Зад_Открытая физика. Методическое пособие для выполнения виртуальных лабораторных работ по курсу общей физики
 Скачать 294 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.АКМУЛЛЫ И.А.Фахретдинов Методическое пособие для выполнения виртуальных лабораторных работ по курсу общей физики с компьютерными моделями для студентов всех специальностей Уфа- 2009 УДК ББК Ф Печатается по решению учебно-методического совета Башкирского государственного педагогического университета им. М.Акмуллы Фахретдинов И.А. Методическое пособие для выполнения виртуальных лабораторных работ по курсу общей физики с компьютерными моделями: учебное пособие.-Уфа: Изд-во БГПУ, 2009.- 163с. В данном пособии рассматривается методика выполнения 35 виртуальных лабораторных работ по всем разделам курса общей физики. Даются рекомендации по подготовке конспекта для допуска к лабораторным работам, оформлению отчета к зачету, краткая теория каждой лабораторной работы, а также перечень вопросов и заданий для самостоятельной работы Рецензенты: М.А. Шамсутдинов, д–р физ.-мат. наук, профессор (БашГУ) М .А.Фатыхов, д-р физ.-матнаук, профессор (БГПУ) © издательство БГПУ, 2009 © Фахретдинов И.А., 2009 Методическое пособие 1 для выполнения виртуальных лабораторных работ 1 Уфа- 2009 1 ВВЕДЕНИЕ 4 ДОПУСК К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 6 ОФОРМЛЕНИЕ КОНСПЕКТА для ДОПУСКА к ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 6 Дата выполнения: ____ 6 ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ К ЗАЧЕТУ 7 Г Р А Ф И К (требования): 7 ВЫВОД по ГРАФИКУ (шаблон): 8 Полученный экспериментально график зависимости __________________ 8 ВЫВОД по ОТВЕТУ (шаблон): 8 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №17 9 ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА 9 КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: 9 IРЕШ = I0 , 9 МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ 10 Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений. 10 ЭКСПЕРИМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ 10 ТАБЛИЦА 1. Примерные значения длины волны (не перерисовывать) 11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 13 ЭФФЕКТ КОМПТОНА 13 КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: 13 МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ 14 1. 14 Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений. 14 1. Нажмите мышью кнопку «Старт» вверху экрана. 14 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА: 15 ЛИТЕРАТУРА 163 ВВЕДЕНИЕДанный сборник лабораторных работ с элементами компьютерного моделирования содержит описания к лабораторным работам, в которых используются компьютерные модели, разработанные фирмой «Физикон» в среде Windows и включенные в CD-ROM «Открытая физика 1.0» часть 1. Эти лабораторные работы были разработаны Тихомировым Ю.В и Лаптенковым Б.К. Работа в среде Windows 9Х требует определенных навыков и привычки оперировать с некоторыми стандартными для этой среды способами организации диалога компьютер-пользователь. Для запуска программы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой данной части сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая вид  После этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер над названием раздела, в котором расположена данная модель. Для механики вы увидите следующую картинку  Чтобы увидеть дальнейшие пункты содержания данного раздела надо щелкать левой кнопкой мыши, установив ее маркер на кнопку со стрелкой вниз, расположенную в правом нижнем углу внутреннего окна. Кнопки вверху картинки являются служебными. Предназначение каждой проявляется когда маркер мыши располагается над нею в течение 1-2 секунд (без нажатия кнопок мыши). Очень важной является кнопка с двумя вертикальными чертами «», которая служит для остановки эксперимента, а рядом расположенные кнопки – для шага «» и продолжения «» работы. Прочитав надписи во внутреннем окне, установите маркер мыши над надписью требуемой компьютерной модели и дважды коротко нажмите левую кнопку мыши. В появившемся внутреннем окне (смотри рисунок в описании к лабораторной работе на стр. 10) сверху также будут расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страницы служит для вызова теоретических сведений. Перемещать окна можно, зацепив (нажав и удерживая левую кнопку) мышью заголовок окна (имеющий синий фон). Закрытие окна теории обеспечивается нажатием кнопки с крестом в правом верхнем углу внутреннего окна. ДОПУСК К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕДля допуска: Каждый студент предварительно оформляет свой персональный конспект данной ЛР (см. соответствующие требования). Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результатов. Студент отвечает на заданные вопросы (письменно в черновике конспекта или устно). Преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента (графа ДОПУСК в табличке на обложке). ОФОРМЛЕНИЕ КОНСПЕКТА для ДОПУСКА к ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕКонспект для допуска к ЛР готовится заранее на двойных листах из школьной тетради в клетку (4-5 двойных листов в зависимости от почерка). П  ервая страница (обложка):
Лабораторная работа N__ Название: Выполнил: студент группы _____ ФИО_______________ Дата выполнения: ____ Дата сдачи: __________ Следующие страницы:
ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ К ЗАЧЕТУПолностью оформленная и подготовленная к зачету работа должна соответствовать следующим требованиям: Выполнение всех пунктов раздела описания “Оформление отчета” (в черновике представлены все расчеты требуемых величин, заполнены чернилами все таблицы, построены все графики). Графики должны удовлетворять всем требованиям, приведенным ниже. Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения. Записаны выводы по каждому графику (см. ниже шаблон) Выписан ответ по установленной форме (см. ниже шаблон). Записаны выводы по ответу (см. ниже шаблон). Г Р А Ф И К (требования): на миллиметровке или листе в клетку, размер не менее 1/2 тетрадного листа, на графике: оси декартовой системы, на концах осей - стрелки, индексы величин, единицы измерения, 10N, на каждой оси - равномерный масштаб (риски через равные промежутки, числа через равное количество рисок), под графиком - полное название графика СЛОВАМИ, на графике - экспериментальные и теоретические точки ярко, форма графика соответствует теоретической зависимости (не ломаная). ВЫВОД по ГРАФИКУ (шаблон): Полученный экспериментально график зависимости __________________ название функции словами от ______________ имеет вид прямой (проходящей через начало координат, название аргумента параболы, гиперболы, плавной кривой) и качественно совпадает с теорети-ческой зависимостью данных характеристик, имеющей вид ______________. формула ОТВЕТ: По результатам измерений и расчетов получено значение _________________________ , равное _____ = ( ___ ____ ) 10 ___ _________ название физической характеристики символ среднее ошибка степень един.измер ВЫВОД по ОТВЕТУ (шаблон): Полученное экспериментально значение величины _________________, полное название словами равное _________________, с точностью до ошибки измерений, число, единица измерения составляющей ________________ , совпадает (не совпадает) с табличным число, единица измерения (теоретическим) значением данной величины, равным ________________ . число, единица измерения ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №17 ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКАОзнакомьтесь с теорией в конспекте, учебнике (Савельев, т.2, §129,130). Запустите программу «Эл-магн.Кванты». Выберите «Оптика» и «Дифракционная решетка». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз). ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электромагнитных волн. Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия световых волн с периодической структурой (дифракционной решеткой). КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: Зарисуйте с экрана компьютера то, что расположено в трех прямоугольных рамках. ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ называется совокупность большого числа N одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние, прямоугольных щелей в плоском непрозрачном экране. ПЕРИОДОМ (постоянной) дифракционной решетки называется расстояние d между серединами соседних щелей или сумма ширины щели b и ширины непрозрачного участка a. При анализе излучения, проходящего через решетку, обычно используют линзу и экран, расположенный в фокальной плоскости линзы на расстоянии L от нее. Линза собирает параллельные лучи в одну точку на экране. Положение Х точки на экране зависит от угла падения лучей на линзу: X = Lsin(). Для очень малых углов sin() = и X = L. РАЗНОСТЬ ХОДА лучей от соседних щелей = dsin(). РАЗНОСТЬ ФАЗ лучей от соседних щелей  .ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ, идущего от решетки под углом : IРЕШ = I0  ,где I0 - интенсивность, создаваемая одной щелью против центра линзы, b - ширина щели. Первый множитель обращается в 0 в точках, для которых bsin(k) = k (k = 1,2,...). Второй множитель принимает значение N2 в точках, удовлетворяющих условию dsin(m) = m (m = 0,1,2,...). Последнее условие определяет положение ГЛАВНЫХ МАКСИМУМОВ излучения, а m называется порядком максимума. Интенсивность в главном максимуме преобразуем, раскладывая синус в ряд и ограничиваясь первыми двумя членами разложения: Im = N2I0  . Обозначим  .Отношение Rm интенсивности в m-том максимуме к интенсивности в нулевом максимуме называется «относительной интенсивностью m-того максимума». Формулу  можно проверить экспериментально и из соответствующего графика получить ширину щели.МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие основные элементы и зарисуйте их в конспект.  При включении программы моделирования автоматически устанавливаются следующие параметры: порядок максимума m=1, длина волны 0.45 мкм, расстояние между щелями d = 20 мкм. Нажимая левую кнопку мыши, установив ее маркер на дифракционной картине, меняйте m от 0 до 3 и наблюдайте изменение числового значения координаты максимума на экране. Установите длину волны излучения, соответствующую желтому цвету и, меняя m и d, снова наблюдайте картину интерференции. Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений. ЭКСПЕРИМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ Установите расстояние между щелями d = 20 мкм. Подведите маркер мыши к кнопке на спектре и нажмите левую кнопку мыши. Удерживая кнопку в нажатом состоянии, перемещайте кнопку до тех пор, пока над спектром не появится значение длины волны, равное взятому из таблицы 1 для вашей бригады Измерьте линейкой на экране монитора длины светящихся отрезков, соответствующих интенсивности соответствующих максимумов на дифракционной картине. Запишите значения интенсивности в таблицу 2. Увеличивая d на 1 мкм, повторите измерения по п.3 Установив новое значение длины волны из таблицы 1 повторите измерения, записывая результаты в таблицу 3. ТАБЛИЦА 1. Примерные значения длины волны (не перерисовывать)
ТАБЛИЦЫ 2,3. Результаты измерений при = ____ нм.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА: Вычислите и запишите в таблицы 2 и 3 корни из относительных амплитуд максимумов. Постройте по таблице 2 на одном рисунке графики экспериментальных зависимостей корня из относительной амплитуды от обратного периода решетки для всех максимумов (указав на них номер максимума). На втором рисунке постройте результаты по таблице 3. По наклону каждого графика определите экспериментальное значение ширины щели, используя формулу  .Вычислите среднее значение ширины щели, проанализируйте ответы и графики. Истинное значение b = 5 мкм. Вопросы и задания для самоконтроля Дайте определение световой волны. Дайте определение гармонической волны. Дайте определение электромагнитной волны. Напишите формулу зависимости напряженности электрического поля от времени и координаты для одномерной гармонической ЭМВ, распространяющейся вдоль оси ОХ. Какие волны называются когерентными? Дайте определение дифракции. Что такое дифракционная решетка? Для каких целей используется дифракционная решетка? Что такое постоянная дифракционной решетки? Зачем между дифракционной решеткой и экраном ставится собирающая линза? Напишите формулу разности хода лучей, идущих от двух соседних щелей дифракционной решетки. Напишите формулу разности фаз лучей от соседних щелей. Как формируются главные максимумы дифракционной картины? Нарисуйте, как распространяется после решетки одна плоская гармоническая волна, падающая перпендикулярно плоскости решетки. Нарисуйте, как будут распространяться после решетки две плоские гармонические волны с близкими длинами волн, падающие перпендикулярно плоскости решетки. Можно ли сделать дифракционную решетку для радиолокационной волны? Как она будет отличаться от обычной дифракционной решетки для видимого света? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ЭФФЕКТ КОМПТОНАОзнакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике (Савельев, т.3, §12, §28). Запустите программу «Эл-магн.Кванты». Выберите «Квантовая физика», «Комптоновское рассеяние». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз). ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Знакомство с моделями электромагнитного излучения и их использованием при анализе процесса рассеяния рентгеновского излучения на веществе. Экспериментальное подтверждение закономерностей эффекта Комптона. Экспериментальное определение комптоновской длины волны электрона. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: МОДЕЛИ электромагнитного излучения (ЭМИ): луч – линия распространения ЭМИ (геометрическая оптика) волна – гармоническая волна, имеющая амплитуду и определенную длину волны или частоту (волновая оптика), поток частиц (фотонов) используется в квантовой оптике и для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества. Характеристики всех моделей связаны друг с другом. ЭФФЕКТОМ КОМПТОНА называется появление рассеянного излучения с большей длиной волны при облучении вещества монохроматическим рентгеновским излучением. РЕНТГЕНОВСКИМ называется электромагнитное излучение, которое можно моделировать с помощью электромагнитной волны с длиной от 10-8 до 10-12 м, или с помощью потока фотонов с энергией от 100 эВ до 106 эВ. Первая модель применяется для описания рентгеновского излучения, распространяющегося от источника до вещества. Оно представляется, как монохроматическая волна с длиной . Волновая модель применяется и для описания рассеянного под углом рентгеновского излучения, идущего от вещества (КР) до регистрирующего устройства (рентгеновского спектрометра РС).  Рассмотрим процесс столкновения падающего рентгеновского фотона (энергия  , импульс  ) с покоящимся электроном вещества. Энергия электрона до столкновения равна его энергии покоя mc2, где m – масса покоя электрона. Импульс электрона равен 0.После столкновения электрон будет обладать импульсом  и энергией, равной  . Энергия фотона станет равной ’ , а импульс ’.Из закона сохранения импульса и энергии вытекают два равенства + mc2 = ’ + и = + ’.Разделив первое равенство на второе, возведя в квадрат и проведя некоторые преобразования (см.учебник (3) стр.45), получим формулу Комптона = ’ - = C (1 - cos), где комптоновская длина волны C =  . Для электрона C = 2.43 10-12 м.МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ Внимательно рассмотрите рисунок. 1. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ТАБЛИЦА 1.Результаты измерений Длина волны = _____ пм | ТАБЛИЦА 2 для выбора значений (не перерисовывать) | ||||||||
| | Номер измер. | град | ’, пм | 1 - cos | | Номер бригады | Длина волны падающего ЭМИ (пм) | ||
| | 1 | 60 | | | | 1,5 | 3 | 5 | 7 |
| | 2 | 70 | | | | 2,6 | 3.5 | 5.5 | 8 |
| | …… | | | | | 3,7 | 4 | 6 | 9 |
| | 11 | 160 | | | | 4,8 | 4.5 | 6.5 | 10 |
Таблицы 3 и 4 аналогичны таблице 1
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:
Вычислите и запишите в таблицы 1,3 и 4 величины 1 - cos.
Постройте графикb зависимости изменения длины волны ( = ’ - ) от разности (1 - cos ) для каждой серии измерений.
Определите по наклону графика значение комптоновской длины волны электрона
.Запишите ответ и проанализируйте ответ и графики.
Вопросы и задания для самоконтроля
Назовите модели, с помощью которых описывается электромагнитное излучение.
Назовите области физики в которых используются соответствующие модели ЭМИ.
Что такое луч?
Что такое гармоническая волна?
Сформулируйте связь между характеристиками ЭМИ в волновой и квантовой моделях.
Назовите эффекты, для описания которых надо использовать и волновую и квантовую модели ЭМИ. Проиллюстрируйте один из эффектов.
Как моделируется процесс взаимодействия падающего рентгеновского фотона и свободного электрона вещества?
Какие законы сохранения выполняются при взаимодействии фотона с электроном в эффекте Комптона.
Сравните поведение фотонов после взаимодействия с электронами в эффекте Комптона и фотоэффекте.
Что такое комптоновская длина волны частицы?
Почему эффект Комптона не наблюдается при рассеянии фотонов на электронах, сильно связанных с ядром атома?
Как меняется энергия фотона при его комптоновском рассеянии?
Что происходит с электроном после рассеяния на нем фотона?
Чем отличается масса от массы покоя? Когда они совпадают?
Напишите уравнение для импульса фотона.
Напишите формулу для эффекта Комптона.
Напишите формулу для комптоновской длины волны электрона.
Чему равно максимальное изменение длины волны рассеянного фотона и когда оно наблюдается?