Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

Лабораторний практикум

Робота № 1. Визначення ємності та енергії зарядженого конденсатора

Мета роботи: ознайомитися з одним із методів визначення електроємності та енергії зарядженого конденсатора та виміряти їх.

Обладнання: набір конденсаторів, конденсатор невідомої ємності, ампервольтометр (авометр) або мікроамперметр, джерело електроживлення, перемикач двополюсний, комплект з’єднувальних провідників.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 4) і дайте відповідь на запитання:

1. Які види конденсаторів ви знаєте? Яка їхня будова?

2. Що таке ємність конденсатора?

3. Як визначається енергія зарядженого конденсатора?

4. У яких галузях використовують конденсатори?

Хід роботи

1. Складіть електричне коло за схемою (мал. 1), увімкнувши в нього джерело постійного струму, конденсатор відомої ємності, гальванометр і двополюсний перемикач.

Мал. 1

2. Зарядіть конденсатор. Для цього з’єднайте його на короткий час із джерелом струму. Потім, зосередивши увагу на стрілці приладу, швидко перемкніть конденсатор на гальванометр і визначте максимальне відхилення (відкид) стрілки, відлічуючи на око десяті частини поділки. Дослід повторіть кілька разів, щоб точніше зняти покази стрілки, і обчисліть коефіцієнт пропорційності k. (Якщо конденсатор постійної ємності заряджати від того самого джерела постійної напруги, а потім розряджати його через гальванометр, то стрілка гальванометра щоразу відхилятиметься по шкалі на те саме число поділок. Якщо змінити ємність конденсатора, то відхилення стрілки гальванометра буде іншим. Маючи конденсатори відомої ємності (еталони), на досліді можна переконатися, що ємність конденсатора С прямо пропорційна числу поділок n, на яке відхиляється стрілка гальванометра: С = kn. Звідси можна визначити коефіцієнт пропорційності

який є електроємністю, що відповідає одній поділці. Знаючи його, можна за відхиленням стрілки гальванометра визначити ємність будь-якого іншого конденсатора, повторивши з ним цей дослід.)

3. Виконайте досліди з конденсаторами іншої ємності і за знайденими даними обчисліть середнє значення k. Результати вимірювань і обчислень запишіть у таблицю.

Номер досліду

Ємність конденсатора С, мкФ

Число поділок на шкалі гальванометра

Коефіцієнт пропорційності

Середнє значення k

4. В електричне коло ввімкніть конденсатор невідомої ємності Сх і визначте, на скільки поділок відхиляється стрілка вимірювального приладу в цьому випадку. Знаючи коефіцієнт пропорційності k, обчисліть С за формулою С = knx.

5. За формулою

визначте енергію зарядженого конденсатора.

6. За результатами досліджень зробіть висновки.

Творче завдання. Розгляньте будь-який конденсатор. За написами на ньому визначте: 1) ємність конденсатора; 2) на яку напругу він розрахований; 3) який заряд він може накопичувати; 4) енергію, яку він може накопичити.

Робота № 2. Перевірка законів послідовного та паралельного з’єднання провідників

Мета роботи: навчитися з’єднувати провідники послідовно та паралельно, визначати опір таких з’єднань, розподіл сил струмів і напруг.

Обладнання: батарея акумуляторів, дві електролампочки (опори), амперметр постійного струму на 2 А, вольтметр постійного струму на 4 В, реостат, перемикач, з’єднувальні провідники.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 5) і дайте відповідь на запитання:

1. Чим відрізняється послідовне з’єднання провідників від паралельного?

2. Назвіть закони послідовного з’єднання провідників.

3. Назвіть закони паралельного з’єднання провідників.

4. Де застосовується послідовне та паралельне з’єднання провідників?

Хід роботи

1. Складіть електричне коло для вивчення послідовного з’єднання елементів за схемою (мал. 2).

Мал. 2

2. Запишіть покази амперметра.

3. Вольтметр під’єднайте паралельно: а) до опору R1 і запишіть покази вольтметра U1; б) до опору R2 і запишіть покази вольтметра U2; в) до ділянки кола з обома опорами і запишіть покази вольтметра U.

4. За даними амперметра та вольтметра визначте значення кожного опору і загальний опір кола.

5. Зробіть висновок, чи виконуються закони послідовного з’єднання елементів.

6. Складіть електричне коло для вивчення паралельного з’єднання елементів за схемою (мал. 3).

Мал. 3

7. Запишіть покази вольтметра.

8. Амперметр під’єднайте послідовно: а) до опору R2 і запишіть покази амперметра I1; б) до опору R2 і запишіть покази амперметра І2; в) до ділянки кола з R1 і R2 і запишіть покази амперметра I.

9. За даними амперметра і вольтметра визначте значення кожного опору і загальний опір кола.

10. Зробіть висновок, чи виконуються закони паралельного з’єднання елементів.

Творче завдання. Ви маєте 3 резистори, опір кожного з них 10 Ом. Які опори можна отримати за їхньою допомогою? Намалюйте ці з’єднання.

Робота № 3. Визначення ЕРС та внутрішнього опору джерела струму

Мета роботи: ознайомитися з одним з методів вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму.

