Лабораторные работы № 1–11

Одиннадцать практикумов по тепловым, электрическим, магнитным и световым явлениям. Выполняй их по порядку, отмечай шаги нажатием.

Работа № 1. Сравнение количества теплоты при смешивании воды разной температуры

Введение. В процессе теплообмена передача тепловой энергии идет от более горячего тела к более холодному, при этом в отсутствие теплообмена с внешней средой количество теплоты, полученное холодным телом, равно количеству теплоты, отданному горячим телом.

Цель работы: определить количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной при их смешивании, и убедиться в правильности вышеприведенного утверждения.

Приборы и материалы: мензурка, термометр, стакан, калориметр, чайник с горячей водой (один на весь класс).

Ход работы.

1. Во внутренний стакан калориметра налейте $m_1 = 100$ г горячей воды, вставьте его во внешний сосуд и измерьте температуру воды $t_1$.
2. В стакан налейте такое же количество холодной воды и измерьте ее температуру $t_2$.
3. Аккуратно влейте холодную воду в калориметр, кончиком термометра помешайте полученную смесь горячей и холодной воды. Измерьте температуру полученной смеси $t$.
4. Опыт повторите три раза, результаты занесите в таблицу.

№ опыта	Масса горячей воды $m_1$, кг	Температура горячей воды $t_1$, °C	Масса холодной воды $m_2$, кг	Температура холодной воды $t_2$, °C	Температура смеси $t$, °C
1
2
3
Среднее

5. Подставив полученные средние значения в формулу $Q_1 = cm_1(t_1 - t)$, рассчитайте количество теплоты, отданное горячей водой.
6. По формуле $Q_2 = cm_2(t - t_2)$ рассчитайте количество теплоты, полученное холодной водой.
7. Сравните полученные результаты. Сделайте выводы. Оцените погрешность эксперимента, объясните, чем она обусловлена.

Работа № 2. Определение удельной теплоты плавления льда

Введение. Плавление твердого вещества всегда происходит с поглощением энергии. Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества массой $m$, определяется формулой: $Q = m\lambda$, где $\lambda$ — удельная теплота плавления. Если положить тающий лед в горячую воду при температуре $t_1$, вода отдает количество тепла, равное $Q_1 = c_в m_в(t_1 - t_2)$. Лед получает теплоту, которая расходуется на его таяние и последующее нагревание полученной из него при 0 °C воды до температуры смеси $t_2$: $Q_2 = m_л\lambda + c_в m_л(t_2 - 0\,°\text{C})$. Уравнение теплового баланса: $c_в m_в(t_1 - t_2) = m_л\lambda + c_в m_л(t_2 - 0\,°\text{C})$. Отсюда можно определить удельную теплоту плавления льда:

$$\lambda = \frac{c_в m_в (t_1 - t_2) - c_в m_л t_2}{m_л}. \qquad (1)$$

Цель работы: определить удельную теплоту плавления льда.

Приборы и материалы: калориметр, термометр, мензурка, стакан с тающим в холодной воде льдом, фильтровальная бумага, чайник с горячей водой (один на весь класс).

Ход работы.

1. Во внутренний стакан калориметра налейте $m_1 = 100$ г горячей воды, вставьте его во внешний сосуд и измерьте температуру $t_1$.
2. Возьмите кусочек льда из сосуда с холодной водой и тающим льдом, осушите его фильтровальной бумагой и опустите в калориметр с горячей водой.
3. Осторожно перемешивая воду кончиком термометра, внимательно следите за показаниями термометра. Определите температуру воды в калориметре $t_2$ в момент полного расплавления льда.
4. Перелейте воду из калориметра в мензурку, определите объем воды. Зная первоначальный объем смеси, определите объем льда по формуле: $V = V_1 + V_2$, $V_2 = V - V_1$.
5. Зная объем льда, определите его массу по формуле: $m_2 = \rho_л \cdot V_2$.
6. Результаты эксперимента занесите в таблицу.

