Комплект лабораторного обладнання для поглибленого вивчення фізики

Комплект лабораторного обладнання

Для поглибленого вивчення ФІЗИКИ

Комплект призначений для використання в класах і групах, які вивчають фізику по поглибленим програмами. Поряд із закріпленням теоретичних знань та первинних навичок експериментальних спостережень він покликаний формувати альтернативний, творчий спосіб мислення.

Комплект дозволяє провести цикл лабораторних робіт, що входять в програму традиційного курсу фізики. Але його головна відмінність полягає в тому, що передбачена можливість показати фізичні явища в більш повному обсязі і всебічно досліджувати і особливості їх прояву. Кожна лабораторна робота побудована за принципом укрупнених дидактичних одиниць - охоплює великий обсяг навчального матеріалу, в тому числі з різних розділів курсу фізики. Це відкриває широкі можливості для зміцнення внутріпредметних зв'язків, для узагальнення та систематизації теоретичних знань. Пропоновані у великій кількості завдання полегшують формування стійких навичок експериментальних спостереження і вимірювань. Зміст та проблемна постановка завдань сприяє вихованню особливого дослідницького образу мислення.

У відповідності зі структурою і змістом лабораторних робіт їх слід проводити на уроках, у формі практикуму по завершенні вивчення входять до них розділів. Другий варіант - виконання робіт у позаурочний час, на гурткових чи факультативних заняттях.

Лабораторні роботи зібрані з сучасних широко поширених і доступних і недорогих приладів і матеріалів, що допускають заміну, ремонт, подальше технічне та методичне вдосконалення.

До складу комплекту входять наступні роботи

1. Рух електричних зарядів в електричному і магнітному полях. Осциллографическая трубка з соленоїдами і блоком живлення, що забезпечує електростатичне і магнітне відхилення. Дозволяє досліджувати а) лінійне, плоске і просторове рух частинок в електричному полі, б) дія на рухомі заряди поздовжнього і поперечного магнітного полів, в) питомий заряд електрона методом магнетрона, методом магнітної фокусування і методом схрещених полів.

2. Кінематика і динаміка поступального і обертального руху твердого тіла. Спеціальний навчально-лабораторний стенд, з модифікованими машиною Атвуда і маятником Обербека. Дозволяє поглиблювати уявлення про масу і моменті інерції, як міру інертності тіла, про прискорення в прямолінійному і обертальному рухах, про момент сили і моменті інерції, про імпульс і моменті імпульсу, дослідити закони кінематики, другий і третій закони Ньютона,

3. Кінематика і динаміка коливального руху. Спеціальний навчально-лабораторний стенд з кронштейнами і набором устаткування для збірки «математичного», фізичного та крутильного маятників. Дозволяє досліджувати закони коливань маятників, а також особливості коливань комбінованих маятників і системи пов'язаних маятників.

4. Термометрія і калориметрія. У комплект входять матеріали та прилади для складання, дослідження і градуювання термометрів газових, рідинних, твердотільних (біметалічних), на опорах провідників і напівпровідників, а також пірометрів. Калориметричні вимірювання включають явища нагрівання, агрегатних перетворень, теплопровідності

5. Дифракція і інтерференція світла. Оптична лава, що складається з освітлювача з лампою розжарювання і лазером, проекційної лінзи, набору дифракційних структур (щілини, решітки, круглі отвори і екрани, зонні пластинки). Дозволяє спостерігати і досліджувати явище дифракції і деякі застосування цього явища.

6. Поляризація світла. Оптична лава, що складається з освітлювача з лампою розжарювання і лазером, проекційної лінзи, набору поляроїдів, оптично ізотропних і анізотропних матеріалів, фотометра. Дозволяє отримувати, спостерігати і досліджувати анізотропію світла (лінійно і еліптично поляризоване світло) і матеріалів (оптичну активність, фотопластічность і фотопружний, інтерференцію поляризованого світла).

Мета роботи: Поглибити уявлення про температуру, вивчити фізичні принципи і освоїти деякі методи вимірювання температури.

