Лабораторные работы по естествознанию к разделу Физика

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы

«Колледж полиции»

</<br>

Рабочая тетрадь для лабораторных работ по учебной дисциплине

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

Для студентов, осваивающих в очной форме образовательную

программу, специальностей юридического, экономического и гуманитарного

профилей первого курса

Студента (ки)____________________________взвод___________

Москва - 2015

2

Содержание лабораторных работ

3

Лабораторная работа № 1

Тема: Закон Гука

Цель работы оценить способ определения модуля упругости.

Оборудование: резиновый образец, штангенциркуль, чашечка от весов, измерительная линейка, разновес, штатив с муфтой и лапкой.

Теоретические сведения.

Метод измерения модуля упругости основан на использовании закона Гука:

,

где - механическое напряжение, - относительное удлинение, - модуль упругости.

Так как , а по определению, то , следовательно,

.

Сила упругости F, которая возникает при деформации, по модулю равна деформирующей силе, то , где - масса груза, подвешенного на образец.

Отсюда:

,

Рисунок 1

Если образец имеет прямоугольное сечение, то , где

а и ширина и длина прямоугольного сечения.

Если образец имеет круглое сечение, то , где - диаметр круглого сечения.

4

Проще измерить модуль упругости резины, так как она испытывает значительные деформации при небольших нагрузках. Погрешность в данном методе составляет измерение размеров сечения, так как оно различно в разных местах образца:

или .

Ход работы:

1. Собрать установку, как показано на рисунке 1.

2. Измерить толщину или ширину сторон образца с прямоугольным сечением (или

диаметр образца с круглым сечением).

3. Нанести на среднем участке образца ручкой две метки на расстоянии друг от друга.

4. Нагрузить чашечку от весов гирями общей массой и измерить расстояние

между метками.

5. Результаты измерений занести в таблицу:

Таблица 1.

Масса гирь

Расстояние между метками после растяжения

Модуль упругости резины

Механическое напряжение

1

2

3

Примечание: в случае образца с круглым сечением вместо «а» и «» во второй колонке поставить «» (диаметр)

6. Вычислить модуль упругости.

7. Сделать анализ способа определения модуля упругости вывод:

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ответить письменно на контрольные вопросы в тетради:

1. Раскрыть физический смысл модуля упругости.

2. Что такое механическое напряжение?

3. Что такое предел прочности?

4. Привести примеры различных видов деформации.

5. Раскрыть понятие абсолютного и относительного удлинения.

5

Лабораторная работа № 2

Тема: Изотермический процесс

Цель работы: убедиться в том, что закон Бойля-Мариотта можно применить для воздуха при нормальных условиях.

Оборудование: стеклянная трубка с запаянным торцом, мензурка с водой, линейка с миллиметровым делением, барометр.

Теоретические сведения

Для работы необходимы стеклянная трубка длинной с постоянным сечением которая запаяна с одной стороны.

Давление воздуха в свободной трубке равно атмосферному:

. (1)

Объем воздуха в трубке найдите по формуле объема цилиндра:

.

Опустите стеклянную трубку в мензурку с водой запаянным торцом вверх.

Газ будет сжиматься столбиком жидкости высотой за счет повышения давления на глубине . Объем газа в трубке можно найти по формуле:

(2)

Объем газа после опускания трубки в воду равен:

или (3)

Давление воздуха в трубке увеличится на величину:

_{И составит}

(4)

₆

По закону Бойля-Мариотта или - номер (5) измерения

Подставляя в формулу (5) выражения для из уравнений (1-4) можно записать:

Проведя сокращения получим: (6)

Таким образом, если уравнение (6) считать верным, то будет верным и уравнение Бойля-Мариотта.

Для доказательства этого необходимо найти правые части выражения (6) при нескольких опытах , определив С₀:

;

убедимся в том, что при любом

Ход работы:

1. Определить длину воздушного столба в трубке до опыта (длина трубки).

2. По барометру определить атмосферное давление.

3. Опустить стеклянную трубку в воду вверх запаянным торцом на какую-то глубину.

4. Определить высоту водяного столбика в трубке и глубину погруженного в жидкость воздуха .

5. Изменяя глубину погружения трубки, определить несколько значений и .

