Комплект лабораторного оборудования для углубленного изучения физики

К ОМПЛЕКТ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УГЛУБЛЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ предназначен для использования в классах и группах, изучающ их физику по углубленным программам. Наряду с закреплением теоретическ их зн а ний и первичных навыков эксп ериментальных наблюдений он призван формир о вать альтернативный, творческий образ мышления. Комплект позволяет прове сти цикл лабораторных работ, входящих в пр о грамму традиционного курса физики. Но его главное отличие сос тоит в том, что предусмотрена возможность показать физические явления в более полном объеме и всесторонне исследовать и особенности их проявле ния. Каждая лабораторная работа построена по принципу укрупненных дида ктических единиц - охватывает большой объем учебного материала, в том чи сле из разных разделов курса физ и к и. Это открывает широкие возможности для укрепления внутрипредметных с в я зей, для обобщения и систематиза ции теоретических знаний. Предлагаемые в большом количестве задания об легчают формирование прочных навыков эксп е риментальных наблюдения и измерений. Содержание и проблемная постановка заданий способствует воспитанию особого исследовательск ого образа мышл е ния. В соответствии со структурой и содержанием лабораторных работ их следу ет проводить на уроках, в форме практикума по завершении изучения входя щих в них разделов. Второй вариант – выполнение работ во внеурочное вре мя, на кру ж ковых или факультативны х занятиях. Лабораторные работы собраны из современных широко распространенных и доступных и недорогих приборов и материалов, допускающих замену, ремон т, дальнейшее техническое и методическое совершенствование. В состав комплекта входят следующие работы 1. Движение электрических зарядов в электрическом и ма гнитном полях . О с ц иллографическая трубка с соленоидами и блоком питания, обеспечивающим электростатическое и магнитное отклонение. Позволяет исследовать а) ли нейное, плоское и пространственное движение частиц в электрическом по ле, б) де й ствие на движущиеся заряд ы продольного и поперечного магнитного полей, в) удельный заряд электрон а методом магнетрона, методом магнитной фокусировки и методом скрещенн ых полей. 2. Кинематика и динамика поступательного и вращательн ого движения твердого тела. Специальный учебно-лаборат орный стенд, с модифицированными машиной Атвуда и маятником Обербека. П озволяет углублять представление о массе и моменте инерции, как мере ине ртности тела, об ускорениях в прямол и нейном и вращательном движениях, о моменте силы и моменте инерции, об и м пульсе и моменте импульса, исс ледовать законы кинематики, второй и третий з а коны Ньютона, 3. Кинематика и динамика колебательного движения. Специальный учебно-лабораторный стенд с кронштейнами и на бором оборудования для сборки «м а тематического», физического и крутильного маятников. Позволяет исслед овать законы колебаний маятников, а также особенности колебаний комбин ированных маятников и системы связанных маятников. 4. Термометрия и калориметрия. В компл ект входят материалы и приборы для сборки, исследования и градуировки т ермометров газовых, жидкостных, тверд о тельных (биметаллических), на сопротивлениях проводников и полупр оводников, а также пирометров. Калориметрические измерения включают яв ления нагрев а ния, агрегатных прев ращений, теплопроводности 5. Дифракция и интерференция света. Оп тическая скамья, состоящая из осв е тителя с лампой накаливания и лазером, проекционной линзы, набора дифра кц и онных структур (щели, решетки, к руглые отверстия и экраны, зонные пластинки). Позволяет наблюдать и иссл едовать явление дифракции и некоторые применения этого явления. 6. Поляризация света. Оптическая скамь я, состоящая из осветителя с лампой накаливания и лазером, проекционной линзы, набора поляроидов, оптически из о тропных и анизотропных материалов, фотометра. Позволяет получать , набл ю дать и исследовать анизотро пию света (линейно и эллиптически поляризованный свет) и материалов (опт ическую активность, фотопластичность и фотоупругость, интерференцию п оляризованного света). Цель работы: Углубить представления о температуре, изучит ь физические принципы и освоить некоторые методы измерения температур ы. Оборудование: Газовый и жидкостные термо метры, термопара, термометр сопротивления, те р мистор, медная и константановая проволока, мультиметр, наноампе рвольтметр, электроплитка, металлический стакан с водой 1.