ВИРТУАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

ВИРТУАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ

ПРАКТИКУМ

Методические указания к лабораторным работам по курсу общей физики для студентов технических…

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Лабораторная работа 1 В

Изучение динамики движения тел с переменной массой 6

Лабораторная работа 2 В

Изучение законов реального газа 11

Лабораторная работа 3 В

Моделирование распределения Максвелла на ЭВМ 17

Лабораторная работа 4 В

Изучение законов движения заряда в магнитном поле 22

Лабораторная работа 5 В

Изучение интерференционного опыта Юнга 27

Лабораторная работа 6 В

Определение постоянной Планка 33

Лабораторная работа 7 В

Эффект Комптона 39

Лабораторная работа 8 В

Опыт Франка и Герца 44

Лабораторная работа 9 В

Элементы вакуумной техники. Знакомство с устройством и принципом работы форвакуумного и паромасляного (диффузионного) насоса 49

Рекомендации при записи результатов измерений и расчетов 59

Тест для проверки правильности записи результатов измерений 62

Приложение А 63

Приложение Б 64

Приложение В 65

ВВЕДЕНИЕ

Виртуальный физический практикум, подготовленный коллективом кафедры физики Севастопольского национального технического университета, является руководством к лабораторным занятиям по курсу общей физики для студентов очной и заочной форм обучения всех инженерных специальностей. Основной задачей данного практикума является освоение методики моделирования физических явлений и процессов с использованием электронно-вычислительной техники.

Практикум содержит описание лабораторных работ по курсу общей физики, разработанных на кафедре физики СевНТУ. Кроме того, лабораторные работы выполняются на базе учебного компьютерного курса «Открытая физика» под редакцией проф. С.М. Козела и учебного пособия сотрудников Уманского Государственного педагогического университета М.В. Дудика и С.А. Хазиной «Моделирование физических явлений в компьютерных обучающих программах» и учебника Фізика для інженерних спеціальностей. Кредитно-модульна система: Навч. посібник.-Ч.1./В.В. Куліш, А.М. Соловйов, О.Я. Кузнєцова, В.М. Кулішенко.- К.: НАУ, 2004.-456 с.

Пособие содержит описание десяти виртуальных лабораторных работ по всем частям курса общей физики. Кроме того, учитывая современные тенденции развития нанотехнологий, в пособие включена одна лабораторная работа по приборам для получения вакуума. В работе приводится описание устройства и принципа работы диффузионного паромасляного насоса.

В описании каждой лабораторной работы содержатся: цель виртуального эксперимента, рекомендуемая литература, краткое теоретическое обоснование используемых методик, список приборов и принадлежностей, порядок выполнения работы, получения и обработки экспериментальных данных, контрольные вопросы для самоподготовки студентов.

В процессе подготовки к лабораторным занятиям студент должен изучить теорию вопроса используя рекомендованную литературу, составить в рабочей тетради краткий конспект выполняемой работы с описанием теоретического обоснования, схемы лабораторной установки, методики обработки результатов экспериментальных исследований. Отдельно составляется отчет к лабораторной работе по установленной форме. В отчете к лабораторной работе студент должен представить для защиты заполненные таблицы экспериментальных данных, результаты вычислений и оценки погрешности измерений и расчетов. В заключении необходимо записать краткие выводы по работе.

Студент должен освоить современные методы оценки погрешностей измеряемых и рассчитываемых величин с использованием элементов теории вероятностей и математической статистики, обращая при этом внимание на грамотность при записи окончательных расчетов.

Настоящее пособие подготовлено к изданию коллективом сотрудников кафедры физики СевНТУ: Баракин В.В. (л.р. 1-10), Бушуев Ю.Е. (л.р.7),
Костюков В.В. (л.р. 3), Хомич В.В. (л.р.1,2,4-7), Хомич Е.А. (л.р. 4), Рогова О.В. (л.р. 9).

Оформление пособия и подготовка его к печати осуществлена В.В. Хомич.

Работа по совершенствованию виртуального физического практикума продолжается и мы надеемся получить от читателей советы и предложения по улучшению данного пособия.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 1 В

ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ С ПЕРЕМЕННОЙ МАССОЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить динамику движения тел с переменной массой.

2. Определить запас топлива в ракете для достижения первой и второй космических скоростей.