6. Данные записать в таблицу, в таблице вычислить значения

7. Убедиться в справедливости уравнения (6), определить

8. Построить изотерму, отложив по оси абсцисс, объем в условных единицах, а по оси ординат давление в Па (построить не менее, чем по пяти точкам).

9. Сделать вывод.

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Таблица

изм.

i

Атмос-

ферное давление

Длина

воздушного

столбика под

водой , м

Высота

водяного столбика в

трубке , м

Ускорение свободного падения

Длина стеклянной трубки

Плотность воды

1

2

3

4

5

7

Ответить письменно на контрольные вопросы в тетради:

1. Вывести формулу закона Бойля-Мариотта для вашего случая.

2. Почему объем заменяют длиной и высотой?

8

Лабораторная работа № 3

Тема: Определение относительной влажности воздуха

Цель работы: измерить относительную и абсолютную влажности воздуха.

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

Теоретические сведения

В работе измеряют относительную влажность воздуха с помощью психрометра. Психрометр Августа состоит из двух термометров, конец одного из них обернут полоской влажной ткани. Сухой термометр показывает температуру воздуха. 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 . Используя психрометрическую таблицу (см. Приложение) можно по значениям температур и определить относительную влажность.

По определению (1)

где - давление водяного пара в воздухе; - давление насыщенного водяного пара при температуре (определяется по таблице). См. Приложение, табл.1.

Рисунок 1. Психрометр Августа.

Ход работы:

1. Смочить полоску ткани термометра водой и выждать установления температуры 15-20 мин.

2. Снять показания термометров и .

3. Вычислить разность показаний термометров .

4. Используя психрометрическую таблицу, определить относительную влажность воздуха.

5. Используя таблицу зависимости давления насыщенного пара от температуры, определить .

9

6. Используя формулу (1), рассчитайте абсолютную влажность воздуха .Таблица

7. Сделать вывод.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ответить письменно на контрольные вопросы в тетради:

1. Что называют испарением, конденсацией? Объясните по рис.2 механизм испарения. Почему при испарении температура жидкости понижается? От чего зависит интенсивность испарения?

Рисунок 2

2. Объясните по рисунку, что происходит между паром и жидкостью в закрытом сосуде? Что такое динамическое равновесие между паром и жидкостью? Какой пар называют насыщенным? Давление насыщенного или ненасыщенного пара больше? Как перевести ненасыщенный пар в состояние насыщения?

Рисунок 3

3. Что называют абсолютной влажностью? В каких единицах она измеряется? Что называют относительной влажностью? Какова формула для ее расчета? Что означает выражение «относительная влажность равна 65 %»? Давление водяного пара в атмосфере одинаково при температурах и .(>); одинаковы ли влажности и ? Если нет, то какая больше?

10

4. Каково назначение прибора? Объясните по рисунку 1 его устройство и принцип действия. Что покажет прибор, если его опустить в воду? Пользуясь психрометрической таблицей, определите влажность, если , .

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1 . Зависимость давления насыщенного водяного пара и его плотность при различных значениях температуры

