Методические указания по выполнению лабораторных работ учеб метод пособие. Часть І. Севастополь снуяэиП, 2009
 Скачать 1.43 Mb.
|
|
1 53(07) М 545 МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ УКРАИНЫ СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Ч ас т ь II Утверждено Ученым советом университета Севастополь 2009 2 УДК 53(07) 53 (07) М 545 Авторский коллектив Обольянинова О.А., Гарматенко Т.И., Довгаленко В.В., Бочанов Ю.В. М 545 Методические указания по выполнению лабораторных работ учеб.-метод. пособие. - Часть І. – Севастополь СНУЯЭиП, 2009. – 64 сил. Содержат описания экспериментальных работ, выполняемых студентами в течение третьего семестра на кафедре физики СНУЯЭиП. Каждая работа содержит краткие теоретические сведения, описание установки, экспериментальную часть и контрольные вопросы. Предназначено для студентов очной и заочной формы обучения при изучении курса общей физики. Рецензенты : к.пед.н., доцент С.А. Федорова доцент И.Б. Стаценко © Издание СНУЯЭиП, 2009 д.т.н., профессор В.А. Маньковский 3 1. Организационно–методические указания по выполнению лабораторных работ 1.1. Общие положения Лабораторные занятия – форма учебного занятия, на котором студенты под руководством преподавателя лично проводят эксперименты или исследования в целях практического подтверждения определенных теоретических положений физики, приобретают практические навыки работы с лабораторными установками, оборудованием, вычислительной техникой, измерительной аппаратурой, методикой экспериментальных исследований в физике. Лабораторные занятия проводятся в специально оборудованных учебных лабораториях кафедры с использованием установок, приспособленных к условиям учебного процесса. Перечень названий лабораторных работ и последовательность их выполнения определяется учебной рабочей программой по физике. Для выполнения лабораторных работ класс разбивается на группы таким образом, чтобы на каждом рабочем месте работали не более 2-3 студентов, из которых один назначается старшим. Старший группы отвечает за состояние и сохранность установок и приборов, за приведение рабочего места в конце занятия в исходное состояние и сдачу его инженеру лаборатории (лаборанту. С характером предстоящей лабораторной работы студенты должны быть ознакомлены заранее. При самостоятельной подготовке к лабораторному занятию студенты обязаны- изучить описание лабораторной работы и относящийся к ней теоретический материал - ознакомиться со схемой лабораторной установки, оборудованием и приборами - ознакомиться с порядком выполнения лабораторной работы, таблицами измерений и вычислений. К выполнению лабораторной работы допускаются лишь те студенты, которые получили предварительный зачет на допуск к работе (путем собеседования или тестового контроля. Студенты, получившие неудовлетворительную оценку по предварительному текущему контролю подготовленности к лабораторной работе, к выполнению данной работы не допускаются. В часы проведения этой лабораторной работы эти студенты изучают основы теории и порядок выполнения лабораторной работы. Затем, получив допуск к выполнению лабораторной работы, такие студенты выполняют лабораторную работу вовне учебное время и защищают индивидуальной отчету преподавателя в часы консультаций не позднее чем через две недели со дня проведения данной лабораторной работы. В конце данного занятия студенты защищают отчет по лабораторной работе. 1.2. Методика проведения лабораторного занятия Время, отводимое на лабораторное занятие, распределяется на краткий опрос студентов, постановку эксперимента со снятием показаний физических величин, вычисление искомых величин, расчет абсолютной и относительной погрешностей, окончательное оформление отчета с выводами по работе и защиту отчета. Опрос студентов может проводиться как устный, таки с использованием тестового контроля. Время, отводимое на опрос, не должно превышать 25 минут. К выполнению лабораторной работы студенты приступают лишь после того, как преподаватель убедится в знании ими мер безопасности и методики проведения опыта. Электропитание к рабочим местам инженер (ст. лаборант) включает после того, как убедится в соблюдении мер безопасности студентами на рабочих местах. Эксперимент студенты проводят самостоятельно под наблюдением преподавателя. При выполнении расчетной части преподаватель следит за правильностью вычислений и, если требуется, оказывает помощь студентам. При защите оформленных отчетов преподаватель путем дополнительного опроса устанавливает понимание студентами физических принципов и методики проведения работы. Оценка выполненной лабораторной работы должна учитывать как теоретические знания студентов, таки качество проделанной ими работы. Занятие завершается подведением итогов, где преподаватель дает оценку работы каждому студенту и группы в целом и отмечает положительные стороны работы и недостатки, выявленные входе занятия. 