МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ

МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ
РАБОТ
по физике- 10 класс.
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике составлены
в соответствии с программой по физике. Методические указания предполагают краткую
теоретическую подготовку по данной теме с составлением отчета по указанной теме
лабораторной работы; ознакомление с приборами, сборку схем; проведение опыта и
измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и сдачу зачета
по выполненной работе.
Письменные инструкции к каждой лабораторной работе, приведенные в данном
пособии, не только позволяют определить порядок выполнения работы, но предполагают
контрольные вопросы по каждой теме.
Содержание
Введение.
Лабораторная работа №1
Изучение движения под действием сил упругости и тяжести.
Лабораторная работа №2
Изучение закона сохранения энергии.
Лабораторная работа №3
Опытная проверка закона Гей-Люсака.
Введение
Цель данного пособия – помочь обучающимся выполнить лабораторные работы,
предусмотренные программой по физике, научить правильно, определять погрешности и
производить необходимую числовую обработку результатов лабораторного эксперимента.
Весь процесс выполнения лабораторных работ включает в себя теоретическую
подготовку, ознакомление с приборами и сборку схем, проведение опыта и измерений,
числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и сдачу зачета по
выполненной работе.
Теоретическая подготовка
Теоретическая подготовка необходима для проведения физического эксперимента,
должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует
начинать внимательным разбором руководства к данной лабораторной работе.
Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на
понимание физической сущности процесса.
Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые
обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы.
Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со
следующим порядком записей:
1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Оборудование.
4. Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для
определения величин, а так же расчетные формулы для определения
погрешностей измеряемых величин).
5. Расчеты – окончательная запись результатов работы.
6. Вывод.
Ознакомление с приборами, сборка схем
Приступая к лабораторным работам, необходимо:
1) получить у лаборанта приборы, требуемые для выполнения работы;
2) разобраться в назначении приборов и принадлежностей в соответствии с их
техническими данными;
3) пользуясь схемой или рисунками, имеющимися в пособии, разместить приборы
так, чтобы удобно было производить отсчеты, а затем собрать установку;
4) сборку электрических схем следует производить после тщательного изучения
правил выполнения лабораторных работ по электричеству.
Проведение опыта и измерений
При выполнении лабораторных работ измерение физических величин необходимо
проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.
Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при
измерении нужных физических величин. Например,
точность измерения времени с
помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и
в значительной степени – от своевременности включения и выключения часового
механизма.
Критерии оценок лабораторных работ
Оценка «5» (отлично) ставится, если обучающийся выполняет работу в полном
объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и
измерений; самостоятельно и рационально монтирует необходимое оборудование; все
опыты проводит в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных
результатов и выводов; соблюдает требования правил безопасного труда; в отчете
правильно и аккуратно выполняет все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики,
вычисления; правильно выполняет анализ погрешностей.
Оценка «4» (хорошо) ставится, если выполнены требования к оценке 5, но было
допущено два-три недочета, не более одной негрубой ошибки и одного недочета.
Оценка «3» (удовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью,
но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и
выводы; если в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.
Оценка «2» (неудовлетворительно) ставится, если работа выполнена не
полностью и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов;
если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.
Лабораторные работы выполняются по письменным инструкциям, которые
приводятся в данном пособии. Каждая инструкция содержит краткие теоретические
сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, порядок
выполнения работы, контрольные вопросы.
Внимательное изучение методических указаний поможет выполнить работу.
Лабораторная работа 1.
ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ПО ОКРУЖНОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛ
УПРУГОСТИ И ТЯЖЕСТИ
Цель работы: определение центростремительного ускорения шарика при его равномерном
движении по окружности.
Теоретическая часть работы.
Эксперименты проводятся с коническим маятником. Небольшой
шарик движется по окружности радиуса R. При этом нить АВ, к
которой прикреплен шарик, описывает поверхность прямого
кругового конуса. На шарик действуют две силы: сила
тяжести
и натяжение нити
(рис. а). Они создают
центростремительное ускорение
, направленное по радиусу к
центру окружности. Модуль ускорения можно определить
кинематически. Он равен:
Для определения ускорения надо измерить радиус окружности и период обращения шарика
по окружности.