Обладнання: Газовий і рідинні термометри, термопара, термометр опору, термістор, мідна та константанові дріт, мультиметр, наноампервольтметр, електроплита, металевий стакан з водою

1.Теоретические частина

1.1. Поняття температури.

Температура у звичайному розумінні характеризує ступінь нагретости тіла. Суворе визначення температури дається в молекулярно-кінетичної теорії, де під температурою розуміють міру середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу:

<Ε> = m <v> ² / 2 = (3 / 2) kT (1)

де k = 1.38 · 10 ^-23 Дж / ​​К - постійна Больцмана, m - маса молекули, <v> - середня квадратична швидкість її поступального руху, Т - термодинамічна температура.

З останнього визначення ясно, що зазвичай вимірюється температура відноситься до величезного числа молекул і дає уявлення про їх середньої кінетичної енергії. Поняття температури можна застосовувати тільки до масиву молекул, тому температура є макроскопічними параметром стану речовини.

1.2 Принципи термометрії.

1.2.1. Термометричні параметри.

Вимірювання температури зазвичай проводиться непрямим шляхом, тобто не зводиться до вимірювання кінетичної енергії молекул. Воно грунтується на вимірюванні таких фізичних параметрів тіл, які залежать від температури. Тут важливо, щоб обраний параметр істотно, безперервно, однозначно і просто залежав від температури і вимірювався простими засобами. Важливо також, щоб процедура вимірювання величини параметра не вносила значних змін в температурний режим досліджуваного середовища.

У термометрах можна виділити дві головні складові частини - термометричні тіло, і пристрій, що з відліковою шкалою. Термометричні тіло так званих контактних термометрів покласти прямо у досліджувану середу. У дистанційних термометрах термометричні тіло і пристрій, що просторово рознесені і бувають пов'язані електричними дротами. В оптичних термометрах (вони називаються пірометри) термометричні тілом є сам досліджуваний об'єкт або його частину, а зв'язок його з реєструючим пристроєм виробляється оптичними засобами.

Наведемо список найбільш вживаних термометричних параметрів:

• об'єм тіла (теплове розширення, V = V _o (1 + α t), рідинні і газові термометри);

• електропровідність (опір (R = R ₀ (1 + α t), провідники (терморезистори) і напівпровідники (термістори);

• термоЕРС (Ε _t = ε _o t, термопари або термоелементи);

• лінійні розміри (лінійне розширення L = L ₀ (1 + a t), біметалічні пластини);

- Спектр випромінювання (енергетична світність - закон Стефана-Больцмана R _е = s T ⁴ - або спектральний склад випромінювання - закон Вина l _min = b / T, - радіаційний, яскравості і колірної пірометри);

Можуть застосовуватися також швидкість поширення звуку, показник заломлення світла речовиною і багато інших параметрів речовини, що залежать від температури.

До найважливіших принципів методики термометрії відноситься суворе дотримання наступного умови - свідчення вважаються достовірними тільки тоді, коли термометричні тіло і середовище увійшли в стан теплової рівноваги один з одним. Тому дуже важливо, щоб теплова «інертність» вимірювального приладу була незначною (тоді, він скоріше прийме температуру вимірюваного середовища), а власна теплоємність - мінімальної (при цьому він не внесе спотворень в стан середовища).

В окремих випадках, при точкових і локальних вимірах геометричні розміри робочої частини термометра повинні бути точковими.

1.2.2 Температурні шкали.

В даний час застосовуються кілька температурних шкал, що відрізняються вибором опорних (реперних) точок. У шкалі Цельсія інтервал між точкою плавлення льоду і точкою кипіння води при нормальному тиску (760 мм рт.ст.) ділиться на сто рівних часток - градусів Цельсія ⁽⁰ С). У шкалі Фаренгейта за нуль приймається температура суміші льоду і солі (-32 ⁰ С), а точка кипіння води приймається за 212 градусів.

Третя шкала - це найбільш вживана у науковій літературі абсолютна шкала температур. Фізичний сенс нульової температури в цій шкалі - повна відсутність молекулярного руху (див. формулу (1).