Обладнання: досліджуваний гальванічний елемент (батарея гальванічних елементів), лабораторний амперметр, лабораторний вольтметр, реостат на 6-8 Ом і 2 А, ключ та з’єднувальні проводи.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 6) і дайте відповідь на запитання:

1. Що означає вислів «ЕРС гальванічного елемента дорівнює 1,5 В»?

2. Яка будова джерела струму, внутрішній опір якого вимірюється в роботі?

3. Чи зміняться покази амперметра, якщо переставити реостат з одного боку амперметра на другий?

4. Чи впливає внутрішній опір амперметра на точність вимірювання внутрішнього опору джерела струму?

Хід роботи

1. Визначте та запишіть характеристики засобів вимірювання, що використовуються в роботі, і внутрішній опір вольтметра. Внутрішній опір вольтметра лабораторного (шкільного) магнітоелектричної системи дорівнює 500 Ом.

2. Приєднайте вольтметр до клем джерела струму і виміряйте напругу U1. Складіть електричне коло за схемою (мал. 4). Повзунок реостата встановіть посередині. Після того як учитель чи учителька перевірить електричне коло, замкніть ключ і виміряйте напругу U2 та силу струму I.

Мал. 4

Результати вимірювань U1, U2 і I запишіть у таблицю.

Позначення величини

Покази приладів

Δв

Δі

Δ = Δв + Δі

Е, В

ΔЕ, В

ε, %

r, Ом

Δr, Ом

ε, %

U1

U2

I

3. Обчисліть E (ЕРС) джерела струму і похибку вимірювання.

4. Обчисліть внутрішній опір джерела струму і похибку вимірювання.

Творче завдання. Які ще існують методи вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму?

Робота № 4. Розширення меж вимірювання амперметра та вольтметра

Мета роботи: навчитися виготовляти шунт для розширення меж амперметра та додатковий опір для розширення меж вольтметра.

Обладнання: міліамперметр лабораторний, амперметр лабораторний, вольтметр лабораторний, мікрометр, лінійка з міліметровими поділками, омметр, джерело постійного струму на 6 В, реостат на 30 Ом, змінний резистор на 500 Ом на панелі, мідна або константанова дротина, панель із чотирма клемами, з’єднувальні проводи.

Підготовка до виконання роботи

Дайте відповідь на запитання:

1. Яке призначення шунта та додаткового опору?

2. Як можна визначити довжину дроту, щоб він мав потрібний опір?

3. Як можна пристосувати амперметр для вимірювання напруги?

4. Що потрібно зробити, щоб вольтметром можна було вимірювати силу струму?

Теоретичні відомості

Основною частиною будь-якого амперметра і вольтметра є високочутливий прилад магнітоелектричної системи (мікроамперметр або міліамперметр). Цей прилад має певну чутливість, і стрілка його відхиляється на всю шкалу при проходженні певного струму I0. Коли потрібно виготовити амперметр з номінальним значенням Іn = nI0, де n може бути числом порядку 10-105, до мікроамперметра чи міліамперметра приєднують паралельно резистор з опором rш (мал. 5, а).

Мал. 5

Цей резистор називають шунтом. Опір шунта rш можна визначити, виходячи з таких міркувань. Оскільки In = I0 + I, де I — сила струму, що проходить через шунт, і Irш = I0r0, де r0 — опір мікроамперметра, то

Поділивши чисельник і знаменник на I0 і врахувавши, що In : I0 = n, одержимо:

Щоб виготовити вольтметр для вимірювання напруги з номінальним значенням Un, до мікроамперметра чи міліамперметра приєднують додатковий резистор, опір якого rд (мал. 5, б). Значення додаткового опору визначають з рівності: Un = I0 (rд + r0), звідки

Хід роботи

1. Визначте і запишіть характеристики лабораторного міліамперметра. Його внутрішній опір — 10,7 Ом.

2. Розрахуйте опір шунта до лабораторного міліамперметра на 0,5 А. З мідної або константанової дротини виготовте шунт. Для цього виміряйте діаметр дротини, за довідниковими таблицями визначте питомий опір дротини та, використавши формули

визначте довжину дротини. Дротину закріпіть на панелі (для виготовлення шунта дротину треба взяти такої довжини, щоб був деякий запас, потрібний для закріплення її в клемах).

3. Підключіть шунт до клем міліамперметра і зберіть коло за схемою (мал. 6, де Ак — контрольний амперметр, яким є лабораторний амперметр; R — змінний резистор на 500 Ом).

Мал. 6

4. Замкніть ключ і, переміщаючи повзунок змінного резистора, перевірте покази виготовленого амперметра за допомогою контрольного. Запишіть результати перевірки і характеристики виготовленого амперметра та його внутрішній опір.

5. Розрахуйте додатковий опір на напругу 5 В. За додатковий опір візьміть змінний резистор, опір якого 500 Ом, встановивши за допомогою омметра потрібний опір. Приєднайте додатковий опір до клем міліамперметра і зберіть коло за схемою (мал. 7), де Vк — контрольний вольтметр, яким є лабораторний вольтметр; R1 — реостат. Замкнувши ключ і переміщаючи повзунок реостата, перевірте покази виготовленого вольтметра за допомогою контрольного. Запишіть результати перевірки і характеристики виготовленого вольтметра та його внутрішній опір.

Мал. 7

Творче завдання

1. Розрахуйте опір шунта на 1 А для шкільного лабораторного вольтметра, внутрішній опір якого 500 Ом.