-10

0,260

2,14

16

1,813

13,6

-5

0,401

3,24

17

1,933

14,5

-4

0,437

3,51

18

2,066

15,4

-3

0,476

3,81

19

2,199

16,3

-2

0,517

4,13

20

2,333

17,3

-1

0,563

4,47

21

2,493

18,3

0

0,613

4,80

22

2,639

19,4

1

0,653

5,20

23

2,813

20,6

2

0,706

5,60

24

2,986

21,8

3

0,760

6,00

25

3,173

23,0

4

0,813

6,40

26

3,359

24,4

5

0,880

6,80

27

3,559

25,8

6

0,933

7,30

28

3,786

27,2

7

1,000

7,80

29

3,999

28,7

8

1,066

8,30

30

4,239

30,3

9

1,146

8,80

40

7,371

51,2

10

1,226

9,40

50

12,330

83,0

11

1,306

10,0

60

19,920

130,0

12

1,399

10,7

80

47,330

293,0

13

1,492

11,4

100

101,300

598,0

14

1,599

12,1

120

198,500

1123,0

15

1,706

12,8

200

1554,000

7763,0

11

Таблица 2. Психрометрическая таблица

Относительная влажность , при

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

15

100

90

80

71

61

52

44

36

27

20

12

5

16

100

90

81

71

62

54

46

37

30

22

15

8

17

100

90

81

72

64

55

47

39

32

24

17

10

18

100

91

82

73

65

56

49

41

34

27

20

13

19

100

91

82

74

65

58

50

43

35

29

22

15

20

100

91

83

74

66

59

51

44

37

30

24

18

21

100

91

83

75

67

60

52

46

39

32

26

20

22

100

92

83

76

68

61

54

47

40

34

28

22

23

100

92

84

76

69

61

55

48

42

36

30

24

24

100

92

84

77

69

62

56

49

43

37

31

26

25

100

92

84

77

70

63

57

50

44

38

33

27

26

100

92

85

78

71

64

58

51

46

40

34

29

27

100

92

85

78

71

65

59

52

47

41

36

30

28

100

93

85

78

72

65

59

53

48

42

37

32

29

100

93

86

79

72

66

60

54

49

43

38

33

30

100

93

86

79

73

67

61

55

50

44

39

34

12

Лабораторная работа № 4

Тема: Определение коэффициента поверхностного

натяжения жидкости

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды и сравнить с табличным значением.

Оборудование: весы и разновесы, стаканчик для сбора воды, пипетка, линейка.

Теоретические сведения

Коэффициент поверхностного натяжения может быть определен по формуле

(1)

где - сила поверхностного натяжения, - длина границы контакта твердого тела и жидкости. В работе используется явление отрыва водяной капли от шейки пипетки. Отрыв происходит в тот момент, когда сила тяжести и сила поверхностного натяжения, которые действуют на каплю, равны по модулю. Границей контакта в этом случае является окружность, то есть отверстие пипетки. Поэтому формула (1) может быть записана так:

(2) где - масса капли; d - диаметр шейки пипетки.

Рисунок 1

Массу капли найдем путем взвешивания капель. Их общая масса составит , отсюда, В этом случае формула (2) примет вид

(3)

Внутренний диаметр d шейки пипетки найдем следующим образом. Остроконечный бумажный клин вставим в отверстие пипетки на глубину х и измерим линейкой длины x, x₁, d₁, показанные на рисунке. Диаметр d рассчитаем из условия подобия треугольников:

13

Рисунок 2

Ход работы:

1. Записать в таблицу коэффициент поверхностного натяжения воды , ускорение свободного падения g.

2. Уравновесить на весах стаканчик.

3. Расположив пипетку вертикально набрать в стаканчик капель.

4. Доложить на чашу весов гири, уравновешивающие массу воды т в стаканчике.

5. Вставить в пипетку бумажный клин до упора. Замерить длины x, x₁, d₁.

6. Рассчитать диаметр шейки пипетки d.

7. Рассчитать по формуле (3) коэффициент поверхностного натяжения воды .

8. Расчет погрешности измерений

9. Рассчитать абсолютную погрешность

10. Рассчитать относительную погрешность определения

Таблица

N

1

2

3

4

5

9. Сделать вывод.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ответить письменно на контрольные вопросы в тетради:

По рисунку объясните поведение молекул А и В жидкости. Какую форму стремится принять поверхностный слой жидкости? Чему можно его уподобить? Объясните по рисунку опыт с мыльной пленкой и опыт с каплей масла в растворе. Что доказывают опыты?

14

Рисунок 3

2. Что такое капилляр? Как ведет себя жидкость в капилляре (сделайте рисунок для случая смачивания и несмачивания)? Формула для расчета высоты подъема жидкости в капилляре. Какие величины в нее входят?

3. Перечислите известные Вам применения капиллярных явлений. Зачем кирпичный фундамент домов покрывают горячим битумом?

15

Лабораторная работа № 5

Тема: Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока

Цель работы: измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование: источник постоянного напряжения, вольтметр, амперметр, реостат, ключ, соединительные провода.

Теоретические сведения

Для определения ЭДС источника тока и его внутреннего сопротивления используем закон Ома для полной цепи: Отсюда

(1)

где - ЭДС; - сила тока; - сопротивление внешней цепи (реостата); - сопротивление источника тока.

