Физика лабораторные работы

Математика
Контрольная работа по математике
Примеры решения типовых задач
Вычислим интеграл
Задачи на интеграл
Свойства неопределённого интеграла
Физика задачи
Законы геометрической оптики
Точечный источник волн
Фокусное расстояние линзы
Дифракционная решетка
Оптическая пирометрия

Квантовая физика

Курс лекций по ядерным реакторам
Физика лабораторные работы
Закон преломления света
Дисперсия и поглощение света
Дифракционная решетка
Примеры задач по физике
Лабораторные работы задачи
по электротехнике
Ядерная физика
Ядерная физика лекции
Электрические цепи
Магнитное поле и магнитные цепи
Волоконно-оптические приборы
Электронные усилители
Инженерка
История искусства
Сопромат
Начертательная геометрия
Типовые задачи по начерталке
Черчение
Художники, меценаты
Инженерная графика примеры
Информатика
Информационно-вычислительные
системы и сети

Экспериментальные данные о спектрах излучения Эксперименты показывают, что при нагревании различных чистых веществ (см. таблицу Менделеева), вещества испускают электромагнитное излучение различных частот или длин волн. Набор излучаемых частот или длин волн (частоты и длины волн связаны через скорость света в вакууме соотношением

Строение атомов и теория излучения согласно квантовой механики Основные положения квантовой механики Квантовая механика базируется, как и любая другая физическая теория, на ряде постулатов.

Многоэлектронный атом. Правила распределения электронов по орбиталям. В многоэлектронных атомах вокруг положительно заряженного ядра двигается несколько электронов, их число равно порядковому номеру атома в таблице Менделеева. У многоэлектронных атомов система энергетических уровней усложняется. Это связано с тем, что каждый электрон в данном случае не только притягивается ядром, но и отталкивается другими электронами.

Качественное исследование видимой части спектра производится спектроскопами различного типа. Принцип действия этих приборов основан на явлении дисперсии света (зависимость показателя преломления от частоты или длины волны света) и законе преломления света на границе двух сред. В результате этого световые волны разных частот преломляются в призме под разными углами, что позволяет анализировать частотный состав исследуемого излучения

Закон Ампера. Характеристика магнитного поля, единицы их измерения. Движущиеся заряды /токи/ изменяют свойства окружающего  их пространства - создают в них магнитное поле. Его наличие проявляется в том, что на движущиеся в нем заряды /токи/ действуют силы, т.е. взаимодействие токов  осуществляется через магнитное поле. Закон взаимодействия токов был установлен  в 1820 году Ампером.

Явление электромагнитной индукции. При движении проводника в магнитном поле в нем возникает электродвижущая сила индукции, а если при этом проводник замкнут, то в нем появляется электрический ток индукции.

Элементы земного магнетизма. Земля представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитных сил, т.е. создается магнитное поле, которое подобно полю магнитного диполя “ав” помещенного в центре Земли

Переменное электрическое поле обуславливает возникновение магнитного поля, а переменное магнитное поле – возникновение вихревого электрического поля. Таким образом, переменные электрическое и магнитные поля тесно взаимосвязаны, они образуют единое электромагнитное поле. Связь между характеристиками электромагнитного поля определяется системой уравнений Максвелла

 Измерение физических величин Физическими величинами называются характеристики свойств тел или процессов, которые могут быть определены количественно при помощи измерений. Измерение представляет собой познавательный процесс. заключающийся в сравнении данной величины опытным путем с некоторым ее значением, условно принятым за единицу измерения.

Назначение и устройство ИКГ. Оптиметр - оптикомеханический прибор, который служит для измерения линейных размеров абсолютным (в пределах шкалы) или относительным (сравнением о концевой мерой мины) методами. На горизонтальном оптиметре можно производить измерения толщины пластинок, диаметра шариков, внутренних диаметров.

В динамике вращательного движения момент инерции играет ту же роль, что и масса в динамике поступательного движения: он определяет величину углового ускорения , получаемого телом под действием данного момента силы

Механическим движением называется изменение с течением времени взаимного положения тел или частей тела друг относительно друга.