Центростремительное (нормальное) ускорение можно определить также, используя законы
динамики.
Согласно второму закону Ньютона
и
. Разложим силу
на составляющие
, направленные по радиусу к центру окружности и по вертикали вверх.
Тогда второй закон Ньютона запишется следующим образом:
Направление координатных осей выберем так, как показано на
рисунке б. В проекциях на ось О1у уравнение движения шарика
примет вид: 0 = F2 — mg. Отсюда F2 = mg: составляющая
уравновешивает силу тяжести
, действующую на шарик.
Запишем второй закон Ньютона в проекциях на ось О1х:
man = F1. Отсюда
Модуль составляющей F1 можно определить различными способами. Во-первых, это можно
сделать из подобия треугольников ОАВ и FBF1:
Отсюда
и
Во-вторых, модуль составляющей F1 можно непосредственно измерить динамометром. Для
этого оттягиваем горизонтально расположенным динамометром шарик на расстояние,
равное радиусу R окружности (рис. в), и определяем показание динамометра. При этом сила
упругости пружины уравновешивает составляющую
.
Сопоставим все три выражения для аn:
,
,
и убедимся, что они близки между собой.
В этой работе с наибольшей тщательностью следует измерять
время. Для этого полезно отсчитывать возможно большее число
оборотов маятника, уменьшая тем самым относительную погрешность.
Взвешивать шарик с точностью, которую могут дать лабораторные весы, нет
необходимости. Вполне достаточно взвешивать с точностью до 1 г. Высоту конуса и радиус
окружности достаточно измерить с точностью до 1 см. При такой точности измерений
относительные погрешности величин будут одного порядка.
Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, лента измерительная, циркуль, динамометр
лабораторный, весы с разновесами, шарик на нити, кусочек пробки с отверстием, лист
бумаги, линейка.
Указания к работе.
1. Определяем массу шарика на весах с точностью до 1 г.
2. Нить продеваем сквозь отверстие и зажимаем пробку в лапке штатива (рис. в).
3. Вычерчиваем на листе бумаги окружность, радиус которой около 20 см. Измеряем радиус
с точностью до 1 см.
4. Штатив с маятником располагаем так, чтобы продолжение шнура проходило через центр
окружности.
5. Взяв нить пальцами у точки подвеса, вращаем маятник так, чтобы шарик описывал
окружность, равную начерченной на бумаге.
6. Отсчитываем время, за которое маятник совершает к примеру, N = 50 оборотов.
7. Определяем высоту конического маятника. Для этого измеряем расстояние по вертикали
от центра шарик; до точки подвеса.
8. Находим модуль центростремительного ускорение по формулам:
и
9. Оттягиваем горизонтально расположенным динамо метром шарик на расстояние, равное
радиусу окружности, и измеряем модуль составляющей
формуле
. Затем вычисляем ускорение по
.
10. Результаты измерений заносим в таблицу.
Номер
R
опыта
N
Δt
T=
Δt/N
h
m
Сравнивая полученные три значения модуля центростремительного ускорения, убеждаемся,
что они примерно одинаковы.
" Лабораторная работа № 2 «Изучение закона сохранения механической
энергии»"
Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и
упругости.
Цель работы: Сравнить экспериментально уменьшение
потенциальной энергии пружины с увеличением кинетической энергии тела,
связанного с пружиной.
Приборы и материалы: штатив, динамометр, шарик на нити, лист белой и лист копировальной
бумаги, сантиметровая лента, весы.
Теоретическая часть.
На основании закона сохранения и превращения механической
энергии при взаимодействии тел силами упругости изменение
потенциальной энергии растянутой пружины должно быть
равно изменению кинетической энергии тела связанного с
пружиной, взятому с обратным знаком. Для проверки этого
утверждения можно воспользоваться установкой изображённой на
рисунке. Закрепив динамометр в лапке штатива, прикрепляют нить с шариком к пружине и
натягивают ее, держа нить горизонтально. Когда шар отпускают, он под действием силы упругости
приобретает скорость V. При этом потенциальная энергия пружины переходит в кинетическую
энергию шарика
. Скорость шарика можно определить, измерив, дальность его полета S
при падении его с высоты Н по параболе. Из выражений
,а
следует, что
.