Зв'язок між температурними шкалами має вигляд:

t _з = (5 / 9) × (t _F -32); T _F = 32 + (9 / 5) × t _c; t _c = t = T _k -273; T _k = T = t _c +273

1.3 Види термометрів.

1.3.1 Газові термометри.

Найбільш суворо вимогу істотною, безперервної і лінійної залежності від температури відповідають такі параметри ідеального газу, що обсяг і тиск. Поведінка реального газу при невеликих тисках і досить високих температурах практично не відрізняється від поведінки ідеального газу. З цієї причини газові термометри використовуються як еталонні, по них градуюють і перевіряють інші види термометрів.

Найпростіший газовий термометр може представляти собою укріплену на лінійці колбу з газом, що завершується відігнутою у бік скляною трубкою (рис.1). Перебуває в трубці крапля ртуті відділяє газ колби від атмосфери. При нагріванні газ розширюється, а його тиск залишається рівним атмосферному. У відповідності з рівнянням Клапейрона-Менделєєва

pV = mRT / M

його обсяг і температура знаходяться в співвідношенні: V = (mRТ / Мр) = (mR / Мр) Т = α Т. Для конкретного термометра вираз (mR / Мр) грає роль постійного коефіцієнта α, що залежить від кількості газу, його складу і від атмосферного тиску.

Процедура вимірювання температури газових термометром зводиться до того, що його термометричні тіло (колбу) поміщають в досліджувану середу, потім, дочекавшись встановлення рівноваги, визначають обсяг V і за графіком T = f (V) знаходять температуру Т. На практиці після попередньої градуювання лінійка Л стає шкалою термометра.

1.3.2. Рідинні термометри.

Якщо ємність газового термометра заповнити рідиною з досить великим коефіцієнтом теплового об'ємного розширення, то отриманий прилад стане рідинним термометром. В даний час такими рідинами є ртуть або інші речовини, наприклад, підфарбовані спирт, толуол, пентан.

Для підвищення чутливості і точності вимірювань рідинний термометр складається з двох сполучених обсягів, один з яких містить основну масу рідини, а другий служить індикатором зміни обсягу (див. рис.2), для чого йому надається форма циліндра капілярних розмірів.

Рідинні термометри запаяні з обох кінців, тому більш зручні в зверненні, що послужило причиною їх широкого розповсюдження.

До їх недоліком можна віднести нелінійність температурної залежності обсягів, що робить необхідним калібрувати їх з газових термометрів. Вони відрізняються також инерционностью (час входження в рівноважний стан з досліджуваної середовищем не менше 10 хвилин), великої власної теплоємністю (до 10 Дж / ​​К) і розмірами термометричної тіла, що перешкоджає точковим, локальним вимірам. Діапазон їх роботи обмежений з одного боку температурою кристалізації, а з іншого - температурою кипіння рідини.

1.3.3. Твердотільні термометри.

1.3.3.1. Біметалічні термометри - використовують розходження в коефіцієнтах теплового лінійного розширення різних металів. Скріплені разом, як показано на рис.3, пластинки при зміні температури згинаються або закручуються. Величина деформації залежить від температури, тому, забезпечивши пластини механізмами та шкалами, такий термометр можна проградуювати і знімати з нього прямі свідчення температури.

Переваги біметалічних термометрів - простота виготовлення, механічна міцність, можливість вбудовування в системи автоматики і телемеханіки. Недоліки - низька чутливість, прояв «втоми» металів і звідси - необхідність частої перевірки і калібрування за еталонними термометрами.

1.3.3.2. Термопари. В основі їхньої роботи лежить явище контактної різниці потенціалів - при з'єднанні двох різнорідних матеріалів через відмінності в їх електричних властивостях на вільних кінцях виявляється напруга. Термопари представляють собою два провідники з різних металів (а і в на рис.4), кінці яких з'єднані зварюванням або паянням. Метали повинні мати якомога більшу різницю в роботі виходу електронів, тоді між ними встановлюється легко реєстрована контактна різниця потенціалів (десяті частки вольта), величина якої залежить від температури в зоні контакту. Для термопари використовують зазвичай добре вивчені пари металів, наприклад, мідь-константан, хромель-алюмель, платина-родій та інші.

