Методические указания для выполнения лабораторных занятий физического практикума
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ
ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Воронежской области
«Семилукский политехнический колледж»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА
Преподаватель Цицилина Н. В.
Предлагаемые методические указания представляют собой физический практикум по лабораторным работам для студентов по всему курсу физики.
Основная цель пособия – способствовать формированию у студентов ключевых учебных и личностных компетенций, а также развитию творческих компетенций.
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) задачи с использованием фотографий треков заряженных частиц.
Лабораторные работы составлены по разделам курса физики согласно разработанной рабочей программе и выполняются на типовом лабораторном оборудовании, что позволяет вести обучение физике на экспериментальной основе.
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.
Основная цель пособия – способствовать формированию у студентов ключевых учебных и личностных компетенций, а также развитию творческих компетенций.
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 полученных знаний и умений.
Целями выполнения лабораторных и практических работ является:
обобщение, систематизация, углубление, закрепление полученных теоретических знаний по конкретным темам дисциплины;
формирование умений применять полученные знания на практике, реализация единства интеллектуальной и практической деятельности;
развитие интеллектуальных умений у будущих квалифицированных рабочих; аналитических, проектировочных, конструктивных и др.
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:
Дата, наименование и номер работы;
Перечень оборудования;
Схема или зарисовка установки;
Запись цены деления шкалы измерительного прибора;
Таблица результатов измерений и вычислений заполняется по ходу работы;
Расчетная формула, обработка результатов измерений и определение относительной погрешности.
Ответы на контрольные вопросы.
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 получившие зачет, к экзамену не допускаются.
Лабораторные работы - основные виды учебных занятий, направленные на экспериментальное подтверждение теоретических положений и формирование учебных и профессиональных практических умений.
Раздел II. Указания к выполнению лабораторных работ
Физический практикум
Лабораторное занятие № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА МЕДИ
Ответить на вопросы:
В чем заключается физический смысл электрохимического эквивалента вещества?
Сформулируйте закон Фарадея для электролиза.
Применение электролиза.
Литература: Ф11 Касьянов 13 EMBED Equation.3 141516.
Оборудование: весы ученические, разновесы, амперметр, секундомер, источник тока, реостат, ключ, электроды медные, сосуд с раствором медного купороса, соединительные провода.
ХОД РАБОТЫ:
Взвесить медный электрод, который служит катодом:
m1 = кг
Собрать электрическую цепь, соединив последовательно источник тока, амперметр, реостат, сосуд с раствором медного купороса и ключ.
Замкнуть цепь, установить силу тока 1 или 1,5 А, заметив время начала опыта.
При помощи реостата поддерживать постоянную силу тока в течение опыта, продолжающегося 10-15 мин.
Разомкнуть цепь, вынуть и обсушить катод, снова его взвесить:
m2 = кг
Определить массу выделившейся меди: m= m2 - m1.
Вычислить значение электрохимического эквивалента меди по формуле:
k = 13 EMBED Equation.3 1415.
Сделать вывод.
Физический практикум
Лабораторное занятие № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КАПИЛЛЯРОВ
Ответить на вопросы:
Что называется капилляром?
Особенности жидкого состояния вещества?
Литература: Ф10 Касьянов 13 EMBED Equation.3 141547, 64.
Оборудование: промокательная бумага, сосуд с водой , линейка, часы.
ХОД РАБОТЫ:
Промокательную бумагу опустить в сосуд с водой до метки.
В течение двух минут наблюдать поднятие воды по капиллярам в промокательной бумаге.
Вынуть бумагу и измерить высоту поднятия воды h=. М.
Проделать опыт несколько раз, определить среднее значение.
Вычислить радиус капилляров в бумаге по формуле:
r = 13 EMBED Equation.3 1415=.м.
где 13 EMBED Equation.3 1415- коэффициент поверхностного натяжения воды, 13 EMBED Equation.3 1415= 7310-3 Н/м;
13 EMBED Equation.3 1415- плотность воды, 13 EMBED Equation.3 1415= 1 103 кг/м3;
g- ускорение свободного падения, g=9,8 м/с2;
h- высота поднятия воды в капиллярах.
Сделать вывод в работе.
Физический практикум
Лабораторное занятие № 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА
Ответить на вопросы:
Что представляет собой конденсатор? Виды конденсаторов.
Принцип работы клавиатуры компьютера.
Почему емкость конденсатора постоянна?