В работе измеряют два значения силы тока и напряжения: при двух различных сопротивлениях реостата ( и ). Для этих значений уравнение запишется (1) так:

Отсюда

Значит: и (по закону Ома для участка цепи). Тогда . Внутреннее сопротивление источника тока

(2)

где и - силы тока; и - напряжения при сопротивлениях реостата соответственно и .

16

Рассчитав величину , можно найти по формуле (1).

Ход работы:

1. Соберите электрическую цепь по схеме. Установите движок реостата примерно по середине.

2. Замкните ключ. Снимите показания приборов и .

3. Передвиньте движок, увеличив сопротивление реостата. Снимите новые показания и .

4. Рассчитайте сопротивление источника тока по формуле (2):

5. Рассчитайте ЭДС источника тока:

Таблица

6. Сделайте вывод.

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

Ответить письменно на контрольные вопросы в тетради:

1. Сформулируйте закон Ома для участка цепи. Напишите формулу данного закона. Какие величины входят в нее? Как с помощью закона Ома определить единицу измерения сопротивления 1 Ом?

2. Запишите формулу для расчета ЭДС. Какие величины в нее входят? Что называют ЭДС? Что означает выражение «ЭДС батареи равна 4,5 В»?

3. Что такое внутренне и внешнее сопротивления цепи. Запишите формулу закона Ома для полной цепи. Какие величины в нее входят? Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

4. Какую зависимость называют ВАХ? Постройте ВАХ для сопротивлений и

5. Что называют коротким замыканием? Когда оно возникает? К чему оно приводит? Как устроен простейший предохранитель?

17

Лабораторная работа № 6

Тема: Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: научиться применять правило Ленца.

Оборудование: катушка, микроамперметр, магнит, соединительные провода.

Теоретические сведения

В 1831 году М.Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводнике возникает электрический ток: при изменении магнитного поля вокруг него. Полученный таким образом электрический ток называют индукционным, а создающую его ЭДС называют ЭДС индукции.

. При движении проводника в однородном магнитном поле так же возникает ЭДС.

(1)

Если к этому проводнику, подключить потребитель, то по нему течет ток.

Направление индукционного тока, возникающего в прямолинейном проводнике при его движении можно найти по правилу правой руки.

Правую руку располагают так вдоль проводника, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отогнутый большой палец руки располагают скорости проводника. Другие вытянутые четыре пальца руки укажут направление индукционного тока в проводнике.

Рисунок 1

Э.Д.С. индукции, возникающая в соленоиде прямо пропорциональна скорости изменения потокосцепления магнитного поля с этой цепью.

(2)

Знак минус показывает, когда потокосцепление уменьшается, ЭДС создает индукционный ток увеличивающий потокосцепление, и наоборот. Если потокосцепление меняется равномерно, то

(3)

Направление индукционного тока находится по правилу (закону) Ленца.

18

Э.Д.С. индукции создает в замкнутом контуре такой индукционный ток, который своим магнитным полем препятствует причине, вызывающей

Применяют это правило следующим образом:

1.Определяют причину, создающую индукционный ток.

2. Находят направление силовых линий магнитного поля, созданного индукционным током.

3. По направлению этих силовых линий определяют направление индукционного тока, применяя правило правого винта (или правило правой руки) Явление электромагнитной индукции используется для получения электрического тока. Устройство, для получения индукционного тока называется индукционным генератором.

Ход работы:

1. Подключить к микроамперметру катушку.

2. Ввести в нее южный полюс магнита.

3. Определить направление индукционного тока.

4. Вывести из нее южный полюс магнита.

5. Определить направление тока.

6. Повторить тот же опыт для северного полюса магнита.

7. В отчете на чертеже пояснить правило Ленца, указав направление скорости магнита, силовых линий и индукционного тока.

Ответить письменно на контрольные вопросы в тетради:

1. Сформулировать определение электромагнитной индукции.

2. Записать формулы для расчета Э.Д.С. в движущемся прямолинейном проводнике и соленоиде.

3. Как найти направление индукционного тока в движущемся прямолинейном проводнике, в соленоиде?

4. Пояснить рисунки в отчете.

5. На что указывает знак минус в законе электромагнитной индукции?

6. Где применяется явление электромагнитной индукции?