Теоретическая часть 1.1. Понятие тем пературы . Температура в обычном понимании характеризует степень н агретости тела. Строгое опред е ление темп ературы даётся в молекулярно– кинетической теории, где под температур ой поним а ют меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул и деального газа: < е >= m < v > 2 /2 =(3/2) kT (1) где k = 1.38·10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана, m – масса молекулы, < v > – средняя квадрати ч ная скорость её поступательного движения, Т - термодинамическая температу ра. Из последнего определения ясно, что обычно измеряемая температура отн осится к огромн о му числу молекул и даёт п редставление об их средней кинетической энергии. Понятие темпер а туры можно применять только к массиву молеку л, поэтому температура является макроск о пическим параметром состояния вещества. 1.2 Принципы те рмометрии . 1.2.1 .Термометри ческие параметры. Измерение температуры обы чно производится косвенным путём, т. е. не сводится к измер е нию кинетической энергии молекул. Оно основывае тся на измерении таких физических пар а м етров тел, которые зависят от температуры. Здесь важно, чтобы выбранный п араметр сущ е ственно, н епрерывно, однозначно и просто зависел от температуры и и змерялся простыми средствами. Важно также, чтобы процедура измерения в еличины параметра не вносила зн а читель ных изменений в температурный режим исследуемой среды. В термометрах можно выделить две главные составные части – те рмометрическое тело, и регистрирующее устройство с отсчетной шкалой. Те рмометрическое тело так называемых ко н тактных термометров помещается непосредственно в исследуемую с реду. В дистанционных термометрах термометрическое тело и регистрирую щее устройство пространственно разнесены и бывают связаны электричес кими проводами. В оптических термометрах (они называются пирометрами) т ермометрическим телом является сам исследуемый объект или его часть, а с вязь его с регистрирующим устройством производится оптическими средс твами. Приведем список наиболее употребляемых термометрических парам етров: - объём тела (тепловое расширение, V = V o (1+ б t ) , жидкостны е и газовые термометры); - электропроводность (сопротивление ( R=R 0 (1+ б t) , проводники (те рморезисторы) и полупр о водники (термисто ры); - термоЭДС ( Е t = е o t , термопары или термоэлементы); - линейные размеры (линейное расширение L=L 0 (1+ a t), биметаллические пластины); - спектр излучения (энергети ческая светимость - закон Стефана-Больцмана R э = s T 4 - или спектральный состав излучения – закон Вина l min = b/T , - радиационный, яркостный и цветовой пирометры); Могут применяться также скорость распространения звука, пока затель преломления света веществом и многие другие параметры вещества, зависящие от температуры. К важнейшим принципам методики термометрии относится строг ое соблюдение следующего условия – показания считаются достоверными только тогда, когда термометрическое тело и ср е да вошли в состояние теплового равновесия друг с другом. Поэ тому очень важно, чтобы тепл о вая «и нертность» измерительного прибора была незначительной (тогда, он скоре е примет те м пературу измеряемой с реды), а собственная теплоёмкость – минимальной ( при этом он не вн е сёт искажений в состояние среды). В отдельных случаях, при точечных и локальных измерениях геометрическ ие размеры раб о чей части термометра долж ны быть точечными. 1.2.2 Температурные шкалы. В настоящее время применяются несколько температурных ш кал, отличающихся выбором опорных (реперных) точек. В шкале Цельсия интервал между точкой плавления льда и точк ой кипения воды при нормальном давлении (760 мм рт.