Масса горячей воды $m_1$, кг	Объем горячей воды $V_1$, м³	Температура горячей воды $t_1$, °C	Температура льда $t_2$, °C	Температура смеси $t_3$, °C	Объем смеси $V$, м³	Объем льда $V_2$, м³	Масса льда $m_2$, кг	Удельная теплота плавления льда $\lambda$, Дж/кг

7. Подставив полученные результаты измерений в формулу (1), определите удельную теплоту плавления льда.
8. Сделайте выводы.

Работа № 3. Сборка электрической цепи и измерение силы тока и напряжения на различных ее участках

Цель работы: убедиться, что сила тока на различных участках цепи одинакова; научиться измерять силу тока и напряжение.

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, лампа, два проволочных резистора, ключ, соединительные провода.

Ход работы.

1. Рассмотрите шкалы амперметра и вольтметра, определите цену одного деления.
2. Соберите электрические цепи по схемам, представленным на рисунках 1–3.

Рис. 1, рис. 2 и рис. 3

3. Запишите показания амперметра для каждого случая.
4. Начертите схему собранной цепи.
5. Соберите электрическую цепь из последовательно соединенных источников тока, двух резисторов и ключа.
6. Замкните цепь и измерьте напряжение $U_1$, $U_2$ на концах каждого резистора и напряжение $U$ на участке цепи, состоящем из двух резисторов.
7. Рассчитайте $U_1 + U_2$ и сравните с напряжением $U$.
8. Заполните таблицы 1 и 2.

$I_1$, А	$I_2$, А	$I_3$, А	Вывод

$U_1$, В	$U_2$, В	$U_3$, В	Вывод

9. Сделайте вывод.

Работа № 4. Исследование зависимости силы тока от напряжения на участке цепи

Цель работы: измерить силу тока, напряжение, сопротивление на участке цепи.

Оборудование: вольтметр, амперметр, ключ, резистор, реостат, соединительные провода, источник тока.

Ход работы.

1. Рассмотрите шкалы амперметра и вольтметра, определите цену одного деления.
2. Соберите электрическую цепь по схеме, показанной на рис. 4.

Рис. 4

3. Замкните цепь.
4. Занесите показания приборов в таблицу при выбранных вами трех положениях ползунка реостата.

№ опыта	$I$, А	$U$, В	$R$, Ом
1
2
3

5. Используя закон Ома, вычислите сопротивление резистора по формуле: $R = \dfrac{U}{I}$.
6. Результаты вычислений занесите в таблицу.
7. Сделайте вывод.

Задание. По результатам измерений постройте график зависимости силы тока от напряжения. Сделайте вывод.

Работа № 5. Изучение последовательного соединения проводников

Цель работы: проверить закон последовательного соединения проводников.

Оборудование: источник тока, два резистора, реостат, два амперметра, три вольтметра, ключ, соединительные провода.

Ход работы.

1. Рассмотрите шкалы амперметра и вольтметра, определите цену одного деления.
2. Соберите электрическую цепь по схеме (рис. 5).

Рис. 5

3. Снимите показания вольтметров $V_1$, $V_2$, $V$ ($U_1$, $U_2$, $U_{общ}$).
4. Вычислите общее напряжение по формуле $U_{об} = U_1 + U_2$ и сравните полученный результат с показаниями вольтметра. Сделайте вывод.
5. Снимите показания амперметров $A_1$, $A_2$ ($I_1$, $I_2$).
6. Сравните результаты. Сделайте вывод.
7. Вычислите общее сопротивление участка цепи по формулам:

$$R'_{общ} = \frac{U_{общ}}{I}; \qquad R_1 = \frac{U_1}{I_1}; \qquad R_2 = \frac{U_2}{I_2}; \qquad R_{общ} = R_1 + R_2.$$

Сравните результаты $R'_{общ}$, $R_{общ}$ и сделайте вывод.