От чего и как зависит емкость простейшего конденсатора? Запишите формулу этой емкости.
Как надо соединить конденсаторы, чтобы их общая емкость увеличилась? Уменьшилась?
Литература: Ф10 Громов 13 EMBED Equation.3 141567, Ф10 Касьянов 13 EMBED Equation.3 141589.
Оборудование: конденсатор известной емкости С, двухполюсной переключатель, источник тока, конденсатор неизвестной емкости Сх , соединительные провода.
ХОД РАБОТЫ:
Собрать электрическую цепь по схеме:
+ мА +
-
Начертить таблицу
№
опыта
Отклонение стрелки прибора при С, 13 EMBED Equation.3 14151
Отклонение стрелки прибора при Сх, 13 EMBED Equation.3 14152
1
2
Среднее
Зарядить конденсатор (в течение 2 мин), разрядить на прибор.
Показания миллиамперметра занести в таблицу.
Опыт повторить. Найти среднее значение для 13 EMBED Equation.3 14151 и 13 EMBED Equation.3 14152 .
Рассчитать емкость неизвестного конденсатора по формуле:
Сх = С 13 EMBED Equation.3 1415
Сделать вывод к работе.
Физический практикум
Лабораторное занятие № 4
ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ
Ответить на вопросы:
Что называют удельным сопротивлением?
Как меняется сопротивление металлов с изменением температуры?
В каких устройствах (приборах) используют зависимость сопротивления от температуры? Для чего нужны такие приборы?
Литература: Касьянов В.А., Физика 11,13 EMBED Equation.3 14156,13 EMBED Equation.3 14157.
Оборудование: микроамперметр, термометр, 2 две соединенные термопары, два стакана от калориметра с водой, штатив, электроплитка, провода, спички или сухое горючее.
ХОД РАБОТЫ:
Присоедините микроамперметр к клеммам термопар (красный провод к красной клемме).
Опустите правую термопару в стакан с водой, левую термопару – в стакан на плитке.
По мере нагревания воды снимите показания микроамперметра при температуре: 00С, 200С, 400С, 600С, 800С, 1000С.
Заполните таблицу:
Температура,
0С.
0
20
40
60
80
100
Пламя
Сила тока, мкА.
По данным таблицы постройте график I(t0).
I
013 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 t0
Продолжите график в стороны больших пределов.
Поместите термопару, находившуюся в горячей воде в пламя.
Определите показания микроамперметра.
По графику определите температуру пламени.
Сделайте вывод к работе.
Физический практикум
Лабораторное занятие №5
Определение оптической силы и фокусного расстояния линзы
Цель работы: научиться на практике, получать изображения с помощью двояковыпуклой линзы и находить фокусное расстояние.
Оснащение работы:
Оборудование: двояковыпуклая линза, экран, линейка, источник света.
Литература: Касьянов В.А., Физика 11,13 EMBED Equation.3 141559-13 EMBED Equation.3 141562,13 EMBED Equation.3 141566.
Ход работы:
I. Получить: увеличенное, действительное и обратное изображение
1. Для этого между источником света и экраном поместить линзу и передвигая ее получить данное изображение
2. Измерить расстояния d и f, определить фокусное расстояние и оптическую силу линзы
3. Построить изображение
II. Получить: уменьшенное, действительное и обратное изображение
1. Сделать измерения d и f, определить фокусное расстояние и оптическую силу линзы во втором опыте
2. Построить изображение
3. Определить среднее значение Д ср и сделать проверку
4. Проверка. Получить действительное, обратное равное изображение, поместить линзу между экраном и источником света так, чтобы d и f равнялись двойному фокусному расстоянию. Если изображение не получится равным, опыт повторить.
5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:
№ опыта
d,м
f,м
F, м
Д,
дптр
Дср,
дптр
В=f/d
Вид изобр
Контрольные вопросы:
Что такое линза?
Что необходимо знать для нахождения фокусного расстояния по формуле линзы?
Что такое оптическая сила линзы, и какими единицами она измеряется? (дать определение)
Чем отличается линзы выпуклые от вогнутых линз по оптическим параметрам?
Назвать типы изображений. Что такое мнимое и действительное изображение?
Какова роль линз при устранении дальнозоркости и близорукости глаз?
Физический практикум
Лабораторное занятие № 6
Изучение явления фотоэффекта
Цель работы: определить задерживающее напряжение, максимальную кинетическую энергию выбитых электронов и работу выхода.