Проверка второго закона Ньютона и уравнений равноускоренного прямолинейного движения.

Законы сохранения в механике В природе существует несколько законов сохранения; одни из них считают точными, другие - приближенными. Законы сохранения обычно являются следствием симметрии пространства и времени.

Ознакомление со сложным движением твердого тела, совершающего вращательное движение одновременно с поступательным перемещением на примере движения маятника Максвелла. Экспериментальное определение момента инерции маятника и сопоставление его с теоретически рассчитанным значением.

Изучить затухающие колебания и определить основные пареметры затухания камертона.

Идеальным называется газ, при рассмотрении которого пренебрегают силами межмолекулярного взаимодействия и размерами молекул. Все реальные газы при достаточно высоких температурах и достаточно низких давлениях мало отличаются по своим свойствам от идеального газа, поэтому выводы, полученные для идеального газа, широко используются для решения практических задач.

Экспериментально определить молярную газовую постоянную

Ознакомиться с методами получения и измерения вакуума. Определить скорость откачки форвакуумного насоса.

Количество вещества – физическая величина, характеризующая число структурных элементов, содержащихся в данной системе, Это могут быть атомы, молекулы, а также ионы, электроны и другие частицы. Единицей количества вещества в СИ является 1 моль. 1 моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12С. В одном моле любого вещества содержится 6,022·1023 структурных элементов (число Авогадро).

Экспериментально определить отношение теплоемкостей ср/сv для воздуха и сравнить полученные результаты с выводами молекулярно – кинетической теории газов.

Понятие о внутреннем трении Между движущимися слоями при движении жидкости (или газа) возникают силы трения. Со стороны слоя, движущегося более быстро, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на более быстрый слой действует задерживающая сила. Эти силы, называемые силами внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.

Ознакомиться с понятием внутреннего трения и с теорией метода; измерить коэффициент вязкости касторового масла.

Измерение показателя преломления жидкости рефрактометром АББЕ

Интерференция света В оптике существует ряд явлений, которые можно объяснить в рамках волновых представлений о природе света. К ним относятся интерференция, дифракция и поляризация света.

Изучить оптическую схему для наблюдения колец Ньютона, определить радиус кривизны линзы.

Изучить принцип действия интерферометра Рэлея, определить разность показателей преломления раствора поваренной соли и дистиллированной воды.

Естественный и поляризованный свет Свет, в котором представлены электромагнитные волны со всевозможными направлениями колебаний векторов напряженностей электрического поля Е и магнитного поля Н (удовлетворяющими условиям взаимной перпендикулярности и перпендикулярности к направлению распространения волны, называется естественным светом. Естественный свет неполяризованный.

Интерференция поляризованного света. Обыкновенная и необыкновенная волны, возникающие в одноосном кристалле при падении на него плоскополяризованного света, когерентны и при определенных условиях могут интерферировать между собой. (Теория интерференции света и условия, необходимые для наблюдения интерференции подробно описаны в руководстве к лабораторным работам «Интерференция света»

В однородной среде световые лучи распространяется прямолинейно. Если на их пути имеется препятствие, то может наблюдаться явление дифракции – отклонение света от прямолинейного распространения. Свет, огибая препятствия, попадает в область геометрической тени. Дифракция происходит в том случае, если размеры препятствия или отверстий приблизительно равны длине световой волны.

В работе применяется простейшая дифракционная решетка прозрачного типа. На плоскую стеклянную поверхность нанесены штрихи одинаковой формы

Изучить возникновение внутренних напряжений в деформированных аморфных телах методом интерференции поляризованных лучей.

 Метод анализа, основанный на сравнении интенсивности окрасок исследуемого и стандартного растворов, называется калориметрическим. В основе его лежит закон Бугера-Ламберта-Беера

Оптическая пирометрия Для измерения температуры раскаленных, а также самосветящихся тел, удаленных от наблюдателя (например, звезд), используются методы оптической пирометрии. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивно­сти их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называют пирометрами

Ознакомиться с законами теплового излучения, изучить принцип работы радиационного пирометра, измерить с его помощью температуру нагретого тела (нити накала кинолампы), определить величину постоянной Стефана - Больцмана.