Целью данной работы является проверка равенства:
. С учётом равенства kx=Fупр,
получим:
Ход работы.
Соберите установку (см. рис.). На место падения шарика положите лист белой, а сверху лист
копировальной бумаги.
Соблюдая горизонтальность нити натянуть пружину динамометра до значения 1 Н. Отпустить шарик
и по отметке на листе белой бумаги найти дальность его полёта. Повторить опыт три раза и найти
среднее расстояние S.
Измерьте деформацию пружины при силе упругости 1 Н и вычислите потенциальную энергию
пружины.
Повторите п.2,3 задавая силу упругости 2 Н и З Н соответственно.
Измерьте массу шарика и вычислите увеличение его кинетической энергии.
Результаты занесите в таблицу.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
нити 12-15 см). Закрепите динамометр в зажиме штатива на такой высоте, чтобы груз,
поднятый до крючка, при падении не доставал до стола.
Приподняв груз так, чтобы нить провисала, установите фиксатор на стержне динамометра
вблизи ограничительной скобы.
Поднимите груз почти до крючка динамометра и измерьте высоту h1 груза над столом (удобно
измерять высоту, на которой находится нижняя грань груза).
Отпустите груз без толчка. Падая, груз растянет пружину, и фиксатор переместится по
стержню вверх. Затем, растянув рукой пружину так, чтобы
фиксатор оказался у ограничительной скобы, измерьте F, х и
h2.
Вычислите:
а) вес груза Р = mg;
б) увеличение потенциальной энергии пружины
;
в) уменьшение потенциальной энергии груза |ΔEгр| = P(h1 - h2).
Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
P, H
h1, м
h2, м
F, H
x, м
|ΔEгр|,
Eпр, Дж
Eпр /
Д
ж
|
Δ
E
г
р
|
Найдите значение отношения Eпр / |ΔEгр|
По результатам работы сделайте выводы.
Ответьте на вопросы:
а) в каких случаях выполняется закон сохранения механической энергии?
б) чем можно объяснить неточное выполнение исследуемых равенств?
Опытная проверка закона Гей-Люссака.
Лабораторная работа №3
Цель работы: Экспериментальным путем проверить верность закона Гей-Люссака
Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление
газа не меняется.
= сот1 при р = сот1. Следовательно, объем газа линейно
зависит от температуры при постоянном давлении: V = сот1.Т. Чтобы проверить
закон Гей-Люссака, необходимо измерить объем и температуру газа в двух
состояниях
при
постоянном
давлении
и
проверить
верность
равенства:
. Это можно осуществить, используя воздух при
атмосферном давлении. Первое состояние: стеклянная трубка открытым концом
вверх помещается на 3-5 мин в цилиндрический сосуд с горячей водой (рис. а). В
этом случае объем воздуха У1 равен объему стеклянной трубки, а температура —
температуре горячей воды Т1. Чтобы при переходе воздуха в следующее состояние
его количество не изменилось, открытый конец стеклянной трубки, находящейся в
горячей воде, замазывают пластилином. После следует вынуть трубку из сосуда с
горячей водой и замазанный конец быстро опускают в стакан с водой комнатной
температуры (рис. б). Затем прямо под водой снимают пластилин. По мере
охлаждения воздуха в трубке вода в ней будет подниматься. После прекращения
подъема воды в трубке (рис. в) объем воздуха будет У2<У1 давление р = ратм — рдП.
Чтобы давление воздуха стало равным атмосферному надо погружать трубку в
стакан до тех пор, пока уровень воды в трубке и стакане не выровняются (рис. г).
Это
второе
состояние
при
Т2
окружающего
воздуха.
