L-micro (лабораторные работы и демонстрации)
 Скачать 0.72 Mb.
|
L-micro (лабораторные работы и демонстрации)СОДЕРЖАНИЕL-micro (лабораторные работы и демонстрации) 1 СОДЕРЖАНИЕ 2 Определение ускорения свободного падения 3 Изучение закона сохранения импульса 5 Измерение скорости неравномерного движения 10 Равновесие системы вращающихся тел 12 Моделирование опыта Штерна 14 Модель маятника Фуко 17 Вращение жидкости 19 Изохорный процесс 24 Изобарный процесс 26 Определение мощности электрического тока 31 Действие плавкого предохранителя 32 Источник тока на основе полупроводникового фотоэлемента 34 Конденсатор в цепи переменного тока 37 Движение электронов в магнитном и электрическом поле 40 Трехэлектродная электронная лампа (триод) 43 Полное внутреннее отражение 46 Распространение света в слоистой структуре 47 Демонстрация модели световода 48 Принцип действия поворотной призмы 49 Наблюдение преломления света плоскопараллельной пластиной 50 Измерение длины световой волны 52 Наблюдение поляризации света 52 Наблюдение явления дисперсии 54 Наблюдение дисперсии света 55 Неразложимость в спектр монохроматического света 58 Определение ускорения свободного паденияЦель работы: определить ускорение свободного падения, продемонстрировать, что при свободном падении ускорение не зависит от массы тела.
Опыт 1 В данной работе ускорение свободного падения g определяется на основе измерения времени t, затраченного телом на падение с высоты h без начальной скорости. При проведении опыта удобно регистрировать параметры движения металлических квадратов одинаковых размеров, но разной толщины и, соответственно, разной массы. Методика определения ускорения свободного падения, применяемая в данном опыте, обеспечивает точность около 10%. Существенно большая точность достигается в следующем опыте (вариант 2), однако обработка данных в этом случае несколько сложнее.  Для выполнения опыта установите пусковое устройство в верхней части классной доски. Вертикально под ним расположите два оптодатчика, ориентировав их, как показано на рисунке. Датчики располагаются на расстоянии приблизительно 0.5 м друг от друга таким образом, чтобы тело, свободно падающее после освобождения из пускового устройства, последовательно проходило через их створы (можно воспользоваться отвесом или линейкой). Присоедините оптодатчики и пусковое устройство к универсальному разъему, а блок питания к разъемам соединительного кабеля, подключенного к третьему каналу измерительного блока. Выберите в меню на экране компьютера пункт Определение ускорения свободного падения (вариант 1). Обратите внимание на небольшие квадраты в левом углу экрана. Эти квадраты закрашиваются, если хотя бы в одном из оптодатчиков луч света перекрывается какой-либо преградой. Подвесьте один из квадратов к магниту пускового устройства. Для того, чтобы при обработке результатов использовать простую формулу  , (справедливую в том случае, если в начальный момент времени скорость тела равнялась нулю) необходимо достаточно точно выставить взаимное расположение пускового устройства и ближайшего к нему оптодатчика. Отсчет времени в сценарии опыта начинается при срабатывании одного из оптодатчиков. Двигайте верхний оптодатчик вверх по направлению к пусковому устройству с подвешенным к нему телом до тех пор, пока квадрат на экране не станет закрашенным. После этого очень аккуратно опускайте датчик и остановите его в тот момент, когда окрашивание квадрата исчезнет. Теперь все готово для проведения опыта.Измерьте расстояние между оптодатчиками h и проведите серию запусков (5-6). Каждый раз записывайте время, которое показывает секундомер на экране компьютера. Рассчитайте среднее значение времени падения тела tср и, подставив полученные данные в формулу  , определите ускорение свободного падения g. Аналогичным образом проведите измерения с другим квадратом. Основная причина возникновения погрешности в этом опыте – недостаточная точность установки верхнего оптодатчика. Ошибка в позиционировании датчика в 1 мм приводит к уменьшению измеренного интервала времени примерно на 0.01 с и, соответственно, к завышению значения ускорения до 10.5 - 11 м/c2. Изучение закона сохранения импульсаЦель работы: продемонстрировать справедливость закона сохранения импульса на примере различных видов взаимодействия двух тел.
