Физика: лабораторные работы с вопросами и заданиями


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году


О.М. Тарасов



ФИЗИКА
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ С ВОПРОСАМИ И ЗАДАНИЯМИ

    УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ




2-е издание, исправленное и дополненное



Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования

Москва

znanium.com

2021

ИНФРА-М

УДК 53(075.32)
ББК 22.3я723
      Т19





      Рецензенты:
        Дондукова Р.А., преподаватель Московского экономико-энергетического колледжа;
        Пузина Ю.Ю., кандидат технических наук, инженер кафедры низких температур Московского энергетического института (ТУ)






      Тарасов О.М.
Т19 Физика: лабораторные работы с вопросами и заданиями : учебное пособие / О.М. Тарасов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2021. — 97 с. — (Среднее профессиональное образование).


          ISBN 978-5-00091-472-4 (ФОРУМ)
          ISBN 978-5-16-013166-5 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-101504-9 (ИНФРА-М, online)


         В учебное пособие включены по преимуществу классические для колледжей лабораторные работы, соответствующие требованиям федеральных государственных образовательных стандартов среднего профессионального образования последнего поколения. Дается подробное описание методики и порядка проведения работ. К каждой работе предложены теоретические вопросы для ее защиты, которые можно использовать при проведении зачетов. Возможность работы с теоретическими вопросами и экспериментальными заданиями способствует формированию профессиональных компетенций у студентов самых различных специальностей.
         Может быть использовано в качестве тетради для лабораторных работ.
         Предназначено для студентов колледжей, учащихся 9—11 классов общеобразовательных школ.


УДК 53(075.32)
ББК 22.3я723

ISBN 978-5-00091-472-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013166-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101504-9 (ИНФРА-М, online)

© Тарасов О.М., 2007
© Тарасов О.М., 2016, с изменениями
© ФОРУМ, 2016

            ПРЕДИСЛОВИЕ





   Лабораторные работы этого сборника составлены с учетом реального уровня подготовки сегодняшних студентов. Он, к сожалению, невысок. Поэтому в сборнике дается подробное описание методики и порядка проведения каждой работы. В отличие от других аналогичных пособий в лабораторных работах данного сборника все математические выкладки (в том числе и формулы для расчета погрешностей) даны в готовом виде. В большинстве работ предложен простейший (вполне приемлемый для колледжа) метод оценки погрешности: сравнение значения измеренной величины с ее табличным значением, взятым из справочника. Наиболее сильные студенты смогут самостоятельно провести детальный расчет погрешностей, ознакомившись с методикой их вычисления (с. 86).
   К каждой работе предложены вопросы для ее защиты. Это теоретические вопросы, которые охватывают тему лабораторной работы или несколько тем, смежных с ней. (Представленные вопросы преподаватель может также использовать для проведения текущих зачетных занятий, семинаров.) К каждому вопросу написан подробный план ответа, что, безусловно, поможет студенту построить осмысленный и последовательный ответ. Ведь именно это часто и вызывает затруднения!
   К лабораторным работам составлены экспериментальные задания — 40 миниработ. Эти задания в основном предназначены для сильных студентов, которые смогут предложить метод проведения работы. Подразумевается, что экспериментальное задание выполнимо с указанным к нему набором оборудования; все необходимые табличные данные считаются известными. (Экспериментальные задания преподаватель может предложить в качестве домашних опытов.)
   В данный сборник включены по преимуществу классические для колледжей (и школ) лабораторные работы, соответствующие учебным программам. Важно отметить, что из всего многообразия лабораторных работ, обычно предлагаемых по курсу физики, в сборник вошли только такие, которые потребуют использования стандартного оборудования.
   Особенности данного сборника:
   • учтен реальный (невысокий) уровень подготовки современных студентов;
   • предложенные вопросы к защите лабораторных работ имеют подробные планы ответов;
   • разработаны экспериментальные задания (40 миниопытов) для наиболее сильных студентов;
   • учтено реальное состояние лабораторного комплекса в учебных заведениях.

            ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ





        1. ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ ТЕЛА МЕТОДОМ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ВЗВЕШИВАНИЯ





    Оборудование: штатив, пружина, линейка, мензурка, цилиндрическое тело неизвестной массы, сосуд с водой.



    Метод выполнения работы


   Трудность определения массы тела заключается в том, что пружина, которая используется в работе, не имеет градуировки. Однако массу можно определить иным методом. Измеряют удлинения пружины в воздухе и в воде, а затем на основании условия равновесия тела получают уравнение для расчета массы.
   На груз в воздухе действуют сила тяжести Fт и сила упругости Fупр. Условие равновесия груза: Fт = Fупр. Используя закон Гука, это равенство запишем так:

mg = kA11,

(1)

где k — жесткость пружины (она неизвестна); A11 — удлинение пружины в воздухе; m — масса груза; g — ускорение свободного падения.

1. Измерение массы тела...

