Методическое пособие для выполнения лабораторных работ по темам: Механика. Колебания и волны. Молекулярная физика, термодинамика, явления переноса

Содержание

Содержание.. 1

Часть I. Механика.. 4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА. 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ. 24

ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА. 24

Определение ускорения свободного падения. 31

с помощью оборотного маятника. 31

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ СИСТЕМЫ ТЕЛ. 38

С ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА  ОБЕРБЕКА. 38

Часть II. Колебания и волны... 45

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО ДЕКРЕМЕНТА  КОЛЕБАНИЙ МАЯТНИКА. 45

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ВОЗДУХЕ  МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ВОЛН. 53

Часть III. Молекулярная физика, термодинамика, явления переноса.. 63

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ. 63

  ПО МЕТОДУ  КЛЕМАНА И ДЕЗОРМА. 63

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ. 73

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА. 78

Часть IV. Электростатика.. 89

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ. 89

ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ. 99

Часть V. Постоянный электрический ток.. 107

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА. 107

МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ. 107

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА. 113

СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХЭЛЕКТРОДНОЙ. 123

ЛАМПЫ. 123

ИЗУЧЕНИЕ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО  СОПРОТИВЛЕНИЯ. 132

МЕТАЛЛОВ. 132

Часть VI. Магнитное поле.. 141

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ  НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ. 141

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ ФОКУСИРОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.. 146

СНЯТИЕ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ ЖЕЛЕЗА. 153

ИССЛЕДОВАНИЕ  НАМАГНИЧИВАНИЯ  ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. 161

Часть VII. Электрический ток в различных средах.. 167

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ. 167

КAЛИБРОВКА ТЕРМОПАРЫ.. 167

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. 174

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ. 182

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА. 182

СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО.. 187

ТРИОДА (ТРАНЗИСТОРА) 187

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА. 196

Часть VIII. Волновая оптика.. 209

ОпределениЕ фокусного расстояния. 209

собирающей и рассеивающей линз. 209

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ. 216

ФОТОМЕТРА ПУЛЬФРИХА И ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРА. 216

ФЭК-56. 216

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И. 234

ДИСПЕРСИИ ЖИДКОСТИ РЕФРАКТОМЕТРОМ ИРФ-23. 234

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ МОНОХРОМАТОРА УМ-2. 245

Изучение характеристик спектральной призмы.. 254

с помощью гониометра. 254

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН С ПОМОЩЬЮ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ. 263

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ. 271

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНОГО РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА. 271

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА ОТ УЗКОЙ ЩЕЛИ. 288

Часть IX. Квантовая оптика.. 300

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА. 300

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕМЕНТА. 309

Часть X. Квантовая механика и ядерная физика.. 324

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ОПТИЧЕСКОГО.. 324

КВАНТОВОГО ГНЕРАТОРА  С ПОМОЩЬЮ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ. 324

ИССЛЕДОВАНИЕ проникающей способности β-частиц и Определение их максимальной энергии. 334

Приложения.. 344

ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. 344

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ  ВЕЛИЧИН. 371

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ. 384

ОБ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ. 384

Часть I. Механика

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА

Цель работы: проверка основного закона динамики для вращательного движения с помощью инерционного маятника.

Приборы и принадлежности: инерционный маятник, секундомер.

Теоретическое введение

Основной закон динамики для вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси записывается в виде:

где M — момент силы относительно оси; I — момент инерции тела относительно оси; i — угловое ускорение.

Момент инерции является физической величиной, характеризующей инертность тела при вращательном движении. Момент инерции материальной точки относительно произвольной оси равен произведению ее массы на квадрат расстояния до этой оси:

Момент инерции тела относительно произвольной оси равен сумме моментов инерции всех точек тела относительно этой оси (см. рис. 1). Для тел правильной геометрической формы момент инерции может быть найден расчетным путем, для остальных тел — экспериментально.

При вращательном движении действие силы определяется не только величиной этой силы, но и ориентацией вектора силы относительно оси вращения. По этой причине вместо силы при вращательном движении рассматривается момент силы. Различают момент силы относительно точки и относительно оси.

Рис. 1. Схема определения момента инерции твердого тела

 

          Рис. 2. Определение направления момента силы относительно точки

 Моментом силы относительно точки называется векторное произведение радиус-вектора на величину силы  (см. рис. 2):

                                

Величина момента равна:

                               ,

где α — угол между векторами  и .

Вектор  расположен перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектора  и . Его направление (из двух возможных) определяется по правилу векторного произведения: векторы ,  и  должны образовывать правую систему, т.е. при вращении вектора  по направлению к вектору  вдоль наименьшего угла направление вектора  определяется по правилу правого винта.

                                           

Рис. 3. Определение момента силы относительно оси

Рис. 4. Определение момента силы относительно оси в случае, когда сила лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения

 

Рис. 5. Определение плеча силы

Моментом силы относительно оси называется проекция на эту ось вектора момента силы относительно любой точки, лежащей на данной оси (см. рис. 3). В частности, если вектор силы  лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, момент этой силы относительно точки O, лежащей на пересечении оси и плоскости, будет направлен вдоль оси (см. рис. 4). В этом случае величина проекции M₀ на ось совпадает с самим моментом M₀. Тогда момент силы относительно оси будет равен:

                                   

где h — плечо силы F (см. рис. 5). Для практики данный случай особенно важен.

Угловое ускорение и угловая скорость. Угловой скоростью называется производная угла поворота радиус-вектора по времени:

  

Угловым ускорением называется производная угловой скорости по времени или вторая производная угла поворота радиус-вектора по времени:

Векторы  и  направлены вдоль оси вращения (направление определяется по правилу винта, см. рис. 6).

Первый способ проверки закона.

Описание установки. На вертикальной оси OO’ прибора жестко закреплен блок Б₁ (см. рис 7), который можно привести в движение (вращение) с помощью намотанного на него шнура и груза m. На этой же оси закреплен стержень с массивными грузами m₁ и m₂, положение которых относительно оси можно изменять по желанию. Второй блок Б₂, расположенный горизонтально, служит для изменения направления действующей силы. Путь H₁, пройденный грузом m, можно измерять с помощью вертикальной шкалы. Установка снабжена тормозом Т. Описанное устройство называется инерционным маятником. Его параметры имеют следующие значения: m₁=m₂=(0.431±0.001)кг; P=mg=(1.506±0.005) H; l_ст=(0.510±0.005)м; m_ст=(0.111± 0.001) кг; r=(10^-2± 5·10^-5) м.