Для вимірювання температури термопарою її спай (позначений цифрою 1 на рис.4) вводиться в досліджувану середу, різниця потенціалів її вільних кінців вимірюється яким або потенціометром і переводиться в градуси за допомогою градуювального графіка або переказного коефіцієнта a, одержуваного з формули ЕРС = a Т. Для абсолютних вимірювань термопару калібрують з газового чи іншому еталонному термометру.

Значно частіше доводиться вимірювати різницю температур, тоді застосовують диференціальну термопару. Вона являє собою дві однакові термопари, включені назустріч одна одній (мал. 5). Спаї поміщають в ті місця, різниця температур яких необхідно виміряти. Якщо один спай помістити в середовище з відомою і стабільною температурою, наприклад, в тане лід, то після відповідної градуювання такий термопарою можна робити абсолютні температурні вимірювання за шкалою Цельсія.

Переваги термопар - малі, практично, точкові розміри робочого тіла, мала інерційність і теплоємність, можливість дистанційних вимірювань, великий діапазон вимірюваних температур - від наднизьких до точки плавлення застосовуваних металів. Недолік - нелінійності шкали обумовлена ​​тим, що залежність термоЕРС від температури носить нелінійний характер.

1.3.3.3. Термометри опору використовують властивість чистих металів, їхніх сплавів і напівпровідників змінювати свій опір при зміні температури. Для металів це властивість описується виразом R = R ₀ × (1 + a t), де R ₀ - опір при 0 С, a - температурний коефіцієнт опору даного металу, t - температура за шкалою Цельсія. Для металів коефіцієнт a позитивний і складає 0.4-0.6% при зміні температури на один градус. Для напівпровідників залежність інша - зі зростанням температури опір зменшується (a <0), причому, більш істотно - в 8-10 разів швидше, ніж у металів.

Термометри опору поступаються термопар розмірами, інерційністю, власної теплоємністю. Нелінійність залежності R = f (t) у них більше, тому точність вимірювання нижче. До достоїнств можна віднести вимірювальну схему (рис.6), де за рахунок використання зовнішнього джерела можна підвищити чутливість вимірів. Як правило, вимірювання проводяться мостовим методом.

1.3.4. Оптична термометрія.

За наявності теплового руху молекул речовини, тобто практично завжди, тіло є джерелом електромагнітного випромінювання. Інтенсивність цього випромінювання і його спектральний склад пов'язані з температурою. Для ідеалізованого абсолютного чорного тіла енергія, випромінювана з одиниці поверхні в одиницю часу визначається законом Стефана-Больцмана: R _е = s T ^4, де s = 5.67 ∙ 10 ^-8 Вт / м ² К ⁴ - постійна величина, Т - абсолютна температура. Засновані на цьому законі термометри носять назву радіаційних пірометрів (рис.7). Строго розрахована частка випромінювання досліджуваного тіла виділяється вхідний лінзою приладу і реєструється чутливим колориметрії. Потім проводиться перерахунок до повного випромінювання зі всієї поверхні досліджуваного тіла і вноситься поправка на ступінь «сірості» тіла.

Виміряти величину R технічно дуже важко, тому такі термометри не дають точних вимірювань.

Більш поширені яскравісні пірометри, в яких яскравість ¹ світіння досліджуваного тіла порівнюється з яскравістю тіла, температура якого відома. Схематично пристрій яркостного пірометра показує рис.8. Звичайно як тіла порівняння беруть вольфрамову нитка Н спеціальної електролампи, що живиться від стабільного джерела струму E. Змінюючи струм цієї лампи за допомогою реостата R можна вирівняти її яскравість за яскравістю досліджуваного тіла, в цьому стані температури тіл однакові. Температуру нитки лампи порівняння визначають по струму міліамперметра А, при цьому шкалу міліамперметра заздалегідь градуюють безпосередньо в градусах.