19

Лабораторная работа № 7

Тема: Изучение устройства и принцип работы трансформатора

Цель работы: изучить устройства и принцип работы трансформатора.

Теоретические сведения

В радиотехнике, электротехнике, электронике широко используют трансформатор. Внешний вид и схема одного из них (простейшего) показаны на рисунке 1.

Основные элементы любого трансформатора:

1. Сердечник (магнитопровод); набирается из отдельных тонких изолированных друг от друга листов магнитомягкой стали.

2.Две обмотки с разным числом витков: с небольшим количеством витков толстой проволоки и с большим количеством витков тонкой проволоки.

Переменный ток обмотки, соединённой с источником электрической энергии (первичная обмотка), создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток,

Рисунок 1

который в каждом витке обмоток возбуждает ЭДС индукции е. Поэтому ЭДС индукции в первичной обмотке , во вторичной , а .

Если цепь вторичной обмотки разомкнута, в первичной обмотке течёт слабый ток -ток холостого хода, не превышающих 5% номинального. Падение напряжения в первичной обмотке с сопротивлением R очень мало приложенное к этой обмотке напряжение лишь немного больше Напряжение на концах вторичной обмотки _. Следовательно, для холостого хода трансформатора .

Отношение - коэффициент трансформации. При трансформатор повышает напряжение; при понижает напряжение.

При замыкании цепи вторичной обмотки переменный ток этой обмотки , согласно закону Ленца, создаёт в сердечнике магнитный поток противоположного магнитному потоку первичной обмотки направления. Магнитный поток в сердечнике ослабляется. Это приводит к ослаблению в первичной обмотке и возрастанию тока в ней до . Ток возрастает, пока магнитный поток в сердечнике трансформатора не станет прежним.

Обмотки пронизываются с почти одинаковым магнитным потоком , поэтому

20

, а .

1. Трансформация тока.

Оборудование: трансформаторы на вертикальных панелях с одинаковым и разным количеством обмоток (по 1 шт.), источник электрической энергии на 4 В (выпрямитель В-24М), вольтметры переменного тока до 4 (2 шт.) и 120 В, амперметры переменного тока до 2 и 6 А, ключ, соединительные провода.

Ход работы:

1. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунок 2.

2. После проверки цепи преподавателем замкнуть ключ; пронаблюдать работу электрической цепи и сделать вывод.

Рисунок 2 Рисунок 3

3. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунок 3.

4. После проверки цепи преподавателем замкнуть ключ, пронаблюдать работу электрической цепи.

5. Снять показания измерительных приборов и занести их в таблицу.

6. Определить коэффициент трансформации и сделать вывод:

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Таблица

2. Передача электрической энергии на расстояние.

Оборудование: трансформаторы на вертикальной панели (2 шт.), источник переменного напряжения на 4 В (В-24М), лампочка в патроне на 3,5 В, реостат, соединительные провода.

21

Ход работы:

1. Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 4.

замкнуть ключ и, изменяя положение реостата, получить минимальный накал лампы.

2. Составить электрическую цепь по схеме, изображённой на рис. 5, установить в этой цепи реостат с прежним сопротивлением (положение скользящего контакта не менять!).

Рисунок 4 Рисунок 5

3. Замкнуть ключ, пронаблюдать работу установки. Сравнить накал лампы с накалом
   
   предыдущего опыта и сделать вывод:

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ответить письменно на контрольные вопросы в тетради:

1. Рассказать о назначении, устройстве, принципе действия трансформатора.

2. С какой целью магнитопровод набирается из тонких изолированных пластин электротехнической стали? Каков КПД современных трансформаторов

22

Список использованной литературы:

1. Справочник школьника и студента. Под ред. проф. Р. Гёбеля; Пер. с нем. - 2-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2000. - 368 с.

2. Гончаренко С.У., Воловик П. Н. Физика. Учеб. пособие для 10 кл. веч. (смен.) сред. шк. И самообразования. - 6-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1989. - 239 с.

3. Жданов Л. С., Жданов Г. Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учеб. 6-е изд., перераб. - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 2009. - 512 с.

4. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб. заведений. - 2-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2001.- 416 с.

5. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб. заведений. - 2-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2002.- 416 с.

6. Тарасов О. М. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА - М, 2007. - 96 с.