2. Розрахуйте опір додаткового резистора на 100 В для шкільного лабораторного амперметра, внутрішній опір якого 0,48 Ом.

Робота № 5. Дослідження електричного кола з напівпровідниковим діодом

Мета роботи: вивчити основні властивості напівпровідникового діода.

Обладнання: германієвий напівпровідниковий діод, амперметр, джерело струму, провідники, реостат з ковзним контактом, вимикач, вольтметр.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 10) і дайте відповідь на запитання:

1. Які прилади називають діодами?

2. Як пояснити провідність діода у прямому і зворотному напрямках?

3. Де використовуються напівпровідникові діоди?

4. Чи збережеться одностороння провідність діода за високих температур?

Хід роботи

1. Ознайомтеся із зовнішнім виглядом діода, його маркуванням (мал. 8).

Мал. 8

2. Складіть коло із джерела струму, амперметра, реостата і вимикача. Виведіть повзунок реостата на найбільший опір (мал. 9).

Мал. 9

3. Замкніть коло і стежте за показами амперметра. Встановіть повзунок реостата так, щоб амперметр показував струм 0,1 А.

4. Розімкніть коло і в нього ввімкніть діод послідовно з амперметром.

5. Поступово змінюючи положення повзунка реостата, стежте за показами амперметра і вольтметра.

Результати вимірювань запишіть у таблицю.

Напруга U, В

Сила струму І, мА

6. За даними таблиці побудуйте вольт-амперну характеристику діода.

7. Якщо змінити полярність увімкнення діода в коло, то опір р-n-переходу збільшується і сила струму практично дорівнює нулю.

8. Обережно підігріваючи діод, стежте за показами амперметра. Що з ними відбувається?

9. Зробіть висновки.

Творче завдання

1. Чому діод добре проводить струм в одному напрямку (пропускному) і практично не пропускає струм у протилежному (запірному) напрямку?

2. Чому опір напівпровідника (діода) різко зменшується, якщо опір металів з підвищенням температури зростає приблизно лінійно?

Робота № 6. Вимірювання електрохімічного еквівалента міді

Мета роботи: виміряти електрохімічний еквівалент міді і значення елементарного заряду, отримати уявлення про гальваностегію та добування чистих металів за допомогою електролізу.

Обладнання: електролітична ванна, скляна посудина з розчином мідного купоросу, 2 електроди (анод і катод), джерело постійного струму на 4-6 В, секундомір, лабораторний амперметр (шкільний), терези з набором важків, повзунковий реостат на 6 Ом, наждачний папір, сухі серветки, ключ, з’єднувальні проводи.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 11) і дайте відповідь на запитання:

1. Що називають електрохімічним еквівалентом речовини?

2. Які процеси відбуваються в розчині на електродах при електролізі?

3. Яка відмінність між носіями струму в електролітах і в газах?

4. Чому навколо електроліту, усередині якого є заряджені йони, не можна виявити електричне поле?

Теоретичні відомості

Опис приладу і схеми

Для вимірювання електрохімічного еквівалента міді складають електричне коло за схемою (мал. 10). На цьому малюнку В — електролітична ванна — звичайна скляна посудина з розчином мідного купоросу і мідними електродами k і a; R — реостат; А — амперметр; К — ключ.

Мал. 10

Хід роботи

1. Визначте та запишіть характеристики засобів вимірювання, що використовуються в роботі.

2. Складіть електричне коло за схемою (мал. 10), тобто ввімкніть послідовно джерело струму, ключ К, електролітичну ванну В, амперметр А і реостат R з ковзним контактом.

3. Після того як учитель чи учителька перевірить схему, замкніть ключем K електричне коло і встановіть силу струму приблизно 1,8 А. Потім розімкніть коло, витягніть катод і добре очистіть його наждачним папером. Промийте й просушіть пластинку сухою серветкою та зважте.

Примітка. Не слід торкатися руками частини мідної пластинки, призначеної для осаджування металу, щоб там не залишилося масних плям, на яких буде погано осідати метал.

4. Поставте катодну пластинку на місце, установивши її строго паралельно анодній пластинці (щоб густина струму між пластинками була однакова).

5. Замкніть електричне коло й одночасно запустіть секундомір. Під час досліду стежте, щоб сила струму залишалася незмінною (наприклад, 1,8 А). Через 15 хв припиніть пропускати струм, обережно промийте пластинку проточною водою, висушіть серветкою і зважте.

6. Результати вимірювань сили струму, час проходження струму через електроліт і масу пластинки до і після пропускання струму запишіть у таблицю 1.

Таблиця 1

Позначення величини

Покази приладів

Δв

Δі

Δ = Δв + Δі

k, кг/Кл

Δk, кг/Кл

ε, %

m

I

t

7. Обчисліть значення електрохімічного еквівалента міді та похибки вимірювання:

8. Обчисліть значення елементарного заряду із строгим обліком похибок (табл. 2).

Вказівка. Для знаходження значення елементарного заряду використати формулу

Значення атомної маси міді та числа Авогадро взяти з такою кількістю значущих цифр, щоб їхніми похибками можна було знехтувати (порівняно з похибками вимірювання I і m).