Для проведения опытов установите скамью с магнитной подвеской строго горизонтально (от этого зависит точность результатов эксперимента). На правом краю скамьи поставьте ограничитель. К универсальному разъему подключите два оптодатчика. Запустите программу L-digit.exe и выберите в меню пункт «Закон сохранения импульса (опыты 1 и 2)». В этой работе измерение интервалов времени двумя оптодатчиками осуществляется независимо и выводится на экран в виде двух диаграмм (разверток), под которыми располагаются цифровые окна. Для того, чтобы правильно установить оптодатчики, запустите процесс измерения  и несколько раз перекройте луч в одном из датчиков. Датчик, сигналы которого отображаются в левой половине экрана, расположите на скамье слева по отношению ко второму датчику.
К торцевой поверхности одной из тележек прикрепите шарик из пластилина диаметром 3 5 мм и поместите эту тележку в средней части скамьи. Флажки на эту тележку не устанавливаются. Другая тележка с двумя флажками (на расстоянии 5 см друг от друга) ставится на левый конец скамьи. При проведении опыта Вам будет необходимо рукой толкнуть эту тележку. Тележка, установленная в центре скамьи, до столкновения покоится. Первый оптодатчик (тот, который соответствует левой половине экрана) устанавливается таким образом, чтобы измерять скорость движущейся тележки непосредственно перед столкновением с покоящейся тележкой. Иными словами, оба флажка должны пройти мимо оптодатчика до того, как тележки соприкоснутся. Второй оптодатчик служит для измерения скорости движения двух тележек после столкновения. Его можно установить в центре скамьи над первоначально покоящейся тележкой. Положение тележек и оптодатчиков перед началом движения показано на рис. 1.  Рис. 1 Включите режим измерений, нажав , и рукой толкните тележку, установленную на левом конце скамьи. Остановите движение тележек после того, как они отразятся от упора. Данные измерений впишите в таблицу 1. Проведите три запуска при одинаковых массах тележки. Начальная скорость движения тележки может быть произвольная, но после столкновения тележки должны двигаться как единое целое.Таблица 1.
Обозначения, принятые в таблице: Dt1 – время движения налетающей тележки мимо первого оптодатчика; Dt2 – время движения тележек мимо второго оптодатчика; v1 = l/Dt1 – скорость налетающей тележки (l – расстояние между флажками); u = l/Dt2 – скорость тележек после столкновения; Р1, Р2 – значения импульса системы до и после столкновения. Далее те же самые измерения проводятся при разных массах тележек. Груз устанавливается сначала на движущуюся тележку, а затем на первоначально покоящуюся. При обработке данных Вы можете предложить учащимся рассчитать скорости движения тележек до столкновения (v1) и после него (u), а также импульс системы. Масса груза равна массе тележки и составляет 0.12 кг. Сопоставление цифр, полученных в двух последних столбцах таблицы, позволяет сделать вывод о сохранении импульса системы в процессе взаимодействия.
Для проведения опыта свяжите из тонкой нити петельку, с помощью которой Вы будете связывать тележки с сжатой между ними пружиной. На каждой из тележек установите по два флажка и разместите тележки в центре скамьи. Оптодатчики установите симметрично по разные стороны от тележек в непосредственной близости от них (рис. 2).  Рис. 2 Включите режим измерений и с помощью горящей спички или нагретой проволочки пережгите нить. Тележки разъедутся в разные стороны, а на экране появятся интервалы времени движения каждой из них мимо соответствующего оптодатчика. Внесите полученные данные в таблицу 2 и рассчитайте скорости, приобретенные тележками, и суммарный импульс системы после того, как тележки начали движение. Обратите внимание учащихся на то, что скорости и, соответственно, импульсы тележек имеют разные знаки, т.к. тележки движутся в противоположные стороны. Повторите опыт, а затем увеличьте массу одной из тележек с помощью груза и еще два раза проведите измерения. Чтобы тележка с грузом могла набрать достаточную скорость, максимально сжимайте пружину. После завершения обработки данных предложите учащимся сделать вывод о неизменности (равенстве нулю) импульса системы при отсутствии внешнего воздействия. Таблица 2
Обозначения, принятые в таблице: m1, m2 – массы тележек (m1 = m2 = 0.12 кг); Dt1, Dt2 – время движения тележек мимо оптодатчиков; u1, u2 – скорости движения тележек после пережигания нити; P1, P2 – импульсы движущихся тележек; P=P1+P2 – импульс системы тел после освобождения тележек.