8. Результаты измерений занесите в таблицу и сделайте выводы.

$I_1$, А	$I_2$, А	$U_1$, В	$U_2$, В	$U_{общ}$, В	$R_1$, Ом	$R_2$, Ом	$R'_{общ}$, Ом	$R_{общ}$, Ом

Работа № 6. Изучение параллельного соединения проводников

Цель работы: проверить закон параллельного соединения проводников.

Оборудование: источник тока, два проволочных резистора, реостат, три амперметра, два вольтметра, ключ, соединительные провода.

Ход работы.

1. Соберите электрическую цепь по схеме (рис. 6).

Рис. 6

2. Снимите показания вольтметров $V_1$, $V_2$ ($U_1$, $U_2$).
3. Сравните показания вольтметров.
4. Снимите показания амперметров $A_1$, $A_2$, $A$ ($I_1$, $I_2$, $I_{общ}$).
5. Вычислите $I_{общ} = I_1 + I_2$.
6. Сравните полученный результат и сделайте соответствующий вывод.
7. Вычислите общее сопротивление участка цепи по формулам:

$$R'_{общ} = \frac{U_{общ}}{I_{общ}}; \qquad R_1 = \frac{U_1}{I_1}; \qquad R_2 = \frac{U_2}{I_2}; \qquad \frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}.$$

8. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

$I_1$, А	$I_2$, А	$I_{общ}$, А	$U_1$, В	$U_2$, В	$R_1$, Ом	$R_2$, Ом	$R'_{общ}$, Ом	$R_{общ}$, Ом

9. Сделайте выводы.

Работа № 7. Измерение работы и мощности электрического тока

Цель работы: вычислить работу и мощность электрического тока.

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, лампа, ключ, соединительные провода, секундомер.

Ход работы.

1. Рассмотрите шкалы амперметра и вольтметра, определите цену одного деления.
2. Соберите электрическую цепь по схеме, показанной на рисунке 7.

Рис. 7

3. Замкните цепь и отметьте время включения лампы.
4. Снимите показания вольтметра и амперметра.
5. Разомкните цепь и отметьте время выключения лампы.
6. Вычислите величину мощности электрического тока в лампе по формуле: $P = I \cdot U$.
7. Вычислите работу электрического тока по формуле: $A = P \cdot t$, где $t$ — время горения лампы.
8. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

$I$, А	$U$, В	$t$, с	$P$, Вт	$A$, Дж	Потребитель

9. Сделайте выводы.

Работа № 8. Изучение свойств постоянного магнита и получение изображений магнитных полей

Цель работы: ознакомиться с постоянными магнитами и продемонстрировать, какие линии образуют магнитные поля вокруг полосового и дугообразного магнитов.

Приборы и материалы: магниты разной формы, железные опилки, бумажный стаканчик, листок бумаги, набор тел из различных материалов.

Ход работы.

1. Определите, какие материалы притягиваются к магниту, а какие нет:
   • А) дерево (карандаш, линейка);
   • В) сталь (скрепка);
   • С) алюминий (цилиндр);
   • D) пластмасса (ручка, линейка);
   • Е) резина (ластик);
   • F) медь (проволока).
2. Подвесьте к магниту цепочку скрепок, не связанных между собой. Затем, взявшись рукой за верхнюю скрепку, осторожно уберите магнит (рис. 8). Объясните наблюдаемое явление.

Рис. 8

3. Опыты с железными опилками.
   • А) Насыпьте железные опилки на лист оргстекла и погрузите магнит в железные опилки.
   • В) Вынув магнит, обратите внимание, как притягиваются железные опилки к разным местам магнита.
   • С) Отметьте места, где оказалось наибольшее количество железных опилок.
   • D) Возьмите два полосовых магнита и поднесите их друг к другу разными концами. Опишите наблюдение.
   • Е) Магниты, находящиеся на столе, накройте листком бумаги.
   • F) Насыпьте на бумагу тонкий слой железных опилок.
   • G) Рассмотрите получившиеся магнитные линии.
   • H) Зарисуйте рисунки, полученные в пунктах E и D.
   • I) Сделайте вывод о проделанной работе с созданными вами рисунками.