Изучить явление внешнего фотоэффекта, его законы, определить красную границу фотоэффекта и работу выхода электрона с поверхности металла.

Применение универсального фотометра ФМ-56 для получения спектральных характеристик поглощения  твердого прозрачного образца

Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам

 Работа выхода электрона из металла. Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном тепловом движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большой кинетической энергией, могут вырваться из металла в окружающее пространство.

Кулоновские и сторонние силы. Электродвижущая сила. Электроны и ионы в проводниках создают электростатическое поле, называемое полем кулоновских сил. Кулоновские силы взаи­модействия между зарядами всегда приводят к такому перераспределению свободных зарядов, при котором электрическое поде в проводнике исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются.

Принцип действия электронных ламп. Электроны удерживаются внутри металла. Значит,  вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла.

Исследование температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников, определение температурного коэффициента  сопротивления металла и ширины запрещенной зоны полупроводника.

Принцип выпрямления и сглаживания тока. В основе работы всякого выпрямительного устройства  лежит использование свойства проводящего элемента электрической схемы, в котором сила тока зависит не только от величины, но и от направле­ния приложенного к нему напряжения. Сила тока в таких проводниках не подчиняется закону Ома (нелинейный проводник).

Описание мастиковой схемы. Правила Кирхгофа. Мостиковая схема постоянного тока, называемая мостиком Уитстона, состоит  из четырех сопротивлений Rx, R, R1, R2 , соединенных в четырехугольник АВСД

Колебательный контур представляет собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности L и конденсатора С, в которой могут возбуждаться электрические колебания.

Изучение цепи переменного тока Если в электрической цепи действует периодически изменяющаяся электродвижущая сила, то в ней возникают колебания тока и напряжения. Амплитуды и фазы этих колебаний на разных элементах цепи – сопро-тивлении (R), индуктивности (L) и емкости (C) - будут разными.

Полярные и неполярные диэлектрики. Вектор поляризации Диэлектрики (термин введен Майклом Фарадеем) – это вещества, в которых может длительно существовать электрическое поле. Согласно классическим представлениям диэлектрики при не очень высоких температурах и отсутствии внешнего электрического поля не имеют свободных электрических зарядов. Все электрические заряды внутри диэлектрика являются связанными. Связанными принято называть заряды, входящие в состав атомов и молекул.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения (КПН) дистиллированной воды при комнатной температуре.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Цель работы: определить абсолютную и относительную влажность воздуха для температуры окружающей среды на время измерения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДИАБАТИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ ВОЗДУХА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛЫ

Цель работы: экспериментальное определение эффективного диаметра и длины свободного пробега молекулы воздуха.

Цель работы: определить показатель адиабаты для воздуха.

Обработка результатов измерений на примере задачи определения обьема цилиндра

Цель работы: ознакомиться с методом обработки результатов измерений.

Порядок обработки результатов измерений

МАЯТНИК ОБЕРБЕКА

Цель: познакомиться с динамическими характеристиками вращательного движения твердого тела, а также с использованием основного закона динамики вращательного движения.

ФИЗИЧЕСКИЙ МАЯТНИК

Цель: познакомиться с методом определения моментов инерции тел.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Цель работы: ознакомиться с методом моделирования электростатического поля с помощью электропроводной бумаги; исследовать электростатическое поле плоского и цилиндрического конденсаторов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА КОМПЕНСАЦИОННЫМ МЕТОДОМ 

Цель работы: ознакомиться с компенсационным методом измерения ЭДС.