Оснащение работы:
Оборудование: вакуумный фотоэлемент на панели, потенциометр, миллиамперметр, вольтметр, метр, светофильтр из школьного набора светофильтров с известной частотой
· пропускаемого света, источник электрической энергии, электрическая лампочка в патроне и с вилкой для включения в осветительную цепь, ключ, соединительные провода, миллиметровая бумага.
Литература: Касьянов В.А., Физика 11, 13 EMBED Equation.3 141574.
Ход работы:
Составить электрическую цепь по схеме на рис.13, соединив катод фотоэлемента с зажимом «+», анод с «-» источника электрической энергии.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис.13
Установить светофильтр С перед фотоэлементом и осветить его, включив электрическую лампочку S.
Замкнуть цепь. С помощью потенциометра получить в цепи наименьшее напряжение. Снять показание измерительных приборов.
Плавно изменять положение скользящего контакта потенциометра, увеличивая напряжение, подаваемое на фотоэлемент. Снять 5-7 показаний измерительных приборов.
Получить напряжение, при котором фототок равен нулю. Записать показание Uз вольтметра.
Вычислить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, используя соотношение
mv max/2 = eUзап
Вычислить работу выхода электрона, используя соотношение
hv = Авых + mv max/2
Выразить работу выхода в электрон-вольтах.
Результаты измерений, вычислений записать в таблицу:
№ опыта
Частота излучения
v, Гц
Сила фототока
Iф, А
Напряжение, подаваемое на фотоэлемент, U, В
Максимальная энергия фотоэлектронов Ек, Дж
Работа выхода Авых, Дж
Работа выхода Авых, эВ
Контрольные вопросы:
Рассказать об устройстве, принципе действия и назначении фотоэлементов.
Начертить вольтамперную характеристику фотоэлемента; объяснить ход графика.
Привести примеры практического использования фотоэлементов.
Сформируйте законы внешнего фотоэффекта.
Какое уравнение дает теоретическое обоснование законам фотоэффекта? Запишите его. На основании, какого закона это уравнение записывается?
Физический практикум
Лабораторное занятие №7
Изучение устройства и работы трансформатора
Цель работы: смоделировать трансформатор и определить коэффициент трансформации
Оснащение работы:
Оборудование: трансформатор, вольтметр переменного тока, амперметр, соединительные провода, источник электрической энергии.
Литература: Касьянов В.А., Физика 11, 13 EMBED Equation.3 141535,13 EMBED Equation.3 141539.
Ход работы:
Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 7.
Рис.7
Измерить первичное и вторичное напряжение
Определить коэффициент трансформации и сделать вывод
Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 8.
Рис.8
Снять показания амперметра
Определить ток в первичной цепи
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:
U1,B
U2,B
к
I 1, A
I 2, A
Контрольные вопросы:
Назначение трансформатора. Кем и когда он был изобретен?
Назвать основные элементы устройства трансформатора.
Объяснить принцип работы трансформатора.
Что называют коэффициентом трансформации?
Какой трансформатор называют повышающим? Какой понижающим? Каков коэффициент трансформации у каждого из них?
С какой целью для передачи электрической энергии используют трансформатор? Ответ обосновать.
Какие виды электростанций можете назвать?
Что вы знаете о единой энергетической системе?
Физический практикум
Лабораторное занятие № 9
Изучение электрических свойств полупроводников
Цель работы: на опыте убедиться в односторонней проводимости диода и графически представить вольтамперную характеристику диода.
Оснащение работы:
Оборудование: источник электрического питания, амперметр, диод, реостат, соединительные провода, ключ, вольтметр, лампочка на подставке.
Литература: Касьянов В.А., Физика 11, 13 EMBED Equation.3 141545.
Ход работы:
I. Проверка односторонней проводимости диода.
1. Собрать цепь по схеме, изображенной на рисунке 5.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис.5
2. Диод включить по схеме в прямом направлении. Замкнуть цепь, отметить показания амперметра.
Диод включить в обратном направлении. Замкнуть цепь, отметить показания амперметра.
По результатам наблюдений сделать вывод.
II. Снятие вольтамперной характеристики диода.
1. Диод включить в прямом направлении. Замкнуть цепь, установить наименьшее значение напряжения. Снять показания приборов.
2. Перемещая постепенно движок реостата, снять 4-5 раз показания приборов.
3. По результатам измерений построить вольтамперную характеристику диода.
Контрольные вопросы:
В чем различие проводимости проводников и полупроводников?