Одно из следствий закона сохранения импульса состоит в том, что если движение двух тел происходит вдоль одной прямой линии, то при их взаимодействии отношение изменений скоростей тел обратно пропорционально отношению их масс. Действительно, записав закон сохранения импульса в скалярной форме m1v1+ m2v2 = m1u1+m2u2, после несложных алгебраических преобразований можно получить: - m2u2 + m2v2 = m1u1 - m1v1 - m2 (u2 - v2) = m1 (u1 - v1) - m2 D v2 = m1D v1 D v1/D v2 = - m2/m1 , где m1, m2 – массы взаимодействующих тел, v1, v2 – их начальные скорости, u1, u2 – скорости тел после взаимодействия, D v1 = u1 - v1 и D v2 = u2 - v2 – изменение скоростей соответственно первого и второго тела в результате взаимодействия. В данном опыте изучается столкновение двух тележек (одна из них первоначально покоится) и рассчитывается отношение изменений их скоростей в результате удара, после чего полученное значение сопоставляется с отношением масс тележек .  Рис. 3 Для проведения опыта скамья устанавливается строго горизонтально, на правом ее конце ставится упор. Одна из тележек помещается на левый край скамьи, другая – примерно в центре. Обе тележки имеют по два флажка на расстоянии 5 см. Пружина на одной из тележек должна быть обращена в сторону другой тележки (рис. 3). Оптодатчик, соответствующий левой развертке на экране компьютера, устанавливается в левой части скамьи таким образом, чтобы оба флажка левой тележки прошли мимо него перед началом взаимодействия тележек. Другой оптодатчик ставится в правой части скамьи и регистрирует скорость второй тележки непосредственно после столкновения (окончания действия пружины). В зависимости от соотношения масс тележек первая тележка после столкновения может остановиться или продолжить движение вперед или назад. В двух последних случаях ее движение будет зарегистрировано одним из оптодатчиков. Выберите в меню лабораторных работ пункт «Закон сохранения импульса (опыт 3)». Включите режим измерения и резко (со скоростью примерно 1 м/с) толкните рукой тележку, стоящую в левой части скамьи. Обратите внимание на движение тележек после столкновения. Данные регистрации скорости движения внесите в таблицу и на их основе рассчитайте отношение изменения скоростей тележек в результате столкновения. Таблица 3
Обозначения, принятые в таблице: Dt1, Dt2 – интервалы времени, регистрируемые первым и вторым оптодатчиками соответственно; Dt3 – интервал времени, измеренный первым или вторым датчиком в зависимости от направления движения налетавшей тележки после столкновения; v1 = l/Dt1, u1 = l/Dt3 – скорости налетавшей тележки до и после столкновения (l – расстояние между флажками); u2 = l/Dt2 – скорость первоначально покоившейся тележки после столкновения; Dv1 = u1 - v1 – изменение скорости двигавшейся до удара тележки; Dv2 = u2 – изменение скорости покоившейся до удара тележки (u1 = 0). Рекомендуется провести опыт с тележками одинаковой массы три раза, это повысит достоверность результата. После этого установите на одну из тележек груз и повторите эксперименты при разном соотношении масс движущейся и неподвижной тележек. При обработке результатов перед значением скорости налетавшей тележки после столкновения (u1) необходимо ставить знак минус, если направление ее движения в результате столкновения изменилось на противоположное. Анализ полученных результатов сводится к сопоставлению отношения изменения скоростей тележек и отношения их масс. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