Таблиця 2

Позначення величини

Покази приладів

Δв

Δі

Δ = Δв + Δі

е, Кл

Δе, Кл

ε, %

m

I

t

Творче завдання

1. Виміряйте товщину шару міді, що утворився на катоді за час проходження струму.

2. Визначте, яка кількість йонів проходила щосекунди через розчин мідного купоросу під час проведення досліду.

3. За даними, узятими з таблиць, обчисліть число Фарадея.

Робота № 7. Дослідження явищ електромагнітної індукції та самоіндукції

Мета роботи: експериментально вивчити явища електромагнітної індукції та самоіндукції.

Обладнання: дві котушки з осердями, два дугоподібні або штабові магніти, лабораторний міліамперметр, джерело постійного струму на 5-6 В, реостат на 30 Ом, вимикач, дві однакові електролампочки, реостат на 10 Ом, котушка з великою кількістю витків і замкнутим осердям, з’єднувальні проводи.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 17) і дайте відповідь на запитання:

1. Який струм називають індукційним?

2. Як за правилом Ленца визначити напрямок індукційного струму?

3. Що таке потік магнітної індукції?

4. Від чого залежить ЕРС індукції? Чому не виникає в котушці ЕРС індукції, якщо магніт нерухомий відносно котушки або по первинній котушці проходить постійний струм?

5. У котушку двічі з однаковою швидкістю вводять магніт: коли котушка розімкнена і коли замкнена. Коли потрібно розвивати більшу потужність і чому?

Хід роботи

1. Приєднайте котушку з великою кількістю витків до міліамперметра. Швидко введіть магніт у котушку і стежте за показами приладу. Залиште магніт у котушці й зафіксуйте покази приладу.

Швидко витягніть магніт з котушки і стежте за показами приладу. Повторіть попередні досліди, тримаючи магніт у руці нерухомо і переміщуючи котушку. Поясніть, у яких випадках індукується струм.

2. Повільно введіть у котушку, замкнену на гальванометр, або витягніть з неї спочатку один, а потім два магніти, складені однойменними полюсами. Дослід повторіть, збільшивши швидкість руху магнітів. З’ясуйте, у яких випадках сила індукційного струму більша.

3. Послідовно до міліамперметра приєднайте ще реостат і приблизно з однаковою швидкістю введіть у котушку (або витягніть з неї) два магніти: спочатку, коли реостат виведений з кола (R = 0), а потім, коли він уведений у коло (R = 30 Ом). Зафіксуйте покази приладу. Зробіть висновки.

4. Швидко введіть магніт у котушку, ввімкнену в те саме електричне коло, що використовувалося в п. 3, і зафіксуйте напрямок відхилення стрілки міліамперметра. За відхиленням стрілки визначте напрямок індукційного струму і силових ліній магнітного поля індукційного струму.

Проведіть дослідження магнітного поля індукційного струму під час витягування магнітів. Упевніться в обох випадках, що справджується правило Ленца.

5. З електричного кола, що використовувалося в п. 4, вимкніть реостат, тобто котушку з великою кількістю витків приєднайте лише до міліамперметра. Другу котушку приєднайте послідовно з реостатом, вимикачем і джерелом струму. Одну котушку вставте у другу і введіть у них залізне осердя або надіньте обидві котушки на спільне осердя. Реостат повністю виведіть. Ключем замкніть коло і при цьому стежте за показами приладу. Потім швидко збільшіть опір кола, зменшіть його і вимкніть коло. Весь час стежте за показами приладу, поясніть, у яких випадках індукується струм.

6. Використовуючи те саме електричне коло, що і в п. 5, повністю виведіть реостат, замкніть коло, швидко реостатом збільшіть і зменшіть опір кола; повільно збільшіть і зменшіть опір кола. Запишіть максимальне відхилення стрілки міліамперметра при замиканні кола, швидкому зменшенні опору кола, повільному зменшенні опору кола. Зробіть висновок про значення ЕРС індукції у проведених дослідах.

7. Використовуючи те саме електричне коло, що і в пп. 5 і 6, замкніть і розімкніть його, фіксуйте напрямок відхилення стрілки міліамперметра. За напрямком відхилення стрілки міліамперметра визначте напрямок індукційного струму, напрямок силових ліній магнітного поля цього струму, а за полярністю джерела струму — напрямок струму в первинній котушці і напрямок силових ліній його поля.

Поясніть, який напрямок індукційного струму порівняно з індукуючим під час замикання й розмикання індукуючого струму, під час збільшення та зменшення його. Перевірте на проведених дослідах виконання правила Ленца.

8. Складіть електричне коло (мал. 11). Спостерігайте світіння електричних лампочок після замикання електричного кола. Поясніть явище, яке спостерігаєте.

Мал. 11

9. Складіть електричне коло (мал. 12). Стежте за показами міліамперметра при розмиканні електричного кола. Поясніть явище, яке спостерігаєте.

Мал. 12

Примітка. Малюючи схеми дослідів, позначте полюси магніту (N і S), напрямок струму на витках котушки. Ближчу до спостерігача частину витків котушки накресліть товстими лініями, а дальшу — тонкими.

Творче завдання. Увімкніть регулятор гучності гучномовців на максимум. З’єднайте гучномовці двома проводами і розмістіть їх у різних кімнатах. Зачиніть двері між кімнатами. Попросіть, щоб хтось голосно говорив у один гучномовець, а у другий — слухайте. Поясніть спостережуване явище.