Нарисуйте схему вакуумного диода и объясните принцип его работы.
В чем состоит основное свойство диода?
Как объяснить уменьшение удельной проводимости полупроводника при уменьшении температуры?
По вольтамперной характеристике диода определить чему равно внутреннее сопротивление диода при включении в прямом и обратном направлениях.
Unp=0,3(B)
Uo6p= -400 (В)
Физический практикум
Лабораторное занятие № 11
Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям
Цель работы: познакомиться с методом вычисления отношения заряда к массе частицы по фотографиям ее трека.
Оснащение работы
Оборудование: фотография треков заряженных частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, линейка измерительная, транспортир, лист кальки размером 60 х 90 мм.
Литература:
Определите направление силовых линий магнитного поля.
Укажите причины, по которым толщина и кривизна трека протона увеличиваются к концу его пробега.
Измерьте радиус кривизны трека протона к концу его движения и вычислите его энергию в этом месте, а также величину изменения энергии по сравнению начальной.
Определите, ядро какого элемента распалось в точке а, если известно, что здесь произошла реакция с захватом одного нейтрона (т.е. нейтрон проник в ядро), а при распаде, кроме двух протонов и двух (-частиц, образовались еще нейтроны.
Какие частицы составляют «звезду» распада в точке б? в точке с?
На фотографии (рис.14) запечатлены треки частиц, полученных при распаде атомных ядер (так называемые “звёзды” распада), в камере Вильсона. Распады ядер вызваны действием нейтронов с энергией 90 МэВ, двигавшихся в направлении, указанном стрелкой. На снимке видны три “звезды” распада и полный пробег одного протона с начальной кинетической энергией 1,8 МэВ. Камера помещена в однородное магнитное поле с индукцией 1,3 Тл, направленное перпендикулярно фотографии.
На фотографии треков заряженных частиц, двигавшихся в магнитном поле, находят два наиболее искривленных трека. Модули начальных скоростей частиц одинаковы. Левый трек принадлежат ядру атома водорода, правый – неизвестной частице. Отношение заряда атома водорода к его массе равно 9,6 х 107 Кл/кг. Необходимо найти отношение заряда к массе неизвестной частицы.
Перед началом работы оба трека осторожно переносят на кальку и измеряют радиусы их кривизны. В средних участках треков проводят по две хорды и в середине к ним восставляют перпендикуляры. Точки пересечения перпендикуляров будут центрами кривизны треков. Затем измеряют радиусы кривизны с помощью измерительной линейки, учитывая масштаб снимка.
Далее выводят расчетную формулу.
На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, вектор которой перпендикулярен вектору скорости частицы. Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение. Согласно второму закону Ньютона, сила Лоренца равна:
q( B=m(2/R.
Отсюда модуль скорости неизвестной частицы (1 будет равен:
(1=q1R1B/ m1,
где q1 – заряд частицы, m1 – масса частицы, R1 – радиус кривизны трека, B – модуль магнитной индукции.
Рис.14
Модуль скорости ядра атома водорода (2 равен:
(2= q2R2B/ m2,
где q2 – заряд ядра атома водорода, m2 – масса ядра атома водорода, R2 – радиус кривизны трека.
Так как по условию
(1=(2, то q1R1B/m1= q2R2B/m2
Отсюда q1/m1= q2R2/m2R1.
Контрольные вопросы:
Почему треки ядер атомов имеют разную толщину?
Чем отличаются треки частиц, полученные в фотоэмульсии, от треков частиц в камере Вильсона и пузырьковой камере?
Перечислите известные вам три косвенных метода исследования ядра.
Какие параметры частиц определяют по длине и толщине треков в камере Вильсона?
Какие параметры частиц определяют по искривленным трекам в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле?
Физический практикум
Лабораторное занятие № 12
Наблюдение роста кристаллов из раствора
Цель работы:
Научиться создавать кристаллы, пронаблюдать за ростом кристалла.
Оборудование:
стакан, вода, кастрюля, карандаш, нить, соль или сахар.
Ход работы:
Взять 2 части воды и 1 часть соли.
Нагреть раствор.
Перелить раствор в стакан.
Привязать к карандашу нить, чтобы она опустилась в раствор.
Положить карандаш сверху стакана.
Оставить стакан на несколько дней.
Посмотреть, что образовалось на нити.
Сделать вывод, оформить отчет (с фото).
C
*S
V
mA
К
Root Entry