КОМПЛЕКТ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ УГЛУБЛЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ

Комплект предназначен для использования в классах и группах, изучающих физику по углубленным программам. Наряду с закреплением теоретических знаний и первичных навыков экспериментальных наблюдений он призван формировать альтернативный, творческий образ мышления.

Комплект позволяет провести цикл лабораторных работ, входящих в программу традиционного курса физики. Но его главное отличие состоит в том, что предусмотрена возможность показать физические явления в более полном объеме и всесторонне исследовать и особенности их проявления. Каждая лабораторная работа построена по принципу укрупненных дидактических единиц - охватывает большой объем учебного материала, в том числе из разных разделов курса физики. Это открывает широкие возможности для укрепления внутрипредметных связей, для обобщения и систематизации теоретических знаний. Предлагаемые в большом количестве задания облегчают формирование прочных навыков экспериментальных наблюдения и измерений. Содержание и проблемная постановка заданий способствует воспитанию особого исследовательского образа мышления.

В соответствии со структурой и содержанием лабораторных работ их следует проводить на уроках, в форме практикума по завершении изучения входящих в них разделов. Второй вариант – выполнение работ во внеурочное время, на кружковых или факультативных занятиях.

Лабораторные работы собраны из современных широко распространенных и доступных и недорогих приборов и материалов, допускающих замену, ремонт, дальнейшее техническое и методическое совершенствование.

В состав комплекта входят следующие работы

1. Движение электрических зарядов в электрическом и магнитном полях. Осциллографическая трубка с соленоидами и блоком питания, обеспечивающим электростатическое и магнитное отклонение. Позволяет исследовать а) линейное, плоское и пространственное движение частиц в электрическом поле, б) действие на движущиеся заряды продольного и поперечного магнитного полей, в) удельный заряд электрона методом магнетрона, методом магнитной фокусировки и методом скрещенных полей.

2. Кинематика и динамика поступательного и вращательного движения твердого тела. Специальный учебно-лабораторный стенд, с модифицированными машиной Атвуда и маятником Обербека. Позволяет углублять представление о массе и моменте инерции, как мере инертности тела, об ускорениях в прямолинейном и вращательном движениях, о моменте силы и моменте инерции, об импульсе и моменте импульса, исследовать законы кинематики, второй и третий законы Ньютона,

3. Кинематика и динамика колебательного движения. Специальный учебно-лабораторный стенд с кронштейнами и набором оборудования для сборки «математического», физического и крутильного маятников. Позволяет исследовать законы колебаний маятников, а также особенности колебаний комбинированных маятников и системы связанных маятников.

4. Термометрия и калориметрия. В комплект входят материалы и приборы для сборки, исследования и градуировки термометров газовых, жидкостных, твердотельных (биметаллических), на сопротивлениях проводников и полупроводников, а также пирометров. Калориметрические измерения включают явления нагревания, агрегатных превращений, теплопроводности

5. Дифракция и интерференция света. Оптическая скамья, состоящая из осветителя с лампой накаливания и лазером, проекционной линзы, набора дифракционных структур (щели, решетки, круглые отверстия и экраны, зонные пластинки). Позволяет наблюдать и исследовать явление дифракции и некоторые применения этого явления.

6. Поляризация света. Оптическая скамья, состоящая из осветителя с лампой накаливания и лазером, проекционной линзы, набора поляроидов, оптически изотропных и анизотропных материалов, фотометра. Позволяет получать, наблюдать и исследовать анизотропию света (линейно и эллиптически поляризованный свет) и материалов (оптическую активность, фотопластичность и фотоупругость, интерференцию поляризованного света).

Лабораторная работа №2

ТЕРМОМЕТРИЯ

Цель работы: Углубить представления о температуре, изучить физические принципы и освоить некоторые методы измерения температуры.

Оборудование: Газовый и жидкостные термометры, термопара, термометр сопротивления, термистор, медная и константановая проволока, мультиметр, наноампервольтметр, электроплитка, металлический стакан с водой

1.Теоретическая часть

1.1. Понятие температуры .

Температура в обычном понимании характеризует степень нагретости тела. Строгое определение температуры даётся в молекулярно–кинетической теории, где под температурой понимают меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:

<ε>=m²/2 =(3/2)kT (1)

где k = 1.38·10^-23Дж/К – постоянная Больцмана, m – масса молекулы, <v> – средняя квадратичная скорость её поступательного движения, Т - термодинамическая температура.

Из последнего определения ясно, что обычно измеряемая температура относится к огромному числу молекул и даёт представление об их средней кинетической энергии. Понятие температуры можно применять только к массиву молекул, поэтому температура является макроскопическим параметром состояния вещества.

1.2 Принципы термометрии .

1.2.1.Термометрические параметры.

Измерение температуры обычно производится косвенным путём, т. е. не сводится к измерению кинетической энергии молекул. Оно основывается на измерении таких физических параметров тел, которые зависят от температуры. Здесь важно, чтобы выбранный параметр существенно, непрерывно, однозначно и просто зависел от температуры и измерялся простыми средствами. Важно также, чтобы процедура измерения величины параметра не вносила значительных изменений в температурный режим исследуемой среды.