ст.) делится на сто равных долей – градусов Цельсия ( 0 С). В шкале Фаренгейта за нуль принимается температура смес и льда и соли ( -32 0 С), а точка кипения воды прини мается за 212 градусов. Третья шкала – это наиболее употребляемая в научной литературе абсолютная шкала те м ператур. Физический смысл нулевой температуры в этой шкале – по лное отсутствие молекуля р ного движения (см. формулу (1). Связь между температурными шкалами имеет вид: t с = (5/9) Ч'27 ( t F -32); t F =32+(9/5) Ч'27 t c ; t c = t = T k -273; T k = T = t c +273 1.3 Виды термометров. 1.3.1 Газовые термометры. Наиболее строго требованию существенной, непрерывной и лине йной зависимости от темп е ратуры о твечают такие параметры идеального газа, как объём и давление. Поведени е реального газа при небольших давлениях и достаточно высоких температ урах практически не отличается от поведения идеального газа. По этой при чине газовые термометры используются как этало н ные, по ним градуируют и поверяют другие типы термометро в. Простейший газов ый термометр может представлять собой укрепленную на линейке колбу с га зом, завершающуюся отогнутой в сторону стеклянной трубкой (рис.1). Находя щаяся в тру б ке капля ртути отделяет газ к олбы от атмосферы. При нагрев а нии газ рас ширяется, а его давление остаётся равным атм о сферному. В соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева pV = mRT / M его объём и температура находя тся в соотношении: V =(mRТ/Мр) =(mR/Мр)Т = бТ . Для конкретного термометра выражение (mR/Мр) играет роль постоянного коэффициента б , зависящего от количества газа, его состава и от атмосферного д авления. Процедура измерения температуры газовым термометром сводится к тому, что его термоме т рическое тело (колбу) пом ещают в исследуемую среду, затем, дождавшись установления равн о весия, определяют объём V и по графику T = f( V ) находят температуру Т. На пр актике после предварительной градуировки линейка Л становится шкало й термометра. 1.3.2. Жидкостные термометры . Если ёмкость газового термометра заполнить жидкостью с достаточно большим коэффиц и ентом теплового объёмного расширения, то полученный прибор станет жидк остным термоме т ром. В настоящее время та кими жидкостями является ртуть или другие вещества, напр и мер, подкрашенные спирт, толуол, пентан. Для повышения чувствительности и точности измерений жидкостный терм ометр состоит из двух сообщающихся объёмов, один из которых содержит осн овную массу жидкости, а второй служит индикатором изменения объёма (см. р ис.2), для чего ему придаётся форма цилиндра к а пиллярных размеров. Жидкостные термометры запаяны с обоих концов, поэтому более удобны в о бращении, что послужило причиной их широкого распространения. К их недостатком можно отнести нелинейность температурной зависимос ти объёмов, что д е лает необходимым калиб ровать их по газовым термометрам. Они отличаются также инерцио н ностью (время вхождения в равновесное состояние с исследуемой средой не менее 10 минут), большой собственной теплоёмкость ю (до 10 Дж/К) и размерами термометрического тела, что препятствует точечны м, локальным измерениям. Диапазон их работы ограничен с одной стор о ны температурой кристаллизации, а с другой – температурой кипения жидкости. 1.3.3. Твердотельные термометры. 1.3.3.1. Бим еталлические термометры - используют различие в коэффицие нтах теплового л и нейного расширения раз ных металлов. Скреплённые вместе, как показано на рис.3, пластинки при изме нении температуры изгибаются или закручиваются. Величина деформации з ависит от температуры, поэтому, снабдив пластины мех а низмами и шкалами, такой термометр можно проградуировать и снимать с него прямые показания температуры. Достоинства биметаллически х термометров – простота изготовления, механическая прочность, возмож ность встраивания в системы автомат и ки и телемеханики. Недостатки – низкая чувствительность, проявление «уста лости» металлов и отсюда – необходимость частой проверки и калибровки по эталонными термометрами. 