Пірометр представляє собою зорову трубу Т, що дозволяє розглядати віддалені об'єкти. Нитка лампи порівняння встановлюється в фокальній площині окуляра. У цю ж площину обертанням об'єктива проектується зображення об'єкта. При правильному підборі оптичної частини нитка лампи порівняння спостерігається на тлі об'єкта.

Нитка лампи порівняння не можна нагрівати вище певної температури (1400 ⁰ С), тому для розширення межі вимірюваних температур в оптичну схему пірометра включають світлофільтри, що ослабляють яскравість досліджуваного тіла з точно відомою кратністю.

Яскравості пірометр показує дійсну температуру лише тоді, коли тіло і нитка лампи однаково близькі за оптичними властивостями до абсолютно чорного тіла. Справа в тому, що показник цієї близькості - «коефіцієнт сірості» - залежить від температури; чим вона вище, тим він ближче до одиниці. Тому для отримання істинного значення температури в отриманий результат вводять поправку, що залежить від матеріалу випромінюючого тіла і від його температури.

В окремих випадках застосовують так званий колірний пірометр, коли температуру визначають на підставі закону Вина (λ _мах = b / T), що зв'язує температуру випромінюючого тіла з довжиною хвилі, на яку припадає максимум його випромінювальної здатності. Колірний пірометр складається з приладу, який розкладає випромінювання нагрітого тіла в спектр, і фотоелектричної приставки, що вимірює розподіл інтенсивності у цьому спектрі.

Оптичні пірометри мають невисоку точність, але дозволяють виробляти дистанційні вимірювання, що в багатьох процесах металургії, в хімії, фізики та астрономії дуже актуально.

2. Практична частина.

Завдання 1. Температурні шкали. Проведіть перерахунок температури і запишіть результати у вільній формі.

а) Яка температура людського тіла в шкалах Цельсія, Кельвіна і Фаренгейта?

б) Скільки градусів Цельсія в одному градусі Фаренгейта?

в) Переведіть 50 ⁰ F в градуси Кельвіна.

Завдання 2. Градуювання термометра опору.

Термометр опору виготовлений з тонкого мідного дроту, намотаною на паперовий каркас, поміщений в захисний скляний футляр (у пробірку). У холодному стані опор дроти близько до 80 Ом.

Для градуювання термометра опору зберіть установку, показану на рис.8. Рідинний термометр (ШТ) вставте в отвір у кришці пробірки. Пробірку, укріплену в лапці штатива, опустіть судину. Величина опору мідного дроту термометра в даній роботі вимірюється за допомогою мультиметра М. Підключіть термометр опору до входу мультиметра. Поставте перемикач діапазону в положення 200 Ом. На шкалі приладу висвітиться величина опору.

Влийте в склянку гарячу воду і по мірі нагрівання термометричної тіла через кожні 5 ⁰ вимірюйте і записуйте величину опору. Результати занесіть у таблицю 1. Щоб виключити помилку на теплову інертність термометричної тіла вимірювання слід повторити при охолодженні рідин. Вимірювання проробіть за тими ж температурним точкам, що і при нагріванні. Після цього усереднити значення опорів і заповніть всю таблицю 1.

За отриманими даними побудуйте градуювальний графік даного термометра опору, відкладаючи по горизонтальній осі температуру, а по вертикальній - величину опору. Якщо експериментальні точки все-таки мають деякий розкид, слід «не очі» згладити лінію. Такий градуювальний графік дозволяє надалі вимірювати температуру середовища, в яку може бути поміщений цей термометр опору.

За градуювальним графіком визначте температурний коефіцієнт опору міді: (Град ^-1).

Значення t ₁ і t ₂ і відповідні їм значення опорів R ₁ і R ₂ вибираються за графіком довільно.

Завдання 3. Градуювання термістора.

Термістор - це напівпровідниковий елемент, опір якого залежить від температури. У роботі використовується термістор марки ММТ - 4. У холодному стані його опір приблизно дорівнює 1 кОм. Градуювання виконується на установці, описаної в завданні 1.