3. Изучить некоторые кинематические характеристики движения ракет.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов втузов. В 3 т. Т.1: Механика. Молекулярная физика / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1989. – 350 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

ДВИЖЕНИЕ РАКЕТЫ С ПЕРЕМЕННОЙ МАССОЙ

. (1) (величиной второго порядка малости dmdV пренебрегаем). По второму закону динамики действующая сила равна скорости изменения импульса

Компьютерный эксперимент

Компьютерный эксперимент позволяет изменять количество топлива, помещенного в ракету, определять максимальную скорость ракеты. Компьютерная программа предусматривает графический вывод на монитор зависимости скорости движения ракеты от времени V = f(t), а также значение максимальной скорости ракеты. Кроме этого в пошаговом режиме на экран выводится информация о массе ракеты в данный момент времени.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер.

2. Программа «Открытая физика 1.1» ООО «Физикон».

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Обработка результатов измерений

2. Запустите установленную программу, в разделе – «Содержание», откройте вкладку «Механика», выберите компьютерную модель – «Реактивное движение»,… 3. Включите непрерывный режим компьютерного эксперимента. Нажмите «Старт» и… 4. Проведите первый эксперимент. Нажмите «Старт» и на экране монитора наблюдайте движение ракеты в пространстве.…

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Получите формулу Циолковского.

2. Сформулируйте закон сохранения импульса.

3. Рассчитайте первую и вторую космические скорости.

4.Объясните предназначение и особенности движения многоступечатых ракет.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 2 В

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ РЕАЛЬНОГО ГАЗА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить поведение реального газа. Исследовать уравнение состояния реального газа.

2. Изучить изотермы Ван-дер-Ваальса и проанализировать условия получения критического состояния.

3. По экспериментальным данным определить критические параметры исследуемого газа и рассчитать постоянные a и b уравнения Ван-дер-Ваальса.

4. Определить, какой газ применялся в эксперименте, и найти его массу.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Изотермы Ван-дер-Ваальса. Связь критических параметров с постоянными в уравнении Ван-дер-Ваальса

, (1) где a и b - поправки на внутреннее давление и собственный объем молекул… Теоретически полученное уравнение (1) называется уравнением Ван-дер-Ваальса.

Свойства критических параметров реального газа

Почленно перемножим уравнения (10) и (12). Тогда получим:

. (13)

Разделив соотношение (13) на (11), установим связь между критическими параметрами реального газа.

Отсюда, , (14)

где - - критический объем одного моля исследуемого газа.

Определим из уравнения (14) критический объем одного моля газа.

. (15)

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. ЭВМ типа Pentium, Windows 95/98/2000/XP.

2. CD-ROM «Открытая физика», версия 1.1 или 2.5, под редакцией профессора МФТИ С.М. Козела.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Установите на компьютер CD «Открытая физика» и в разделе «Термодинамика и молекулярная физика» рассмотрите модель «Изотермы реального газа». На экране монитора ЭВМ появится панель «Изотермы реального газа», изображенная на рисунке 2.

Рисунок 2 - Модель «Изотермы реального газа»

2. Визуально ознакомьтесь с особенностями изотерм реального газа. Для этого включите клавишу «Выбор», установите температуру термодинамической системы меньшую критической T₂<T_кр и включите клавишу «Старт». При этом наблюдается вначале уменьшение, а затем увеличение объема термодинамической системы, указательная точка будет двигаться по изотерме. В нижней части панели указывается объем, давление и температура изотермического процесса указанного компьютерного эксперимента. Снимите 7-10 точек этой изотермы и результаты эксперимента занесите в таблицу 1.

3. Повторите пункт 2 для температуры большей и равной критической T₁>T_кр, T₁=T_кр. Результаты эксперимента занесите в таблицу 1.

4. Определите параметры критического состояния p_кр, T_кр, V_кр. Критические параметры запишите в таблицу 3.

Таблица 1

T=T_кр
p
V

Продолжение таблицы 1

T₁>T_кр
p
V
T₂<T_кр
p
V

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

2. Рассчитайте по формуле (15) критический объем одного моля газа. 3. Рассчитайте по формуле (10) параметр b уравнения Ван-дер-Ваальса. 4. Рассчитайте по формулам (11) или (12) параметр a уравнения Ван-дер-Ваальса.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Поясните уравнения Ван-дер-Ваальса.

2. Поясните, какие физические процессы определяют поправки на внутреннее давление и собственный объем молекул реального газа a и b.

3. Установите связь между критическими параметрами и постоянными уравнения Ван-дер-Ваальса.

4. Объясните свойства газа в критическом состоянии. Поясните сущность явления критической опалесценции.

5. Решите задачу (№ 2.212. Иродов И.Е. Задачи по общей физике, 1988 г.). Вычислить постоянные Ван-дер-Ваальса для углекислого газа, если его критическая температура Т_КР = 304 К и критическое давление p_КР = 73 атм.