Определение магнитной индукции В МЕЖПОЛЮСНОМ ЗАЗОРЕ ПРИБОРА магнитоэлектрической системы

Цель работы: ознакомиться с принципом действия измерительного прибора магнитоэлектрической системы, определить величину индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора, исследовать графически зависимость угла поворота рамки прибора от силы тока в ней.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

Цель работы: пронаблюдать на опыте интерференцию света в тонкой пленке (в воздушном слое между линзой и пластинкой) в виде колец Ньютона и познакомиться с методом определения радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона.

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ СВЕТА тС ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Цель работы: изучить явление дифракции в монохроматическом свете при помощи дифракционной решетки и щели.

Дифракционная решетка

Рассмотрим дифракцию на одномерной дифракционной решетке, так как этот случай дифракции находит широкое применение во многих экспериментальных методах спектрального анализа.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы: снять вольт-амперную и люкс-амперную характеристики вакуумного фотоэлемента и фотосопротивления.

 

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ

ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Цель работы: определить коэффициент динамической вязкости касторового масла.

Оборудование: цилиндр с касторовым маслом, секундомер, свинцовые шарики, микрометр, вискозиметры.

Основание к допуску

Иметь краткий конспект теоретической части и практического выполнения работы.

Знать порядок выполнения лабораторной работы.

Основание к зачету

Иметь оформленный отчет, расчеты, сделанные в СИ, оценки погрешностей и выводов.

Ответить на вопросы:

Как записывается уравнение Ньютона для внутреннего трения?

Что показывает градиент скорости? В каких единицах он измеряется?

Каков физический смысл коэффициента динамической вязкости? В каких единицах он измеряется?

Записать уравнение Стокса.

От чего зависит сила трения при движении тел шарообразной формы в вязкой среде?

Какие силы действуют на падающий в вязкой среде шарик, и каков характер движения шарика?

Какую роль играет на практике вязкость жидкостей?

Краткая теория

Внутреннее трение (вязкость) – это свойство реальных жидкостей (или газов) благодаря которому выравнивается скорость движения различных слоев. Вязкость проявляется в том, что возникающее в жидкости движение после устранения причин, его вызывающих, постепенно прекращается.

По вязкости судят о качестве продуктов питания, например, молочных продуктов, сахара, сиропов, сока и т. д. В виноделии выдержка вина – ответственный технологический процесс при котором происходят различные физические процессы: осаждение взвешенных частиц и испарение летучих компонентов. Скорость осаждения частиц в вине зависит от размеров частиц (метод Стокса в лабораторной работе) и она во много раз увеличивается при введении сорбентов и флокулянтов. Чтобы избежать нежелательного влияния конвекции выдержку вин проводят в помещениях с постоянной температурой и отсутствием вибрации. При хранении вина в дубовых бочках необходимо поддержать температуру, поскольку при повышении температуры скорость перемещения вина по капиллярам (порам) дубовой клепки увеличивается вследствие уменьшения вязкости. В биологических системах вязкость оказывает влияние на протекание ряда процессов в живом организме (диффузия веществ, подвижность ионов).

Численные значения коэффициентов динамической вязкости необходимы для расчетов трубопроводов в аппаратах пищевых производств. Продукты с низким коэффициентом вязкости могут легко разливаться на простом оборудовании, но они образуют пену, в то время как некоторые плотные продукты, имеющие консистенцию сливок, расфасовываются очень легко, поскольку вообще не дают пены. Чтобы свести вспенивание к минимуму и обеспечить регулируемый поток жидкости при розливе в упаковку, следует правильно выбрать тип штуцера с учетом вязкости продукта и поверхностного натяжения.

Внутреннее трение относится к явлениям переноса. Рассмотрим медленное течение жидкости в трубе под действием постоянной внешней разности давлений, направленной вдоль движения (рис. 8а). Скорости движения разных слоев в ней будут неодинаковы: наибольшее ее значение в центре и минимальное (близкое к нулю) – у стенок.

а) б)

Рис. 8.

Это связано с тем, что, наряду с направленным движением вдоль трубы, молекулы жидкости из-за хаотического (теплового) движения переходят из слоя в слой.