В термометрах можно выделить две главные составные части – термометрическое тело, и регистрирующее устройство с отсчетной шкалой. Термометрическое тело так называемых контактных термометров помещается непосредственно в исследуемую среду. В дистанционных термометрах термометрическое тело и регистрирующее устройство пространственно разнесены и бывают связаны электрическими проводами. В оптических термометрах (они называются пирометрами) термометрическим телом является сам исследуемый объект или его часть, а связь его с регистрирующим устройством производится оптическими средствами.

Приведем список наиболее употребляемых термометрических параметров:

• объём тела (тепловое расширение, V=V_o(1+αt), жидкостные и газовые термометры);

• электропроводность (сопротивление (R=R₀(1+αt), проводники (терморезисторы) и полупроводники (термисторы);

• термоЭДС ( Ε_t = ε_ot, термопары или термоэлементы);

• линейные размеры (линейное расширение L=L₀(1+at), биметаллические пластины);

- спектр излучения (энергетическая светимость - закон Стефана-Больцмана R_э=sT⁴ - или спектральный состав излучения – закон Вина l_min= b/T, - радиационный, яркостный и цветовой пирометры);

Могут применяться также скорость распространения звука, показатель преломления света веществом и многие другие параметры вещества, зависящие от температуры.

К важнейшим принципам методики термометрии относится строгое соблюдение следующего условия – показания считаются достоверными только тогда, когда термометрическое тело и среда вошли в состояние теплового равновесия друг с другом. Поэтому очень важно, чтобы тепловая «инертность» измерительного прибора была незначительной (тогда, он скорее примет температуру измеряемой среды), а собственная теплоёмкость – минимальной ( при этом он не внесёт искажений в состояние среды).

В отдельных случаях, при точечных и локальных измерениях геометрические размеры рабочей части термометра должны быть точечными.

1.2.2 Температурные шкалы.

В настоящее время применяются несколько температурных шкал, отличающихся выбором опорных (реперных) точек. В шкале Цельсия интервал между точкой плавления льда и точкой кипения воды при нормальном давлении (760 мм рт.ст.) делится на сто равных долей – градусов Цельсия (⁰С). В шкале Фаренгейта за нуль принимается температура смеси льда и соли ( -32⁰С), а точка кипения воды принимается за 212 градусов.

Третья шкала – это наиболее употребляемая в научной литературе абсолютная шкала температур. Физический смысл нулевой температуры в этой шкале – полное отсутствие молекулярного движения (см. формулу (1).

Связь между температурными шкалами имеет вид:

t_с = (5/9)Ч(t_F -32); t_F=32+(9/5)Чt_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 линейной зависимости от температуры отвечают такие параметры идеального газа, как объём и давление. Поведение реального газа при небольших давлениях и достаточно высоких температурах практически не отличается от поведения идеального газа. По этой причине газовые термометры используются как эталонные, по ним градуируют и поверяют другие типы термометров.

Простейший газовый термометр может представлять собой укрепленную на линейке колбу с газом, завершающуюся отогнутой в сторону стеклянной трубкой (рис.1). Находящаяся в трубке капля ртути отделяет газ колбы от атмосферы. При нагревании газ расширяется, а его давление остаётся равным атмосферному. В соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева

pV=mRT/M

его объём и температура находятся в соотношении: V=(mRТ/Мр) =(mR/Мр)Т = αТ . Для конкретного термометра выражение (mR/Мр) играет роль постоянного коэффициента α, зависящего от количества газа, его состава и от атмосферного давления.

Процедура измерения температуры газовым термометром сводится к тому, что его термометрическое тело (колбу) помещают в исследуемую среду, затем, дождавшись установления равновесия, определяют объём V и по графику T = f(V) находят температуру Т. На практике после предварительной градуировки линейка Л становится шкалой термометра.

1.3.2. Жидкостные термометры.

Если ёмкость газового термометра заполнить жидкостью с достаточно большим коэффициентом теплового объёмного расширения, то полученный прибор станет жидкостным термометром. В настоящее время такими жидкостями является ртуть или другие вещества, например, подкрашенные спирт, толуол, пентан.

Для повышения чувствительности и точности измерений жидкостный термометр состоит из двух сообщающихся объёмов, один из которых содержит основную массу жидкости, а второй служит индикатором изменения объёма (см. рис.2), для чего ему придаётся форма цилиндра капиллярных размеров.

Жидкостные термометры запаяны с обоих концов, поэтому более удобны в обращении, что послужило причиной их широкого распространения.

К их недостатком можно отнести нелинейность температурной зависимости объёмов, что делает необходимым калибровать их по газовым термометрам. Они отличаются также инерционностью (время вхождения в равновесное состояние с исследуемой средой не менее 10 минут), большой собственной теплоёмкостью (до 10 Дж/К) и размерами термометрического тела, что препятствует точечным, локальным измерениям. Диапазон их работы ограничен с одной стороны температурой кристаллизации, а с другой – температурой кипения жидкости.

1.3.3. Твердотельные термометры.

1 .3.3.1. Биметаллические термометры - используют различие в коэффициентах теплового линейного расширения разных металлов. Скреплённые вместе, как показано на рис.3, пластинки при изменении температуры изгибаются или закручиваются. Величина деформации зависит от температуры, поэтому, снабдив пластины механизмами и шкалами, такой термометр можно проградуировать и снимать с него прямые показания температуры.