Работа № 9. Сборка электромагнита и проверка его в действии

Цель работы: ознакомиться с основными деталями электромагнита и собрать его.

Оборудование: источник тока, реостат, ключ, соединительные провода, магнитная стрелка, детали для сборки электромагнита.

Ход работы.

1. Соберите электрическую цепь из последовательно соединенных источников тока, катушки, реостата и ключа.
2. Замкните цепь и определите магнитные полюсы катушки, используя магнитную стрелку.
3. Магнитную стрелку расположите на таком расстоянии от катушки, на котором действие магнитного поля катушки на нее незначительно.
4. В катушку вставьте железный сердечник.
5. Пронаблюдайте действие электромагнита на магнитную стрелку.
6. С помощью реостата измените силу тока и пронаблюдайте действие магнитного поля электромагнита на магнитную стрелку.
7. Сделайте вывод.

Работа № 10. Определение показателя преломления стекла

Цель работы: научиться определять показатель преломления стекла.

Приборы и материалы: пластинка с параллельными гранями, пробка с булавками, чистый лист бумаги, лист картона, транспортир, таблица тригонометрических величин (таблица Брадиса).

Ход работы.

1. Положите чистый лист бумаги на картон, на лист — стеклянную пластинку и карандашом обведите ее контуры.
2. С одной стороны стекла наколите две булавки так, чтобы одна из них расположилась на верхней грани пластинки, а вторая произвольно так, чтобы прямая, проходящая через эти булавки, не совпадала с перпендикуляром к верхней грани.
3. Поднимите картон на уровень глаз и, глядя через стекло, вколите третью булавку в нижнюю грань контура пластинки так, чтобы она закрыла собой изображение двух первых булавок (рис. 9).

Рис. 9

4. Стекло и булавки снимите, места наколов отметьте точками 1, 2, 3 и через них проведите прямые до пересечения с границами стекла. Через точку 2 проведите перпендикуляр к границе сред.
5. Транспортиром измерьте углы падения $\alpha$ и углы преломления $\beta$.
6. По таблице значений синусов определите синусы измеренных углов.
7. Вычислите показатель преломления, учитывая, что $\dfrac{\sin\alpha}{\sin\beta} = n$.
8. Опыт повторите еще два раза, меняя угол падения $\alpha$. Для каждого опыта вычислите показатель преломления. Результаты измерений, вычислений запишите в таблицу.

№ опыта	Угол падения светового луча $\alpha$, град	Угол преломления $\beta$, град	Показатель преломления $n$
1
2
3

9. Определите среднее арифметическое значение показателя преломления:

$$n_{ср} = \frac{n_1 + n_2 + n_3}{3}.$$

10. Определите абсолютную погрешность:

$$\Delta n_1 = |n_{ср} - n_1|; \quad \Delta n_2 = |n_{ср} - n_2|; \quad \Delta n_3 = |n_{ср} - n_3|; \quad \Delta n_{ср} = \frac{\Delta n_1 + \Delta n_2 + \Delta n_3}{3}.$$

11. Определите относительную погрешность:

$$E_{отн} = \frac{\Delta n_{ср}}{n_{ср}} \cdot 100\%.$$

12. Сравните полученное значение показателя преломления с табличной данной. Сделайте вывод.

Работа № 11. Определение фокусного расстояния и оптической силы собирающей линзы

Цель работы: определить фокусное расстояние и оптическую силу линзы.

Приборы и материалы: собирающая линза, экран, лампочка с прорезью в виде буквы Г, линейка.

Ход работы.

