется дома):

Выпишите из «Физического энциклопедического словаря» 10 определений любых физических явлений, выделите структурные элементы этих определений и проверьте, соответствуют ли эти определения понятию «физическое явление». Если не соответствуют, то внесите соответствующие дополнения и коррективы. Результаты работы впишите в таблицу № 4:

Таблица 4

Определение физического явления	Обобщенные знания о					Дополнения и корректировка определения
Определение физического явления	МО - 1	МО - 2	воздействии	УВ	результате	Дополнения и корректировка определения

Отметка о зачете
Подпись преподавателя

ДАТА:

Занятие 4

Задание 1.5. Установите, какими свойствами в обязательном порядке должны обладать элементы экспериментальных установок, с помощью которых можно воспроизвести явления, определения которых Вы выписывали из «Физического энциклопедического словаря». Результаты работы представьте в таблице № 5:

Таблица № 5

Название явления	Скорректированное определение явления	Обязательные свойства элементов ЭУ
Название явления	Скорректированное определение явления	ОИ	ВО	УЭ	Ин

Отметка о зачете
Подпись преподавателя

Задание 1.6. А. Выделите (обведите номер рамкой) принципиальные схемы ЭУ:

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

ДАТА:

Занятие 5

Задание 1.6. Б. Составьте принципиальные схемы экспериментальных установок, свойства элементов которых Вы установили при выполнении задания 1.5 (для воспроизведения любых пяти явлений):

Название явления__________________________________________________________