1.3.3.2. Термопары. В основе их работы лежит явление контактной разнос ти потенциалов – при соединении двух разнородных материа лов из-за различия в их электрических свойствах на свободных концах обн аруживается напряжение. Термопары представляют собой два проводника и з ра з ных металлов ( а и в на рис.4), концы которых соединен ы сваркой или пайкой. Мета л лы должны имет ь как можно большую разницу в работе выхода электронов, тогда между ними устанавливается легко регистрируемая контактная разность потенциало в (десятые доли вольта), величина которой зависит от температуры в зоне ко нтакта. Для термопары используют обычно хорошо изученные пары металлов, например, медь- константан, хромель-алюмель, пл а тина-родий и другие. Для измерения температуры термопарой её спай (обозначен цифрой 1 на рис .4) вводится в исследуемую среду, разность потенциалов её св о бодных концов измеряется каким либо поте н циометром и переводится в градусы посредств ом градуировочного графика или переводного коэ ф фициента a , получаемого из формулы ЭДС= a Т. Для абсолютных и з мерений термопару калибруют по газовому или ино му эталонному т ермометру. Значительно чаще приходится измерять разность температур, тогда применяют дифференциальную термопару. Она представляет собой две одинаковые термопар ы, включённые навстречу друг другу (рис.5). Спаи помещают в те места, разност ь температур которых необходимо измерить. Если один спай поместить в ср еду с и з вестной и стабильной температуро й, например, в тающий лёд, то после соответствующей град у ировки такой термопарой можно производить абсолютные те мпературные измерения по шкале Цельсия. Достоинства термопар – малые, практически, точечные размеры рабочего тела, малая ине р ционност ь и теплоемкость, возможность дистанционных измерений, большой диапазо н измер я емых температур – от свер хнизких до точки плавления применяемых металлов. Недостаток – нелиней ности шкалы обусловленная тем, что зависимость термоЭДС от температуры носит н е линейный характер. 1.3.3.3. Термометры сопротив ления используют свойство чистых металлов, их сплавов и по л у проводников менять своё сопротивлени е при изменении температуры. Для металлов это сво й ство описывается выражением R=R 0 Ч'27 (1+ a t), где R 0 - сопротивление при 0 С, a - температу р ный коэффициент сопротивления данного металла, t – темпера тура по шкале Цельсия. Для м е таллов коэфф ициент a положителен и составляет 0.4-0.6 % при и зменении температуры на один градус. Для полупроводников зав и симость иная – с ростом температуры сопротивле ние убывает ( a <0), причём, более существенно - в 8-10 раз быстрее, чем у м е таллов. Термометры сопротивления уступают термопарам разм е рами, инерционностью, собственной теплоёмкостью. Нелинейн ость зав и симости R = f(t) у них больше, поэтому точность измерения ниже. К достоинствам можно отн е сти измерительную схему (рис.6), где за счёт использования вне шнего источника можно пов ы сить чувствит ельность измерений. Как правило, измерения производятся мостовым метод ом. 1.3.4. Оптическая термометрия. При наличии теплового движения м олекул вещества, т.е. практически всегда, тело является источником элект ромагнитного излучения. Интенсивность этого излучения и его спектраль ный состав связаны с темп е ратурой. Для ид еализированного абсолютного чёрного тела энергия, излучаемая с единиц ы поверхности в единицу вр е мени определя ется законом Стефана-Больцмана: R э = s T 4 , г де s =5.67∙'9510 -8 Вт/м 2 К 4 - постоян ная величина, Т – абсолютная температура. Основанные на этом законе тер мометры носят название радиационных пироме т ров (рис.7). Строго ра с считанная доля и злучения исследуемого тела выделяется входной линзой прибора и регист р и руется чувствительным колориметром. З атем производится перерасчет к полному излучению со всей поверхности и сследуемого тела и вносится поправка на степень «серости» тела. Измерить величину R технически оч ень трудно, поэтому такие термометры не дают точных измер е ний. Более распространены яркостные пирометры, в которых яркость Яркость – физическа я величина, применяемая для оценки энергии, излучаемой единицей поверх ности тела в единицу времени в заданном направлении свече ния исследуемого тела сра в нивается с ярк остью тела, температура которого и з вестн а. Схематически устройство яркостного пир о метра показывает рис.8. Обычно в качестве тела сравнения берут вольф рамовую нить Н специальной электролампы, питаемой от стабильного