1.3. Порядок и правила оформления отчета по лабораторной работе Оформление отчета делится на два этапа. На первом этапе студент в часы самостоятельной работы, используя Методические указания по выполнению лабораторных работ, должен в тетради для лабораторных 5 работ записать название и цель лабораторной работы, используемые при выполнении лабораторной работы приборы и принадлежности, законспектировать кратко теорию и основные расчетные формулы, начертить схему установки и описать ее, изложить порядок выполнения работы, подготовить таблицы измерений и вычислений, ответить на контрольные вопросы. Второй этап оформления отчета, выполняемый в часы лабораторных занятий, должен включать заполнение таблиц и данных, полученных как в процессе работы, таки в результате вычислений сами вычисления результатов и погрешностей графики, построенные поданным эксперимента, а также выводы по проделанной работе. В выводах необходимо указать, прежде всего, какая цель была достигнута в результате проделанной работы, какие были получены окончательные результаты с учетом абсолютных погрешностей, должен быть сделан вывод о точности проведенного эксперимента. 6 2. Инструкция по технике безопасности при работе в лабораториях кафедры физики Будьте внимательными и дисциплинированными, точно выполняйте указания преподавателя. Не начинайте выполнения эксперимента без разрешения преподавателя. Размещайте приборы, материалы, оснащение на своем рабочем месте таким образом, чтобы предотвратить их падение. Перед выполнением работы необходимо внимательно выучить содержание и ход ее выполнения. Для предотвращения падения при проведении опытов стеклянные сосуды (пробирки, колбы) аккуратно закрепляйте в лапке штатива. При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов. Вовремя работы со стеклянными приборами будьте осторожными. Не вытягивайте термометры из пробирок с затвердевшим веществом. Следите за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях. Не касайтесь и не наклоняйтесь (в особенности с неубранными волосами) к частям машины, которые двигаются. Вовремя сборки экспериментальных установок используйте провода (с наконечниками, предупредительными чехлами) скрепкой изоляцией без видимых повреждений. Вовремя сборки электрической цепи избегайте пересечения проводов. Запрещается пользоваться проводниками с изношенной изоляцией и выключателями открытого типа (при напряжении более 42 В. 10. Источник тока в электрической цепи включайте только после проверки и с разрешения преподавателя. Наличие напряжения вцепи можно проверить только с помощью приборов или указателей напряжения. 11. Не дотрагивайтесь до элементов, которые находятся под напряжением, ив которых нет изоляции. Не делайте повторного соединения в цепях и не трогайте предохранители до отключения источника электропитания. 12. Следите затем, чтобы вовремя работы случайно не затронуть части электрических машин, которые движутся. 13. Не затрагивайте корпусы стационарного электрооборудования, зажимов открытых конденсаторов. 14. Используйте инструменты с изолирующими ручками. 15. После завершения работы выключите источник электропитания, после чего разберите электрическую цепь. 16. Не оставляйте рабочее место без разрешения преподавателя. 7 17. Обнаружив повреждения в электрических приборах, которые находятся под напряжением, немедленно выключите источник электропитания и сообщите об этом преподавателю. 18. Для присоединения приборов к сети пользуйтесь штепсельными соединениями. Лабораторная работа № 1 Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса Цель работы Определить коэффициент внутреннего трения вязкость) жидкости по методу Стокса. Приборы и принадлежности Стеклянный цилиндр с исследуемой жидкостью. Масштабная линейка. Секундомер. Металлические шарики. Микрометр. Краткая теория Вязкость, или внутреннее трение – это явление возникновения силы трения между слоями жидкости или газа, перемещающимися параллельно друг другу с разными по величине скоростями. Чтобы понять происхождение силы внутреннего трения, рассмотрим два соприкасающихся слоя жидкости (газа) Аи В некоторой малой толщины dz каждый (рис. 1). Слои движутся в одну сторону с различными по величине скоростями 1 u и 2 u (пусть 1 u 2 u ). Каждая молекула жидкости участвует в двух