Отношение
объемов
трубке, если
сечение
необходимо заменить отношением высот воздушных столбов в
постоянно
следует сравнить
по
всей
длине
В
работе
Необходимые инструменты для
измерения: линейка, термометр.
Используя ученическую линейку мы делаем замер длины 11 и 12 . С помощью
термометра мы замеряем температуру окружающего воздуха Т2. Для дальнейшего
заполнения таблицы проведем следующие вычисления: 1) А01 — абсолютная
погрешность отсчета А01 = 0,5. 2) Максимальная абсолютная погрешность
находится по формуле: А1 = А и I+ А 01 = 1 + 0,5 = 1,5. 3) Т, = 273 + I, = 273 + 60= 333.
Относительная
погрешность
Вывод: Исходя из проведенных выше опытов становится ясно, что закон Гей-
Люссака, выраженный равенством в данном случае
является верным. Что мы и доказали этой лабораторной
работой.
Лабораторная работа №3 ( 2 вариант)
Тема: «Экспериментальная проверка закона Бойля-Мариотта»
Цель работы:
учебная: исследовать, как изменяется объем определенной массы газа (при постоянной
температуре) при изменении давления, и установить соотношение между ними;
профессиональная: узнать как осуществляется термостатирование в предприятиях
общественного питания.
Должен знать: закон Бойля-Мариотта, понятие: изотермический процесс;
уметь: измерять длину воздушного столбика с помощью линейки, пользоваться
барометром, строить график изотермы;
Оборудование: стеклянный цилиндр с водой, стеклянная трубка, закрытая с одного конца,
измерительная линейка, штатив универсальный, барометр.
Краткая теория
Закон Бойля-Мариотта можно сравнительно просто проверить с помощью
несложного оборудования. Если в цилиндр с водой опустить открытым концом вниз
трубку, то воздух в ней будет находиться под давлением (в мм рт.ст.):
Р = Ро +h /13.6,
где Ро – атмосферное давление, выражаемое в мм рт. ст.
h – разность уровней воды, измеренная в миллиметрах, в цилиндре и
трубке.
Объем воздуха в трубке V= S l, где l – длина столбика воздуха, а S – площадь его
поперечного сечения. Но поскольку площадь поперечного сечения трубки (а,
следовательно и воздушного столбика) постоянная, то числовое значение можно принять
за значение V в условных единицах. При изменении глубины погружения трубки
изменяется объем и давление в ней. Исследуйте зависимость между этими величинами.
Порядок выполнения работы:
1. Измерьте барометром атмосферное давление Ро
(мм рт. ст.).
2. Погрузите в воду трубку открытым концом на
максимальную глубину. Измерьте длину столбика
воздуха в трубке l, разность уровней воды в ней и
h
цилиндре h.
3. Повторите измерения l и h для двух меньших
глубин погружения трубки.
4. Вычислите произведение РV = С для всех трех
опытов, сравните их.
5. Вычислите абсолютную ∆С и относительную ∆Сср / Сср погрешности измерений.
6. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
7. Сделайте вывод в конце работы, запишите его в тетрадь.
8. Ответьте на контрольные вопросы.
Отчетная таблица
№п/п
1
2
Ро,мм
рт. ст.
h,
мм
l(V)
мм
Р = Ро +h /13.6
мм рт. ст.
РV=С= (Ро +h /13.6)l
Cср
∆С
∆Сср
∆Сср/Cср
3
Сср = (С1+С2+С3) / 3,
∆С1=/С1- Сср /
∆С2=/С2- Сср /
∆С3=/С3- Сср /
∆Сср = (∆С1+ ∆С2+ ∆С3) / 3
Основные правила техники безопасности:
1.
2.
Приборы аккуратно размещайте на столе.
Не допускайте падения стеклянной трубки, аккуратно закрепляйте ее в лапке
штатива, обернув предварительно бумагой.
Контрольные вопросы:
1. Почему во время опыта не следует держать трубку рукой?
2. Отчего зависит значение постоянной С в законе Бойля-Мариотта?
3. Имеет ли существенное значение для эксперимента площадь поперечного сечения
трубки?