Физика. Лабораторный практикум

ФИЗИКА
ЛАБОРАТОРНЫЙ
ПРАКТИКУМ

Москва
ИНФРА-М
2019

В.Г. ХАВРУНЯК

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим 
и естественно-научным направлениям подготовки
 (квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 53(076.5)
ББК 22.3я73
 
Х12

Хавруняк В.Г.
 Физика: Лабораторный практикум : учеб. пособие / 
В.Г. Хавруняк. — М. : ИНФРА-М, 2019. — 142 с. — (Высшее 
образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-006428-4

Учебное пособие написано в соответствии с программой курса общей 
физики для студентов вузов и содержит 24 лабораторные работы по механике, молекулярной физике, электричеству и магнетизму, оптике, физике твердого тела и атомной физике. В начале каждого лабораторного задания дается краткое теоретическое обоснование рассматриваемого явления, затем приводится описание установки и приборов, порядок выполнения работы. Цель пособия – ознакомиться с методами физических исследований и современной научной аппаратурой, выработать у студентов 
начальные навыки проведения экспериментальных исследований различных физических явлений с представлением о границах применимости 
соответствующих понятий и законов.
Содержание практикума, объем материала и его структура рассчитаны, 
главным образом, на студентов, изучающих физику в течение двух-трех 
семестров.

Х12

УДК 53(076.5)
ББК 22.3я73

© Хавруняк В.Г., 2013 
ISBN 978-5-16-006428-4

Рецензенты:
В.А. Никитенко, д-р физ.-мат. наук, проф., заведующий кафедрой 
физики МИИТ;
С.В. Родичев, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры физики МГТУ 
«Станкин»

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Предисловие 
 
Предлагаемое учебное пособие содержит 24 лабораторные работы 
физического практикума, отражающих содержание программы курса 
физики для высших учебных заведений. Оно рассчитано на студентов 
инженерно-технических и технологических специальностей вечерних 
и заочных отделений вузов, может быть использовано студентами 
других технических специальностей. 
Значительная часть работ по механике и молекулярной физике, 
электричеству и магнетизму поставлена на базе типовых комплектов 
лабораторного оборудования, разработанных РНПО «Росучприбор», 
которые широко используются физическими лабораториями техниче-
ских вузов России и за рубежом, а при модернизации некоторых работ 
по оптике использованы разработки ЗАО «Системотехника». 
Содержание практикума, объем материала и его структура рассчитаны, главным образом, на студентов, изучающих физику в течение 
двух – трех семестров. В начале каждого лабораторного задания дается краткое теоретическое обоснование рассматриваемого явления, 
затем приводится описание установки и приборов, порядок выполнения лабораторного задания. В теоретической части каждого задания 
особое внимание уделяется сущности физических явлений и процессов. В конце пособия приведен необходимый справочный материал. 
Основная цель пособия – ознакомление с методами физических 
исследований, современной научной аппаратурой и электронновычислительной техникой, выработка у студентов начальных навыков 
проведения экспериментальных исследований различных физических 
явлений с представлением о границах применимости соответствующих понятий и законов. 

Механика, молекулярная физика и термодинамика 
 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕ-
НИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА 
 
Цель работы: изучение законов динамики движения тел в поле сил 
тяжести и определение ускорения. 
 
Введение 
Машина Атвуда представляет собой вертикальную стойку со шкалой, на вершине которой закреплен легкий блок, вращающийся с небольшим трением. Через блок перекинута нерастяжимая нить с грузами одинаковой массы на концах. Если на один из грузов положить 
перегрузок, то система грузов начнет равноускоренное движение (рис. 
1.1). 
Составим уравнения поступательного движения грузов системы в 
соответствии со вторым законом Ньютона. 
Уравнение движения отдельного (левого на рис. 1.1) груза - 

ma
mg
F
=
−
,  
(1) 

а груза с перегрузком -  

,
)
(
)
(
a
m
m
g
m
m
F
o
o
+
−
=
+
−
 
(2) 

где a - ускорение грузов, F - сила упругости или натяжения нити, m - 
масса груза, 
o
m  - масса перегрузка, g  - ускорение свободного падения. Из уравнений  (1) и (2) определяем ускорение, с которым движутся грузы: 

o

o
m
m
g
m
a
+
= 2
. 
(3) 