движениях хаотическом, средняя скорость которого, и направленном движении со скоростью u , которая по величине намного меньше, чем . За счет хаотического движения молекулы из слоя в слой переносят разные импульсы 1 u m из слоя А в слой Виз слоя В в слой А. Если 1 u 2 u , то слой А замедляется, а слой В ускоряется, и через некоторое время направленные скорости слоев выравниваются. Таким образом явление вязкости относится к явлениям переноса и также, как и диффузия и теплопроводность, обусловлено молекулярным механизмом – хаотическим движением и перемешиванием молекул. В явлении вязкости между слоями жидкости возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев. Направление, в котором отсчитывается расстояние между слоями dz (ось z ), 8 перпендикулярно скорости движения слоев. В этом же направлении изменяется и величина скорости u направленного движения слоев. Изменение величины этой скорости на единице расстояния называется градиентом величины скорости Импульс dk , переданный одному слою другим, тем больший, чем больше выбрана площадь dS переноса импульса соприкасающихся слоев, время dt переноса импульса и изменение величины скорости между слоями, то есть, чем больше dz du : dz du dsdt dk . (1) Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом внутреннего трения, или коэффициентом вязкости, или просто динамическая вязкость жидкости (газа. Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении слоя с меньшей скоростью. Выражение (1) перепишем как dz du dsdt dk , (2) которое называется эмпирическим уравнением вязкости или уравнением Ньютона. Величина dsdt dk называется плотностью потока импульса и показывает величину импульса переносимого из одного слоя в другой за единицу времени через единичную площадку перпендикулярно этой площадке. Согласно второму закону Ньютона F dt dk , в данном случае , тр F F тр F - сила трения между слоями жидкости (газа. Тогда уравнение (2) перепишется 9 ds dz du F тр . (3) Коэффициент вязкости dz du ds F тр. . (4) Из последнего выражения (4) следует физический смысл коэффициента вязкости : коэффициент вязкости численно равен силе трения, возникающей между двумя слоями жидкости (газа) вдоль поверхности их соприкосновения на единицу площади ( 2 м) при градиенте величины скорости направленного движения слоев равном единице ( 1 1 c dz du ). В формулах (3) и (4) знак минус перед правой частью нельзя писать, так как сила трения тр F представляет одинаковый модуль двух противоположно направленных сил, с которыми слои действуют друг на друга согласно третьему закону Ньютона. Исходя из молекулярно-кинетической теории газов коэффициент вязкости , 3 1 (5) где - средняя длина свободного пробега молекул, - средняя арифметическая скорость теплового (хаотического) движения молекул, - плотность газа. Из формул (4) и (5) определяется единица измерения в СИ коэффициента вязкости с Па 1 м с Н 1 2 (паскаль-секунда). Описание установки и методика измерения Лабораторная установка состоит из стеклянного цилиндра, наполненного исследуемой жидкостью. Метод Стокса по определению коэффициента вязкости жидкости состоит в измерении скорости падения шарика в жидкости. Путь, проходимый шариком, измеряют миллиметровой линейкой, наклеенной на цилиндра время падения – секундомером. При падении шарика в жидкости к нему прилипает слой жидкости, движущийся вместе с ним. Следующие слои движутся с меньшей скоростью, и эта скорость по модулю будет тем меньше, чем дальше 10 находится слой от движущегося шарика. Между этими слоями вдоль их поверхности и возникает сила трения. Стокс определил силу трения, действующую на шары, при сравнительно небольших скоростях r F тр 6 , (6) где - скорость движения шарика, r - радиус шарика, - коэффициент вязкости жидкости. Рассмотрим силы, действующие на шарик, падающий вертикально в жидкости (рис. 2) 1. Сила тяжести тяж, направленная вертикально вниз масса шарика 3 3 4 r V m ( - плотность вещества шарика, r - радиус шарика g r mg 3 3 4 2. Выталкивающая сила (сила Архимеда, направленная вертикально вверх. Vg F A 0 , g r F A 0 3 3 4 , где 0 - плотность жидкости. 3. Сила трения r F тр 6 , направленная в сторону, противоположную направлению движения, то есть вертикально вверх. Сила тяжести g m и сила Архимеда A F не зависят от скорости движения шарика, а сила трения тр F возрастает с увеличением скорости. Вначале, когда g m тр A F F , шарик движется с ускорением, увеличивая скорость, а, следовательно, и увеличивается тр F . По достижении некоторой определенной скорости, сила трения и выталкивающая сила в сумме уравновешивают силу тяжести, и с этого момента шарик начнет двигаться равномерно, то есть с постоянной скоростью r g r g r 6 3 4 3 4 0 3 3 , откуда ) ( 9 2 0 Подставляя скорость равномерного движения t l , получим формулу 11 ) ( 9 2 0 2 l t gr , (7) где l - путь, t - время равномерного движения шарика в жидкости. Выполнение работы 1. Измерить микрометром диаметр шарика. Измерения для каждого шарика проделать несколько раз (не менее трех) в разных положениях. Найти среднее значение радиуса r шарика. 