5

    В воде действует еще и архимедова сила

FА = Р ₓVg,

где рх — плотность воды; V — объем тела.
    Условие равновесия в воде:

                          mg = kД1₂ + р ₓVg,                     (2)

где Д1₂ — удлинение пружины в воде.
    Приравниваем правые части уравнений (1) и (2):

kД12 + р ж^д = kД11;

р жVg = k (Д11 -Д12);

ₖ = I’.Jy
Д11 - Д1₂ ■


   Подставляем это выражение в (1) и получаем формулу для расчета массы груза:


Р »VД11
д 11 - д 1₂ .

m =

(3)



    Ход работы

1. Записать в таблицу плотность воды рж, ускорение свободного падения g, цену деления линейки слин и мензурки сменз.
2. Измерить объем тела V, опустив его в мензурку с водой.
3. Закрепить пружину и линейку (в вертикальном положении) в лапке штатива.
4. Подвесить к пружине груз и измерить ее удлинение в воздухе Д11.
5. Опустить груз в сосуд с водой и измерить удлинение пружины в воде Д1₂.
6. Рассчитать значение массы по формуле (3):



^

m =

                р »VД11
               Д11 - Д1₂

Лабораторные работы


    7. Расчет погрешности измерений

   1. Относительную погрешность измерения массы можно найти так:


                                                       c c
                                                         лин менз
еm ⁻Sa¹1 ⁺Sa¹2 ⁺eV ~ ² A1₂ ⁺ V






^ е m

   2. Абсолютная погрешность измерения массы







^ A m = е m ■ m =

Постоянные   Рж, кг/м3 g, м/с2  слин, м  3       
величины                                 ^менз, м
                                                 
Измеренные     V, м3      A11, м       A12, м     
величины                                          
Рассчитанные   т, кг    еm ■ 100, %    A m, кг    
величины                                          

        2.  ИЗУЧЕНИЕ ОДНОГО ИЗ ИЗОПРОЦЕССОВ







   Оборудование: сосуды с водой, прозрачная резиновая трубка (закрытая с одного конца), термометр, линейка, электроплитка.



    Метод выполнения работы


   В работе проверяют справедливость закона Гей-Люссака, т. е. над газом проводят изобарный процесс и измеряют его начальные и конеч-

ные параметры.
   Вначале трубку с воздухом помещают в сосуд с горячей водой. При нагревании газ расширяется и часть его выходит наружу. Затем открытый конец трубки затыкают и переносят трубку в холодную воду. Газ охлаждается и сжимается, и под действием атмосферного давления вода поступает в трубку.
   Масса воздуха, оставшегося в трубке, остается постоянной; давление в трубке поддерживается равным атмосферному (давлением воды над трубкой по сравнению с атмосферным можно пренебречь). Таким образом, условия изобарного процес

са выполнены: m = const и p = const.
   Необходимо проверить справедливость соотношения



VL = и V2 T2 ,

(1)



где V, T₁ — объем и абсолютная температура воздуха в горячей воде, V2, T> — в холодной.
   Поскольку V = S l, S — сечение трубки, l — высота столба воздуха в ней, то пропорцию (1) можно записать так:


h = Tl
12   T2 ,


(2)

где 11 — начальная высота столба воздуха (равна длине трубки); 12 — конечная (меньше длины трубки на длину столба залившейся воды).

Лабораторные работы


    Ход работы


1. На электроплитке нагреть воду в одном сосуде до 70—80 °C.
2. Опустить в сосуд с горячей водой трубку и термометр на несколько минут до установления теплового равновесия. (При этом из открытого конца трубки перестанут выходить пузыри воздуха.) По термометру снять показание температуры 11.
3. Закрыв открытый конец трубки, перенести ее и термометр в сосуд с холодной водой. Снять показание температуры 12, когда трубка перестанет заполняться водой.
4. Вынув трубку, измерить линейкой ее длину 11 и высоту столба воздуха 1₂.
5. Рассчитать значения T₍ и T,:


^

        T1 = 11 + 273 =

        T₂ = 1₂ + 273 =


6. Рассчитать отношения

^

С


Ct

А
22

T1
T2


и сравнить их.


    7. Расчет погрешности измерений

   Относительное различие правой и левой частей равенства (2):


^ Е

1С - Ct| 0,5(Cl + Cₜ )

Измеренные   11, °C  12, °C  11, м    12, м     
величины                                        
Рассчитанные Tь K T2, K  Cl    Ct    Е ■ 100, %
величины                                       

        3.  ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА






   Оборудование: психрометр (прилагается психрометрическая таблица и таблица зависимости давления насыщенного пара от температуры).



    Метод выполнения работы


   В работе измеряют относительную и абсолютную влажность воздуха с помощью психрометра. Психрометр Августа состоит из двух термометров, конец одного из них обернут полоской влажной ткани. Сухой термометр показывает температуру воздуха t. За счет испарения воды с ткани второй термометр охлаждается. При этом чем меньше водяных паров в воздухе (низкая влажность), тем интенсивнее испарение, а значит, ниже температура влажного термометра tвл. Используя психрометрическую таблицу можно по значениям температур tсух и tвл определить относительную влажность ф.
   По определению

ф = — • 100%,                      (1)
Р н


где p — давление водяного пара в воздухе; pн — давление насыщенного водяного пара при температуре tсух (определяется по таблице).
   Из формулы (1) находим абсолютную влажность p.

Лабораторные работы

Ход работы


1. Смочить полоску ткани термометра водой и выждать установления температуры 15—20 мин.
2. Снять показания термометров tсух и tвл.
3. Вычислить разность показаний термометров


^

              A t = t сух - t вл =


4. Используя психрометрическую таблицу, определить относительную влажность ф.
5. Используя таблицу зависимости давления насыщенного пара от температуры, определить pн.
6. Используя формулу (1), рассчитать абсолютную влажность p:



^

Р =

          ф⁻ Р и 100%



Измеренные    tсух, °C     tвл, °C    
величины                              
Рассчитанные At, °С ф, % РН, Па Р, Па
величины