Робота № 8. Визначення прискорення вільного падіння за допомогою математичного маятника

Мета роботи: визначити прискорення вільного падіння за допомогою маятника.

Обладнання: кулька з отвором, нитка, штатив з муфтою і кільцем, вимірювальна стрічка, годинник із секундною стрілкою або секундомір.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 20) і дайте відповідь на запитання:

1. Хто вперше ввів поняття прискорення вільного падіння тіл?

2. Від чого залежить прискорення вільного падіння тіл?

3. Що таке математичний маятник?

Хід роботи

1. Установіть на краю стола штатив. У верхній частині штатива за допомогою муфти закріпіть кільце та підвісьте до нього кульку на нитці. Кулька має висіти на відстані 3-5 см від підлоги (мал. 13).

Мал. 13

2. Вимірювальною стрічкою виміряйте довжину l маятника.

3. Відхиліть маятник від положення рівноваги та відпустіть його.

4. Виміряйте час 40-60 повних коливань.

5. За формулою g = 4п2n2l/t2 обчисліть g.

6. Повторіть дослід ще 4 рази й обчисліть g.

7. Визначте середнє значення отриманих значень виміряних величин.

8. Одержані результати запишіть у таблицю.

l, м

Δl, м

N

t, с

tc, с

Δtc, с

Т, с

Тс, с

g, м/с2

gc, м/с2

Δgc, м/с2

ε, %

1

2

3

4

5

9. Порівняйте одержане значення g із значенням g = 9,81 м/с2 та обчисліть похибки вимірювання:

10. Результати запишіть у вигляді: g = gc ± Δgc. Зробіть висновки.

Творче завдання. Використовуючи знання з фізики, запропонуйте власний спосіб визначення прискорення вільного падіння.

Робота № 9. Дослідження коливань пружинного маятника

Мета роботи: дослідити залежність періоду коливань пружинного маятника від маси тягарця і жорсткості пружини.

Обладнання: набір тягарців з механіки НГМ-100, тримач зі спіральною пружиною, штатив для фронтальних робіт, метр демонстраційний, секундомір або годинник із секундною стрілкою.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 20) і дайте відповідь на запитання:

1. Що таке жорсткість пружини?

2. Як зміниться період коливань вертикального пружинного маятника, коли замість однієї пружини взяти дві такі самі, з’єднані паралельно? Послідовно?

3. Як зміниться період коливань пружинного маятника, коли його перенести з полюса на екватор?

4. Чи можна наручними механічними годинниками виміряти час у стані невагомості?

Хід роботи

1. Закріпіть пружину з тримачем у лапці штатива і підвісьте до неї тягарець масою 100 г. Поряд з тягарцем вертикально закріпіть вимірювальну лінійку та позначте початкове положення тягарця.

2. Підвісьте до пружини ще два тягарці масою по 100 г (мал. 14) і виміряйте її видовження Δx, спричинене дією сили F = 2 Н. За виміряним видовженням і відомою силою обчисліть жорсткість пружини:

Мал. 14

3. Знаючи жорсткість пружини, обчисліть період Т пружинного маятника масою 200 і 400 г за формулою:

4. Залиште на пружині два тягарці масою по 100 г, виведіть пружинний маятник з положення рівноваги, змістивши його на 5-7 см униз, і експериментально визначте період коливань маятника. Для цього, вимірявши інтервал часу Δt, протягом якого маятник робить 20 повних коливань, визначте період коливань за формулою:

5. Такі самі вимірювання та обчислення виконайте з маятником масою 400 г.

6. Складіть таблицю та запишіть у неї результати.

7. Порівняйте результати та зробіть висновки.

Творче завдання. За допомогою пружинного маятника виміряйте прискорення вільного падіння.

Робота № 10. Визначення роздільної здатності ока

Мета роботи: навчитися визначати роздільну здатність ока людини та інші його властивості.

Обладнання: аркуш білого паперу, аркуш міліметрового паперу, голка, лінійка, екран, метрова стрічка.

Підготовка до виконання роботи

Дайте відповідь на запитання:

1. Що таке роздільна здатність ока людини?

2. Що таке лінійна роздільна здатність?

3. Що таке кутова роздільна здатність?

Теоретичні відомості

Роздільна здатність ока — це величина, що характеризує його здатність давати роздільне зображення двох близьких одна до одної точок об’єкта.

Найменшу лінійну (або кутову) відстань між двома точками, при якій їхні зображення сприймаються роздільно, називають лінійною (або кутовою) роздільною здатністю.

Кутова роздільна здатність — найменший кут зору, при якому око людини ще розрізняє дві точки предмета окремо. На практиці прийнято вважати, що кутова роздільна здатність ока лежить у межах 2-4 кутових хвилин.

Лінійна роздільна здатність (Z) — найменша відстань між двома точками предмета, що розглядається з відстані найкращого зору, при якому вони помітні роздільно.

Нагадаємо, що мова йде про відстань найкращого зору для цього ока. Для ока з нормальними межами акомодації α0 = 0,25 м (25 · 104 мкм); β = 2'-4' (5,8-11,6 · 10-4 рад.). Використовуючи ці значення, отримаємо таку оцінку для лінійної роздільної здатності нормального ока: Z = 145-290 мкм.