источ ника тока E . Меняя ток этой лампы при п омощи реостата R можно выровнять её я ркость с яркостью исследуемого тела, в этом состоянии температуры тел од инаковы. Температуру нити лампы сравнения определяют по току миллиампе рметра А, при этом шкалу миллиамперметра заранее градуируют непосредст венно в градусах. Пирометр представляет собой зрительную трубу Т, позволяющую рассматр ивать удаленные объекты. Нить лампы сравнения устанавливается в фокаль ной плоскости окуляра. В эту же плоскость вращением объектива проецируе тся изображение объекта. При правильной настройке оптической части нит ь лампы сравнения наблюдается на фоне объекта. Нить лампы сравнения нельзя нагревать выше определенной температуры (1400 0 С), поэтому для расширения предела измеря емых температур в оптическую схему пирометра включают св е тофильтры, ослабляющие яркость исследуемого те ла с точно известной кратностью. Яркостный пирометр показывает действительную температуру лишь тогда , когда тело и нить лампы одинаково близки по оптическим свойствам к абсо лютно черному телу. Дело в том, что показатель этой близости – «коэффици ент серости» - зависит от температуры; чем она выше, тем он ближе к единице. Поэтому для получения истинного значения температуры в получе н ный результат вводят поправку, зависящую от мат ериала излучающего тела и от его темпер а туры. В отдельных случаях применяют так называемый цветовой пирометр, когда температуру определяют на основании закон а Вина (л мах = b / T ) , связывающего температуру из лучающего т е ла с длиной волны, на которую приходится максимум его излучательной способности. Цветовой пирометр состоит из прибора, разлагающий излучение нагретого тела в спектр, и фот оэлектр и ческой приставки, измеряющей ра спределение интенсивности в этом спектре. Оптические пирометры имеют невысокую точность, но позволяют производ ить дистанцио н ные измерения, что во мног их процессах металлургии, в химии, физике и астрономии очень а к туально. 2. Практическая часть. Задание 1 . Температурные шкалы. Произведите перерасче т температуры и запишите результ а ты в св ободной форме. а) Какова температура человеческого тела в шкалах Цельсия, Кел ьвина и Фаренгейта? б) Сколько градусов Цельсия в одном градусе Фаренгейта? в) Переведите 50 0 F в градусы Кельвина. Задание 2. Градуировка те рмометра сопротивления. Те рмометр сопротивления изготовлен из тонкой медной проволоки, намотанн ой на бумажный каркас, помещенный в защитный стеклянный футляр (в пробир ку). В холодном состоянии сопроти в л ение провода близко к 80 Ом. Для градуировки термометра сопротивления собер и те установку, показанную на рис.8. Жидкостный терм о метр (ЖТ) вставьте в отверстие в крышке пр о бирки. Пробирку, укрепленную в лапке штатива, оп у стите сосуд. Величина сопротивления мед ной пров о локи термометра в данной работе измеряется при п о мощи мультиметра М. Под ключите термометр сопр о тивл е ния к входу мультиметра. Поставьте перекл ю чатель диапазона в положение 200 Ом. На шкале пр и бора высветится величина сопротивлени я. Влейте в стакан горячую воду и по мере нагр е вания термометрического тела через каждые 5 0 измеряйте и записывайте величину сопроти в ления. Результаты занесите в таблицу 1. Чтобы исключить ошиб ку на тепловую инертность термометрического тела измерения следует по вторить при охлаждении жидкости. Измерения проделайте по тем же темпера турным точкам, что и при нагревании. После этого усредните зн а чения сопротивлений и заполните всю таблицу 1. По полученным данным постройте градуировочный график данного термом етра сопроти в ления, откладывая по горизо нтальной оси температуру, а по вертикальной – величину сопр о тивления. Если экспериментальные точки все-таки имеют некоторый разброс, следует «не гл а за» сгладить линию. Такой градуировочный график позволяет в дальнейшем измерять темпер а туру среды, в которую мо жет быть помещен этот термометр сопротивления. По градуировочному графику определите температурный коэффициент соп ротивления меди: ( град -1 ). Значения t 1 и t 2 и соответствующие им значения сопротивлений R 1 и R 2 выбираются по гр а фику произвольно. Задание 3. Градуировка