При таком переходе происходит перенос импульса направленного движения из слоя в слой, что приводит к ускорению слоя, движущегося более медленно, и замедлению слоя, движущегося быстрее.

Сила внутреннего трения, возникающая при относительном перемещении слоев жидкости, определяется формулой Ньютона:

, (6.1)

где h – коэффициент внутреннего трения (динамической вязкости) жидкости,  – градиент скорости – векторная величина, направленная перпендикулярно вектору скорости и показывающая изменение скорости на единице расстояния между слоями (рис. 8б), измеряется в с-1, S – площадь соприкасающихся слоев.

Из (4.1) следует:

. (6.2)

Для выяснения физического смысла коэффициента η подставим в уравнении (6.2) , а S=1м2.

Тогда h =, т. е. коэффициентом динамической вязкости называется физическая величина, численно равная силе внутреннего трения, действующей на единицу площади соприкасающихся слоев, при градиенте скорости равном 1 (единице).

В системе «СИ» коэффициент динамической вязкости измеряется в Па × с.

Экспериментальная часть

Коэффициент динамической вязкости может быть измерен методом Стокса, который основан на измерении скорости шарика, равномерно падающего в вязкой среде.

Рис. 9

На шарик, свободно падающий в вязкой среде, действуют следующие силы (рис. 9):

1) сила тяжести шарика:

, (6.3)

где m – масса шарика, g – ускорение силы тяжести, r2 – плотность материала шарика, V – объем шарика, r – радиус шарика;

2) выталкивающая сила Архимеда:

, (6.4)

где FA – равна весу вытесненной шариком жидкости,  – объем вытесненной шариком жидкости, r1 – плотность жидкости;

3) сила сопротивления движению (сила Стокса), обусловленная силами внутреннего трения между слоями жидкости, которая для малых скоростей падения небольших шарообразных тел, как показал Стокс, равна:

Fc = 6 π r η υ. (6.5)

где υ – скорость падения шарика, r – радиус шарика.

Вначале шарик движется ускоренно, но по мере увеличения скорости падения шарика сила сопротивления Fс будет тоже возрастать, и наступит такой момент, когда сила тяжести уравновесится выталкивающей силой и силой сопротивления:

F = FC + FA . (6.6)

Движение шарика станет равномерным.

Подставляя в (6.6) соответствующие значения (6.3), (6.4) и (6.5), получим

или

 (6.7)

Из уравнения (6.7) определим коэффициент динамической вязкости

. (6.8)

где d = 2r – диаметр шарика, h – расстояние его падения по вертикали.

В формуле (6.8) выражение

 (6.9)

постоянное, поэтому рабочая формула приобретает вид

. (6.10)

Порядок выполнения работы

Задание 1

Найдите в таблице и запишите плотности касторового масла и свинца и рассчитайте константу С по формуле (6.9).

Микрометром измерьте диаметр шарика и его значение запишите в таблицу 1.

Опустите шарик в цилиндр с касторовым маслом ближе к оси, и секундомером измерьте время t прохождения шариком расстояние h между метками «а» и «б» (h = 0,2 м).

Рассчитайте коэффициент динамической вязкости по формуле (6.10).

Повторите указанный опыт 6 раз и занесите данные в таблицу 1.

Таблица 1

1

2

3

4

5

6

d, м

t, c

η, Па·с

По данным таблицы 1 рассчитайте среднее значение величины ηср.

Истинное значение коэффициента динамической вязкости ηТ, выпишите из таблицы в соответствии с температурой масла на время измерений.

Рассчитайте погрешность измерений по формуле

 (6.11)

Задание 2

Проделайте те же измерения и расчеты, что и в пунктах 1-8 задания 1 для раствора глицерина в воде (95 %).

Занесите данные в таблицу 2.

Таблица 2

1

2

3

4

5

6

d, м

t, c

η, Па·с

Рассчитайте погрешность измерений по формуле (6.11).

Сравните результаты измерений с табличными и проанализируйте их.

Примеры задач по физике, математике