За отриманими експериментальних точок (таб. 2 звіту) побудуйте градуювальну криву. Слід враховувати, що залежність опору термістора від температури має нелінійний характер і з'єднувати точки слід не прямою лінією, а плавною кривою. Розрахуйте величину температурного коефіцієнта опору термістора. Порівняйте чутливість термометрів опору за результатами завдань 2 і 3.

Завдання 4. Виготовлення і градуювання термопари.

У роботі використовується два матеріали - мідь і константан. Останній знятий з обмотки реостата, де він застосовується у зв'язку з низькою залежністю його опору від температури. Зачистите від окислів кінці проводів і щільно з'єднаєте їх шляхом скручування і одинарна термопара готова. Вільні кінці з'єднайте з чутливим гальванометром, поставленим у позицію 1 мкВ. Місце скрутки термопари закріпіть скотчем на колбі рідинного термометра і проградуіруйте за методикою попередніх вправ. Результати занесіть у таблицю 3. Побудуйте графік Е (Т) і розрахуйте величину питомої термоЕРС цієї термопари. Е = a Т. a = Δ Е / Δ Т. ²

Завдання 5. Виготовлення і градуювання диференціальної термопари.

За схемою, зрозумілою з малюнка 5, зберіть методом скрутки диференціальну термопару. Мідні дроти краще зробити зовнішніми. Помістивши один спай до посуду зі снігом, а другий, прикріплений до рідинного термометра, в нагрівач, зробіть градуювання. Заповніть таблицю 4 і побудуйте графік залежності Е (Т).

Оскільки «холодний» спай має температуру 0 ^о С, то гарячий при такій градуюванні показує температуру саме за шкалою Цельсія. Притиснувши «гарячий» спай до мочки вуха свого, виміряйте її температуру.

Додаткове завдання. Виготовлення термобатареї.

Придумайте і розрахуй схему термоелектрогенератора, який при різниці температур гарячих і холодних спаїв 100 ⁰ виробляє ЕРС величиною 1 мВ.

ЗВІТ

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....

про виконання лабораторної роботи № 2

«Термометри»

Завдання 1. Температурні шкали. Проведіть перерахунок температури і запишіть результати у вільній формі.

а) Яка температура людського тіла в шкалах Цельсія, Кельвіна і Фаренгейта?

б) Скільки градусів Цельсія в одному градусі Фаренгейта?

в) Переведіть 50 ⁰ F в градуси Кельвіна.

Завдання 2. Градуювання термометра опору.

Таблиця 1.

Увага! Графіки виконуються попарно (2 з 3 і 4 з 5 завданнями)

на двох аркушах міліметрового паперу розміром 9х9 см і додаються до звіту

Термічний коефіцієнт опору, розрахований за графіком

R ₁ =; R ₂ =; t ₁ =; t ₂ =; α = ± град ^-1.

(Чи відповідає ця величина табличному значенню для міді?)

Завдання 3. Градуювання термістора.

Таблиця 2.

Термічний коефіцієнт опору, розрахований за графіком

R ₁ =; R ₂ =; t ₁ =; t ₂ =; α = ± град ^-1.

Порівняйте отриманий результат з термометром опору.

Завдання 4. Виготовлення і градуювання термопари.

Таблиця 3.

Розраховане за графіком значення питомої термоеЕДС досліджуваної термопари:

a = Δ Е / Δ Т. Δ Е = мкВ; Δ Т = град. a = град _- ¹

(Чи відповідає ця величина табличним значенням для пари міді-константан?)

Завдання 5. Виготовлення і градуювання диференціальної термопари.

Таблиця 4

Вимірювання температури тіла:

1. мочка вуха: показання гальванометра - мкВ; температура за графіком З ^о.

2. пальці рук: показання гальванометра - мкВ; температура за графіком З ^про

Додаткове завдання.

1. Схема термоелектрогенератора:

2. Розрахунок розмірів і параметрів:

3. Пропозиції щодо практичного застосування.