2. Опустить шарик в цилиндр с исследуемой жидкостью так, чтобы он падал посередине сосуда. С помощью секундомера измерить время падения шарика, начиная с расстояния 3…5 см от поверхности жидкости и до дна сосуда. Сначала падение шарика в жидкости ускоренное, а, начиная с глубины 3…5 см, становится равномерным. Время t записать в таблицу. 3. Измерить путь l , пройденный шариком при равномерном движении в жидкости. 4. Аналогичные измерения проделать с другими шариками. 5. По формуле (7) вычислить коэффициенты вязкости для каждого опыта. Определить среднее значение 6. Найти для каждого опыта по среднему значению абсолютную погрешность , а затем среднее значение 7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу. 8. Записать выводы и результат в виде Таблица измерений и вычислений = мкг мкг п/п мм , мс Па,сПа,сПа,сПа,1 2 3 Контрольные вопросы Какие явления относятся к явлениям переноса Почему они объединены одним названием Что называется вязкостью Как возникают силы внутреннего трения и как они направлены 12 Каков физический смысл коэффициента вязкости и единица его измерения в СИ Записать коэффициент вязкости через микроскопические характеристики и по этой формуле проверить его единицу измерения в СИ. В чем состоит метод Стокса по определению вязкости жидкости Во сколько раз будут отличаться скорости равномерного падения двух шариков из одного материала, у которых радиусы отличаются вдвое ( 1 2 2r r )? Лабораторная работа № 2 Определение коэффициента Пуассона Цель работы Экспериментально определить коэффициент Пуассона для воздуха и сравнить полученное значение с теоретическим. Приборы и принадлежности Закрытый баллон с краном. Водяной манометр. Ручной насос. Краткая теория Системой тел или просто системой называется совокупность рассматриваемых тел или частиц. Некоторое количество газа, состоящего из определенного числа молекул (частиц, представляет собой термодинамическую систему. Всякая система может находиться в различных состояниях, характеризующихся определенными параметрами. Основными параметрами, однозначно определяющими состояние газа, являются объем V , давление p , температура T . Эти величины связаны между собой уравнением состояния, которым для идеального газа является уравнение Менделеева - Клапейрона р, где R = 8,31 К моль Дж - универсальная газовая постоянная, - число молей газа, которое в данном случае параметром не является, так как определенно задано. 13 Равновесным называется такое состояние системы, при котором параметры во всех точках системы стечением времени не меняются нет внешних воздействий, которые поддерживали бы эти параметры неизменными. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, то состояние системы является неравновесным. Графически равновесное состояние системы можно изобразить точкой, отложив по осям координат значения двух параметров (третий параметр однозначно определяется из уравнения состояния. Термодинамическим процессом называется изменение состояния рассматриваемой системы, например, данного количества газа , характеризующееся изменением ее параметров. Процесс, состоящий из совокупности последовательных равновесных состояний, называется равновесным. Известны следующие равновесные процессы. Изохорический процесс ( const V ). Уравнение T p = const. Изобарический процесс ( const p ). Уравнение T V = const. Изотермический процесс ( const T ). Уравнение const pV 4. Адиабатический процесс – процесс, протекающий без теплообмена с внешней средой, (при этом процессе энтропия const S , изоэнтропийный процесс. Уравнение Пуассона pV = const. Эти процессы можно графически изобразить на диаграммах непрерывными линиями, которые соответственно называют изохорой, изобарой, изотермой, адиабатой. Равновесные процессы являются обратимыми, так каких можно провести в обратном направлении через те же промежуточные состояния системы, что и при прямом ходе. Одним из фундаментальных законов термодинамики есть закон сохранения энергии с учетом механической и тепловой энергии. Такая общая формулировка закона сохранения энергии называется первым законом (началом) термодинамики Количество теплоты Q |