1. Линзу, источник света и экран расположите на одной линии, причем источник света далеко от линзы (рис. 10).
2. На экране увидите яркую светящуюся точку. Это и есть изображение, полученное в фокусе. Расстояние между линзой и экраном есть фокусное расстояние $F$.
3. По формуле $D = \dfrac{1}{F}$ определите оптическую силу линзы.
4. Сделайте вывод.

Рис. 10

5. Располагая лампочку на разных расстояниях от линзы ($F < d < 2F$; $d = 2F$; $d > 2F$), получите на экране изображение буквы Г.
6. Опишите наблюдаемое изображение (дайте ему характеристику).
7. Измерьте расстояние от линзы до лампочки $d$ и от линзы до экрана $f$. Данные измерения занесите в таблицу.

№ опыта	$d$, м	$f$, м	$F$, м	$D$, дптр
1
2
3

8. Из формулы тонкой линзы $\dfrac{1}{F} = \dfrac{1}{d} + \dfrac{1}{f}$ найдите фокусное расстояние линзы: $F = \dfrac{d \cdot f}{d + f}$.
9. Найдите $F_{ср} = \dfrac{F_1 + F_2 + F_3}{3}$.
10. Сделайте выводы.

Перечень основных формул

Молекулярная физика (тепловые явления)

• Количество теплоты при нагревании: $Q = cm(t_2 - t_1)$.
• Плавление: $Q = \lambda m$. Парообразование: $Q = rm$. Сгорание топлива: $Q = qm$.
• Уравнение теплового баланса: $Q_{отданное} + Q_{принятое} = 0$.

Электростатика

• Закон сохранения заряда: $q_1 + q_2 + q_3 + \ldots = q = \text{const}$.
• Закон Кулона: $F = k\dfrac{q_1 q_2}{\varepsilon r^2}$.
• Напряженность поля: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}}{q_0}$; точечного заряда: $E = k\dfrac{q}{r^2}$.
• Напряжение: $U = \varphi_1 - \varphi_2 = \dfrac{A_{эл}}{q_0}$; работа поля: $A_{эл} = qU$.
• Электроемкость: $C = \dfrac{q}{\varphi}$, $C = \dfrac{q}{U}$; плоского конденсатора: $C = \dfrac{\varepsilon\varepsilon_0 S}{d}$.
• Энергия конденсатора: $W_с = \dfrac{CU^2}{2} = \dfrac{q^2}{2C} = \dfrac{qU}{2}$.

Постоянный электрический ток

• $I = \dfrac{q}{t}$; $U = \dfrac{A_{эл}}{q_0}$; $R = \rho\dfrac{l}{S}$.
• ЭДС: $\mathcal{E} = \dfrac{A_{ст}}{q_0}$; закон Ома для участка цепи: $I = \dfrac{U}{R}$; для полной цепи: $I = \dfrac{\mathcal{E}}{r + R}$.
• Закон Джоуля — Ленца: $Q = I^2 Rt$.
• Полная работа: $A_{ст} = \mathcal{E}It$, полная мощность: $P = \mathcal{E}I$; полезная работа: $A = UIt$, полезная мощность: $P = UI$.
• КПД источника тока: $\eta = \dfrac{R}{R + r}$.
• Последовательное соединение: $I = I_1 = I_2$; $U = U_1 + U_2$; $R = R_1 + R_2$.
• Параллельное соединение: $I = I_1 + I_2$; $U = U_1 = U_2$; $\dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$.

Световые явления

• Законы отражения: $\alpha = \gamma$. Закон преломления: $n = \dfrac{\sin\alpha}{\sin\beta}$.
• Формула тонкой линзы: $\dfrac{1}{F} = \dfrac{1}{d} + \dfrac{1}{f}$; оптическая сила: $D = \dfrac{1}{F}$.
• Линейное увеличение линзы: $\Gamma = \dfrac{H}{h} = \dfrac{f}{d}$.