Для короткозорого ока в межах його акомодації значення β таке саме, як для нормального ока, а відстань найкращого зору — менша. Пропорційно менша і лінійна межа роздільності. Для далекозорого ока — навпаки.

Хід роботи

1. Для визначення роздільної здатності ока потрібно мати об’єкт спостереження. Доцільно взяти аркуш білого паперу з двома точками на відстані d = 1 мм одна від одної (мал. 15) чи лінійку з міліметровими поділками. Закріпіть цей аркуш (лінійку) вертикально.

Мал. 15

2. Виміряйте максимальну відстань, з якої ще можна розрізнити ці точки.

3. Роздільну здатність ока визначте за формулою:

4. Для дослідження залежності роздільної здатності ока від діаметра отвору, через який розглядається об’єкт, у смужці міліметрового паперу голкою проколіть отвори діаметром 0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм і т. д. Визначте роздільні здатності ока при спостереженні об’єкта через ці отвори.

5. Переконайтеся, що зі зменшенням діаметра отвору зменшується і відстань l, тобто збільшується кут φ.

6. За результатами дослідження побудуйте графік залежності роздільної здатності ока від діаметра отвору в екрані.

Творче завдання. Дослідіть інші властивості ока (виявлення сліпої плями, зміна діаметра зіниці, акомодація ока, зір двома очима).

Робота № 11. Вимірювання довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної ґратки

Мета роботи: виміряти довжину світлової хвилі, знаючи сталу дифракційної ґратки і знаходячи кут відхилення променя світла від прямолінійного напрямку.

Обладнання: прилад для вимірювання довжини світлової хвилі, електрична лампа з прямою ниткою розжарювання.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 34) і дайте відповідь на запитання:

1. Яка будова дифракційної ґратки? Що називають її періодом?

2. Як утворюється дифракційний спектр і чим він відрізняється від призматичного?

3. Які промені дифракційного спектра відхиляються від початкового напрямку на більший кут?

4. Як впливає зміна періоду дифракційної ґратки на кут відхилення променів?

Опис приладу

Прилад для вимірювання довжини світлової хвилі (мал. 16) складається з дерев’яного бруска 2, на якому є шкала з міліметровими поділками, рамки 1 для дифракційної ґратки і повзунка 3 зі щілиною, на якому нанесено міліметрові поділки. Брусок шарнірно з’єднаний із стержнем 4. Його вставляють в отвір масивної підставки 5. Така будова приладу дає змогу закріплювати його під різними кутами й розміщувати в будь-якому напрямку. Шкалу 3 зі щілиною і захисним щитком зверху можна переміщувати вздовж бруска.

Мал. 16

Хід роботи

1. Визначте та запишіть характеристики шкал, за якими проводяться вимірювання.

2. Джерелом світла для всіх установок буде лампа, яку слід розмістити на демонстраційному столі, підключивши її до освітлювальної мережі.

3. Уставте дифракційну ґратку в рамку й накладіть на брусок 2 повзунок зі шкалою (мал. 16). Дивлячись через дифракційну ґратку, спрямуйте прилад на лампу так, щоб крізь вузьку прицільну щілину повзунка, яка міститься над нульовою міткою шкали 3, було видно нитку розжарювання лампи. Тоді по обидва боки від щілини з’являться дифракційні спектри. Якщо спектри трохи нахилені відносно шкали, то це означає, що штрихи дифракційної ґратки не вертикальні. Повернувши рамку з ґраткою на деякий кут, треба усунути перекіс.

4. Визначте положення червоних і фіолетових променів спектрів першого та другого порядку. Для цього треба переміщувати шкалу вздовж бруска то далі від лампи, то ближче до неї, щоб досліджуваний промінь був на позначці шкали. Так буде зручно встановити його розташування. Нехай досліджуваний промінь буде на позначці шкали h1. З другого боку щілини він має бути на тій самій відстані. Якщо при цьому праворуч і ліворуч від 0 ці відстані будуть трохи відрізнятися, то треба знайти їхнє середнє арифметичне значення.

5. Виміряйте відстань l від екрана до дифракційної ґратки. За результатами вимірювання відстаней h і l легко визначити тангенс кута, під яким спостерігається досліджуваний промінь, а за ним і синус цього кута. Справді, тангенс кута φ, під яким розглядається досліджуваний промінь, визначається за формулою:

Оскільки кут φ незначний, то tgφ ≈ sinφ і формула nλ = dsinφ матиме вигляд:

6. Результати вимірювань запишіть у таблицю.

Позначення величини

Покази приладів

Δв

Δі

Δ = Δв + Δі

λ, м

Δλ, м

ε, %

d

h

l

Обробка результатів експерименту

7. Обчисліть довжини хвиль досліджуваних променів та похибки вимірювань:

8. Знаючи довжину світлової хвилі, визначте її частоту.

Творче завдання. Компакт-диск поставте так, щоб світло від далеко розміщеної лампочки ковзало по його поверхні, а борозенки були перпендикулярні до напрямку зору. Опишіть і поясніть спостережувану картину.

Робота № 12. Спостереження неперервного та лінійчастого спектрів речовини

Мета роботи: ознайомитися з методом якісного спектрального аналізу.