С другой стороны, значение ускорения можно определить, измерив 
путь h , проходимый грузом при равноускоренном движении, и время 
t  движения груза по этому пути. Уравнение равноускоренного движения при условии, что начальная скорость груза 
o
vo =
, можно представить в виде  

2

2
at
h =
, 

откуда 

2
2
t
h
a =
 
(4) 

 
Описание установки 
В машине Атвуда (рис. 1.1) на вершине вертикальной стойки с делениями закреплен легкий блок, моментом инерции которого можно 
пренебречь. Через блок перекинута нить с 
закрепленными на концах одинаковыми по 
массе и размерам грузами. Если на один из 
грузов положить перегрузок, имеющий 
массу
o
m , то вся система грузов начинает 
двигаться равноускоренно. В начальном 
положении нижний край груза с перегрузком находится против координатной метки, нанесенной на линейке вертикальной 
стойки, а груз на другом конце нити закреплен в держателе. Начало и окончание 
отсчета времени движения груза с перегрузком фиксируется закрепленными на 
кронштейне фотодатчиками, которые выдают сигналы на электронный секундомер. 
Путь, пройденный грузом, определяется по 
линейке. 
 
 
Порядок выполнения работы 
1. Приведите систему грузов в исходное положение, переместив груз 
с перегрузком в верхнее положение, а груз на другом конце нити 
закрепите в держателе.  
2. Включите секундомер. На дисплее секундомера должны появиться 
«мерцающие» нули. 
3. Произведите отсчет положения груза с перегрузком по координате 
его нижнего торца. 
4. Освободите груз, закрепленный в держателе. Определите по секундомеру время движения груза с перегрузком от начала движения (положение оптической оси верхнего фотодатчика) до момента 
прохождения грузом оптической оси нижнего фотодатчика. Повторите измерения несколько раз. Результаты измерений занесите 
в таблицу. 
5. Произведите аналогичные опыты с другими перегрузками. 
6. Рассчитайте средние значения времени движения груза. 

Рис. 1.1

7. По формуле (3) определите
 теоретическое значение ускорения, а 
по формуле (4) – экспериментальное. Сравните полученные результаты и объясните их. 

Таблица 

№ 
пп 

м
h,
с
t,
с
tср,
2
,
с
м
aЭ
2
,
с
м
aТ

1

2

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ 
НА КРЕСТООБРАЗНОМ МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА 
  
Цель работы: проверка основного закона динамики вращательного 
движения, определение момента инерции маятника. 
 
Введение 
В соответствии с первым законом Ньютона, если на тело не действует сила, оно покоится, или сохраняет свое первоначальное движение. В случае действия на тело ускоряющих сил проявляется инерция 
– тело, обладающее большей инерцией, получает меньшее ускорение 
при действии одной и той же силы  (второй закон Ньютона). При поступательном движении мерой инертности тела служит масса.  
За меру инерции вращающегося тела принимается физическая величина, получившая название момента инерции. Моментом инерции 
J  материальной точки, движущейся по окружности, называется величина  

2
mr
J =
, 
численно равная произведению массы m  материальной точки на 
квадрат ее расстояния r  от центра вращения. В случае вращающегося 
твердого тела относительно неподвижной оси момент инерции выражается непрерывной суммой элементарных моментов инерции всех 
частиц тела относительно оси: 

∫
=
m dm
r
J
2
, 

где r  - кратчайшее расстояние от оси вращения до элемента тела массой dm . 
Момент инерции тела можно определить, применяя к вращающемуся телу закон сохранения энергии. 
В экспериментальной установке, используемой в настоящей работе, тело, момент инерции которого требуется определить, имеет вид 
крестовины, на оси которой укреплены два шкива различных радиусов. Крестовина со шкивами насажена на закрепленный в подшипниках общий вал. На стержнях крестовины располагаются одинаковые 
цилиндрические грузы, которые можно перемещать и закреплять на 
том или другом расстоянии от оси. Крестовина с грузами приводится 
во вращательное движение грузом, подвешенном на нити, конец которой прикреплен к одному из шкивов. Если груз поднять на некоторую высоту  (наматывая на шкив нить) и отпустить его, то под действием силы тяжести он начнет опускаться с ускорением, приводя 
крестовину во вращательное движение. 