те рмистора. Термистор – это полупроводниковый элемент, сопротивление к оторого зависит от температ у ры. В р аботе используется термистор марки ММТ – 4. В холодном состоянии его соп ротивление приблизительно равно 1 кОм. Градуировка выполняется на устан овке, описанной в задании 1. По полученным экспериментальным точкам (таб. 2 отчета) постройте градуи ровочную кр и вую. Следует учитывать, что з ависимость сопротивления термистора от температуры имеет н е линейный характер и соединять точки следует не п рямой линией, а плавной кривой. Рассчита й те величину температурного коэффициента сопротивления термистора. Сра вните чувствител ь ность термометров соп ротивления по результатам заданий 2 и 3. Задание 4 . Изготовление и градуировка термопары. В работе используется два материала – медь и константан. Последний с нят с обмотки ре о стата, где он применяетс я в связи с низкой зависимостью его сопротивления от температуры. Зачис тите от окислов концы проводов и плотно соедините их путем скручивания и одинарная термопара готова. Свободные концы соедините с чувствительны м гальванометром, поставле н ным в позицию 1 мкВ. Место скрутки термопары закрепите скотчем на колбе жидкостного т ермометра и проградуируйте по методике предыдущих упражнений. Результ аты занесите в таблицу 3. Постройте график Е(Т) и рассчитайте величину уде льной термоЭДС этой термоп а ры. Е= a Т. a =ДЕ/ДТ. Из-за низкой чувствит ельности термопары градуировку следует проводить в более широком темп ературном и н тервале. Поэтому предпочтит ельно использовать электронагреватель, а в качестве эталонного термом етра термоп а ру заводского изготовления, входящую в комплект мультиметра. Задание 5. Изготовление и градуиро вка дифференциальной термопары. По схеме, ясной из рисунка 5, соберите методом скрутки д ифференциальную термопару. Медные провода лучше сделать наружными. По местив один спай в сосуд со снегом, а второй, прикрепленный к жидкостному термометру, в нагреватель, произведите градуировку. Заполните таблицу 4 и постройте график зависимости Е(Т). Поскольку «холодный» спай имеет температуру 0 о С, то горячий при такой градуировке п о казывает температуру именно по шкале Цельсия. Прижав «г орячий» спай к мочке своего уха, измерьте её температуру. Дополнительное задание. Изготовле ние термобатареи. Придумайте и рассчитай схему термоэлектрогенератора, который при ра зности температур горячих и холодных спаев 100 0 вырабатывает ЭДС величиной 1 мВ. ОТЧЕТ ……………………………………………………………………………. о выполнении лабораторной работы № 2 « ТЕРМОМЕТРИЯ» Задание 1 . Температурные шкалы. Произведите перерасчет температуры и запишите результ а ты в свободной форме. а) Какова температура человеческого тела в шкалах Цельсия, Кел ьвина и Фаренгейта? б) Сколько градусов Цельсия в одном градусе Фаренгейта? в) Переведите 50 0 F в градусы Кельвина. Задание 2. Градуировка те рмометра сопротивления. Таблица 1 . t o C R , Ом t o C R, Ом Внимание!!! Графики выполняются попарно (2 с 3 и 4 с 5 заданиями) на двух листах миллиметровой бумаги размером 9х9 см и прилагаются к отчет у Термический коэффициент сопротивления, рассчитанный по графику R 1 = ; R 2 = ; t 1 = ; t 2 = ; б = ± град -1 . (Соответствует ли эта величина табличному значению для меди?) Задание 3. Градуировка термистора. Таблица 2. t o C R , Ом t o C R, Ом Термический коэффициент сопротивления, рассчитанный по графику R 1 = ; R 2 = ; t 1 = ; t 2 = ; б = ± град -1 . Сравните полученный резу льтат с термометром сопротивления. Задание 4 . Изготовлен ие и градуировка термопары. Таблица 3. t o C U , мкВ Рассчитанное по графику значение удельной термоэЭДС исследуемой тер мопары: a =ДЕ/ДТ. ДЕ = мкВ; ДТ = град. a = град — 1 (Соответствует ли эта величина табличным значением для пары меди-константан?) Задание 5. Изготовление и градуировка дифференциально й термопары. Таблица 4 t o C U , мкВ Измерение температуры тела: 1. мочка уха: показания гальванометра - мкВ; температура по графику С о . 2. пальцы рук: показания гальванометра - мкВ; температура по графику С о Дополнительное задание. 1. Схема термоэлектрогенератора: 2. Расчет размеров и параметров: 3. Предложения по практическому п рименению.