Обладнання: спектроскоп двотрубний з відліковим мікрометричним гвинтом, трубки спектральні, прилад для засвічування спектральних трубок «Спектр», джерело електроживлення, ключ, комплект з’єднувальних провідників, дротина із шматком вати на підставці, колба зі спиртом, сіль кухонна, сірники.

Підготовка до виконання роботи

Повторіть навчальний матеріал (§ 40) і дайте відповідь на запитання:

1. Що таке спектр?

2. Які бувають спектри?

3. Як можна спостерігати різні види спектрів?

4. Які прилади використовують для спектрального вивчення складу речовин?

Хід роботи

1. Уставте трубку з гелієм у тримач приладу для засвічування спектральних трубок і приєднайте прилад через вимикач до джерела постійного струму напругою близько 6 В. Щілину коліматора спектроскопа підведіть упритул до спектральної трубки і ввімкніть джерело живлення.

2. Спостерігайте спектр через окуляр зорової труби спектроскопа, обертаючи мікрометричний гвинт, щоб поступово побачити всі спектральні лінії гелію. Переміщуючи окуляр, намагайтеся отримати чітке зображення.

3. Мікрометричним гвинтом поверніть зорову трубу вправо так, щоб у полі зору з’явилася крайня червона спектральна лінія. Сумістіть зображення вертикальної нитки із цією лінією і запишіть покази мікрометра в таблицю. Мікрометричний гвинт має крок 1 мм, його головку поділено на 50 рівних частин, отже, ціна поділки шкали на головці становить 0,02 мм. Цілі міліметри відлічуйте за нерухомою шкалою на циліндрі, а соті частки — за шкалою на головці гвинта.

Колір лінії

Покази мікрометра, мм

Довжина хвилі за довідником, нм

Червоний

728

Оранжевий

668

Жовтий

588

Зелений

502

Блакитний

492

Синій

471

Фіолетовий

447

4. Обертаючи мікрометричний гвинт, пересувайте зорову трубу до суміщення нитки з кожною з наступних спектральних ліній. Для кожної лінії запишіть покази мікрометра в таблицю проти зазначених довжин хвиль гелію, узятих з довідника.

5. За записами показів мікрометричного гвинта і довжинами хвиль, які відповідають цим показам, побудуйте криву. Для цього на осі абсцис відкладіть покази мікрометра, а на осі ординат — довжину світлових хвиль, узявши відповідний масштаб. Через знайдені точки проведіть плавну криву.

6. Змочіть вату на дротині спиртом і закріпіть її за допомогою підставки на висоті щілини коліматора. Запаліть вату і спостерігайте слабкий суцільний спектр. Посипте вату, на якій горить спирт, дрібною кухонною сіллю і спостерігайте появу на фоні суцільного спектра яскравої жовтої лінії пари натрію. Сумістіть з нею нитку і запишіть покази мікрометричного гвинта. Користуючись побудованою кривою, визначте довжину хвилі жовтої лінії натрію. Для цього на осі абсцис відкладіть покази мікрометричного гвинта, із цієї точки опустіть перпендикуляр і продовжіть його до перетину із побудованою кривою. Опустіть з точки перетину перпендикуляр на вісь ординат і зазначте відповідне значення довжини хвилі.

7. За результатами досліджень зробіть висновок.

Творче завдання. Застосовуючи світлофільтри, поспостерігайте спектри. Запишіть, як при цьому змінюються спектри.

Робота № 13. Вивчення властивостей фотодіода і зняття вольт-амперної характеристики (ВАХ)

Мета роботи: вивчити фотоефект і зняти ВАХ світлодіодів.

Обладнання: світлодіоди (червоний, зелений VH-АЛ 307БМ (АЛ 310БМ)), міліамперметр, вольтметр, повзунковий реостат, баластовий резистор, дифракційна ґратка на лінійці, спектроскоп.

Підготовка до виконання роботи

Дайте відповідь на запитання:

1. Що таке фотоефект?

2. Хто відкрив явище фотоефекту?

3. Запишіть рівняння фотоефекту.

4. Що таке червона межа фотоефекту?

5. Де застосовують фотодіоди?

Принцип роботи і будова світлодіода

Принцип роботи можна пояснити так: електрони з напівпровідника n-типу дифундують у напівпровідник p-типу, а дірки — навпаки. У результаті поблизу межі розділу утвориться подвійний напружений шар (мал. 17), що є n-р-переходом.

Мал. 17

З утворенням подвійного шару збільшується електричне поле, що перешкоджає подальшій дифузії електронів і дірок. Виникає контактна різниця потенціалів.

Якщо до такого n-р-переходу прикласти напругу прямого зсуву Uпр, тобто «плюс» з n-електроном, то при Uпр = Uк контакті різниця потенціалів виявиться скомпенсованою і через перехід пройде струм. При напругах зсуву Uпр = Uк перехід поводиться як ділянка кола, що має визначений омічний опір, на якому при збільшенні напруги збільшується і сила струму. Основна особливість цієї ділянки (переходу) — основні носії заряду, одержавши надлишкову енергію, рекомбінують з неосновними. У цьому випадку виникає випромінювання, частота якого визначається співвідношенням:

де ΔΕ — отримана основними носіями заряду енергія; е — заряд електрона; Uпр — робоча напруга світлодіода, тобто напруга, за якої починається випромінювання. Її значення залежить від матеріалу напівпровідника і становить від 0,8 до 2 В, що відповідає довжині хвилі випромінювання від 1500 до 400 нм.