Груз массой m , поднятый на высоту h  (рис. 2.1), обладает потенциальной энергией mgh . 
С началом движения груза эта энергия переходит в кинетическую 

энергию его поступательного движения (

2

2
mv ) и кинетическую энер
гию вращательного движения крестовины (

2

2
ω
J
). При этом часть 

потенциальной энергии груза расходуется на работу A  по преодолению сил трения в подшипниках. По закону сохранения энергии 

A
J
mv
mgh
+
+
=
2
2

2
2
ω
, 
(1) 

где v  - скорость груза в момент окончания его движения, а ω  - угловая скорость крестовины в тот же момент. Полагая, что сила трения в 
подшипниках постоянна, можно считать, что указанные поступательное и вращательное движения – равноускоренные. На основании известных формул для равномерного ускоренного движения (
at
v =
 и 

2

2
at
h =
, если начальная скорость груза 
0
=
ov
) скорость поступатель
ного движения груза 

t
h
v
2
=
, 
(2) 

где t  - время прохождения грузом расстояния h  с ускорением a . 
Угловую скорость вращения ω  крестовины со шкивом можно 
определить по формуле 

r
v
ω
=
, 
(3) 

которая связывает линейную скорость v  точек на поверхности шкива 
радиуса r  с угловой скоростью ω   (нить, на которой подвешен груз, 
намотана на шкив радиуса r , поэтому скорость поступательного перемещения груза равна линейной скорости точек на поверхности 
шкива данного радиуса). 
Работу, совершенную по преодолению сил трения в подшипниках, 
можно определить следующим образом. Если за один оборот крестовины совершается работа по преодолению сил трения 
1A , а за время 
прохождения грузом расстояния h  крестовина совершает n  оборотов, 
то за это время будет совершена работа 

.
1n
A
A =
 
(4) 

В момент окончания движения груза нить соскальзывает со шкива, 
а крестовина продолжает вращение по инерции. Свой запас кинетической энергии она расходует только на преодоление сил трения в подшипниках, совершая 
1n  оборотов до полной остановки 

1
1

2

2
n
A
J
=
ω
, 

откуда 

1

2

1
2n
J
A
ω
=
. 
(5) 

Подстановка  (5) в (4) дает 

1

2

2
n
n
J
A
ω
=
. 
(6) 

С учетом выражений (2), (3) и (6) уравнение (1) приобретает вид 

)
1(
2
2

1
2
2

2

2

2

n
n
t
r
Jh
t
mh
mgh
+
+
=
, 

откуда момент инерции крестовины 

.
1

)1
2
(

1

2
2

n
n
h
gt
mr
J
+

−
=
 
(7) 

 
Описание установки 
Маятник Обербека представляет собой крестовину с четырьмя грузами, закрепленную со шкивом на общем валу. На шкив наматывается 
нить, к концу которой подвешен груз. Опускаясь под действием силы 
тяжести, груз приводит во вращение крестовину. С момента прохождения грузом нижней точки падения, когда нить соскальзывает со 
шкива, крестовина по инерции продолжает вращение до полной остановки, расходуя запасенную энергию на работу против сил трения в 
подшипниках. Для регистрации времени движения падающего груза 
используется секундомер, а путь, пройденный грузом, определяется 
по вертикально расположенной масштабной линейке. 
 
 
 

Порядок выполнения работы 
 
1. Зацепите нить за шпильку шкива, а 
к другому концу нити прикрепите 
груз. 
2. Намотайте нить на шкив. Наматывая нить, посчитайте число оборотов 
n , которое совершает крестовина при 
прохождении груза от нижней точки 
до перемещения на высоту h . 
3. Отпустите 
груз, 
одновременно 
включив секундомер. В момент прохождения грузом нижней точки падения (нить соскальзывает со шкива) 
секундомер остановите. 
4. С момента соскальзывания нити со 
шкива посчитайте число оборотов 
1n  
крестовины до полной ее остановки. 
5. Повторите опыт 5 – 6 раз. Определите средние значения измеряемых величин. По формуле (7) определите момент инерции крестовины. 
 

Таблица 

№ 
пп
n
м
h,
с
t,
1n
2
,
м
кг
J
⋅

2
,
м
кг
Jср
⋅

Рис. 2.1