Найвідоміша і поширена конструкція світлодіода (мал. 18, а), де діоди 2 заливаються пластмасою, 1 — р-n-перехід.

Мал. 18

Корпус являє собою лінзу 3, що збирає випромінювання. Схематичне позначення показано на малюнку 18, б, скорочене найменування — VН. Світлодіод підключається до джерела струму в прямому напрямку, його вольт-амперна характеристика (мал. 18, в) подібна до характеристики діода. Для обмеження прямого струму послідовно з ним умикається баластовий резистор.

У довідковій літературі з радіотехніки є спектральна характеристика світлодіода. Максимум випромінювання припадає на довжину хвилі λmax = hc / ΔΕ за будь-якої напруги (мал. 19).

Мал. 19

Хід роботи

1. Зберіть схему (мал. 20). VH — світлодіод, АЛ 307БМ (АЛ 310БМ), мА — міліамперметр на 50 мА, V — вольтметр на 4 В, R1 — повзунковий реостат на 500-1000 Ом, за допомогою якого регулюється напруга на світлодіоді, R2 — баластовий реостат опору на 51 Ом.

Мал. 20

2. Плавно переміщуючи повзунок реостата, стежте за кристалом світлодіода. У момент появи світіння запишіть у таблицю, яку ви склали, струм і напругу. Поступово збільшуючи напругу через 0,2 В, запишіть відповідні значення струмів від напруг. Аналогічні дії виконайте для червоного і зеленого світлодіодів.

3. Для обох світлодіодів побудуйте графіки залежності.

4. Зробіть оцінку точності вимірювання робочої напруги, довжини хвилі, частоти.

Творче завдання. Через спектроскоп або крізь дифракційну ґратку розгляньте центр випромінювання світлодіодів. З’ясуйте та установіть залежність виду спектра випромінювання від напруги. Яка спостерігається залежність між яскравістю випромінювання і довжиною хвилі (поблизу максимального випромінювання)?

Робота № 14. Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями

Мета роботи: визначити напрямок вектора індукції магнітного поля, виміряти радіуси кривизни треків, обчислити відношення заряду частинки до її маси.

Обладнання: фотографії треків заряджених частинок у камері Вільсона, лінійка з міліметровими поділками, аркуш прозорого паперу, трикутник.

Підготовка до виконання роботи

Дайте відповідь на запитання:

1. Від чого залежить товщина треку? Як можна визначити напрямок руху частинки?

2. Як можна визначити напрямок індукції магнітного поля, у якому рухалися частинки?

3. Від яких параметрів залежить радіус кривизни треку частинки?

4. За якої умови кривизна треків буде однаковою?

5. Як визначити радіус кривизни треку частинки?

6. Як ураховувати масштаб фотографії при визначенні радіуса кривизни треку частинки?

7. Як знаходять енергію частинки?

8. Як установлюють, якій частинці належить даний трек?

Теоретичні відомості

За допомогою камери Вільсона спостерігають і фотографують треки (сліди) рухомих заряджених частинок.

Якщо камера Вільсона поміщена в магнітне поле, то на рухомі в ній заряджені частинки діє сила Лоренца, яка визначається співвідношенням (для випадку, коли швидкість руху частинки перпендикулярна до ліній поля):

F = qvB ,

де q — заряд частинки; v — швидкість її руху; В — індукція магнітного поля. Правило лівої руки дає змогу показати, що сила Лоренца напрямлена завжди перпендикулярно до швидкості частинки і, отже, є доцентровою силою:

де m — маса частинки; R — радіус кривизни її трека. Звідси

Якщо частинка має швидкість набагато меншу, ніж швидкість поширення світла (тобто частинка не релятивістська), то співвідношення між значенням її кінетичної енергії і радіусом кривизни має вигляд:

Хід роботи

На малюнку 21 видно треки ядер легких елементів (останні 22 см їхнього пробігу, I-IV — треки різних частинок). Ядра рухалися в магнітному полі, індукція якого 2,17 Тл напрямлена перпендикулярно до фотографії. Початкові швидкості всіх ядер однакові та перпендикулярні до ліній поля.

Мал. 21

Завдання:

1. Визначте напрямок вектора індукції магнітного поля. Поясніть, чому траєкторіями частинок є дуги кіл. Яка причина відмінності у кривизні траєкторій різних ядер?

2. Чому кривизна кожної траєкторії змінюється від початку до кінця пробігу частинки?

3. Поясніть причини відмінності в товщині треків різних ядер. Чому трек кожної частинки товстіший наприкінці пробігу, ніж на його початку?

4. Виміряйте радіуси кривизни трека частинки I приблизно на початку і наприкінці пробігу.

5. Визначте, на скільки змінилася енергія частинки за час пробігу, якщо відомо, що частинка I ідентифікована як протон.

6. Виміряйте радіус кривизни трека частинки III на початку її пробігу. Знаючи, що початкова швидкість цієї частинки дорівнює початковій швидкості протона (нижній трек), обчисліть для частинки III відношення заряду до маси. За отриманим значенням визначте, ядром якого елемента є ця частинка.

Творче завдання. Решта треків належить ядрам Дейтерію і Тритію. Якому саме ядру належать трек II і трек IV?