6. Решите задачу (№ 2.213. Иродов И.Е. Задачи по общей физике, 1988 г.). Найти удельный объем бензола (С₈Н₆) в критическом состоянии, если его критическая температура Т_КР = 562 К и критическое давление p_КР = 73 атм.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 3 В

Моделирование распределения Максвелла на эвм

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Моделирование на ЭВМ прямоугольного распределения и функции плотности распределения для шести случайных величин.

2. Исследование процесса моделирования распределения скоростей молекул идеального газа.

3. Определение наиболее вероятной, средней и среднеквадратичной скоростей молекул идеального газа при различных температурах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

4. Сивухин Д.В. Молекулярная физика и термодинамика: учеб. пособие для вузов / Д.В. Сивухин. - 3 -е изд. - М.: Наука, 1990. - 592 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Распределение Максвелла

, (1) где m - масса молекулы, T- абсолютная температура, k постоянная Больцмана. При этом средняя скорость молекул равна нулю, а стандартное отклонение .

Моделирование суммы двух и более равномерно распределенных случайных величин

Очевидно, что для одной кости выпадение каждой из шести граней (и, таким образом, цифр 1, 2, 3, 4, 5 и 6) игральной кости является событием… Таблица 1 Зеленая кость К … В выделенных клетках таблицы 1 указана соответствующая сумма очков. Рассчитаем распределение вероятности P суммы очков…

Моделирование Распределения Максвелла

Распределение Максвелла для скоростей газовых молекул доказано из предположения о распределении проекции скоростей молекул по нормальному закону (1). При этом случайная величина η абсолютного значения скорости записывается через компоненты скорости как

. (4)

В настоящей работе для трех случайных величин η_i (m = 6) строится гистограмма и сравнивается с функцией распределения (3).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

На экране монитора ЭВМ возникнет открывающееся меню «Модель распределения Максвелла», в котором появятся окошки выбора условий проведения модельного… · Окошко выбора температуры в кельвинах (К) и интервал изменения температур… · Окошко выбора массы молекул газа (а.е.м.) и интервал изменения а.е.м. (1-100);

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Запишите функцию распределения молекул (распределение Максвелла) по скоростям для идеального газа.

2. Определите среднюю, наиболее вероятную и среднеквадратическую скорости.

3. Поясните физический смысл функции распределения.

4. Определите по графику относительное число молекул, скорости которых больше или меньше определенной скорости.

5. Рассчитайте относительное число молекул, скорости которых находятся в интервале скоростей от 0 до ∞.

6. Объясните методику исследования распределения молекул по скоростям. Поясните моделирование равномерного, треугольного и гауссова распределения. Докажите на примере игры «Крепс» переход от равномерного к треугольному распределению случайных событий.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 4 В

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯДА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Экспериментально исследовать действие магнитного поля на движущийся заряд.

2. Изучить действие силы Лоренца на движущийся заряд.

3. Определить удельный заряд частицы.

4. Определить параметры траектории движения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов втузов. В 3 т. Т.2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1989. – 480 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Рассмотрим случай, когда частица влетает в однородное поле, созданное в вакууме, имея направление, перпендикулярное полю. Пусть частица влетает в магнитное поле с индукцией B (рисунок 1). Линии… Так как скорость перпендикулярна силе Лоренца, то изменяется только направление скорость движения частицы, при этом…

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Компьютерный эксперимент дает возможность, изменяя характеристики движения заряда и индукции магнитного поля, определить радиус винтовой или круговой траектории заряда и определять время движения. Измерив период движения заряда, определяют искомый удельный заряд частицы, которая движется, и шаг винта.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер

2. Программа «Открытая физика 1.1» ООО «Физикон»

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ, ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Установите программу «Открытая физика 1.1» на компьютер.

2. Запустите установленную программу, в разделе – «Содержание», откройте вкладку «Электричество и магнетизм», выберите компьютерную модель – «Движение заряда в магнитном поле», рисунок 3.

ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ СИЛЫ ЛОРЕНЦА НА ЧАСТИЦУ, ВЛЕТАЮЩУЮ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО МАГНИТНОМУ ПОЛЮ.

1.2. Установите значение индукции (B > 0) магнитного поля. 1.3. Нажмите клавишей мышки на клавише «Старт» и повторным нажатием остановите… 1.4. Исследуйте зависимость r от В. Для этого для трех значений скоростей меняйте значение магнитной индукции. Все…

ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ СИЛЫ ЛОРЕНЦА НА ЧАСТИЦУ, ВЛЕТАЮЩУЮ ПОД УГЛОМ К МАГНИТНОМУ ПОЛЮ.

2.2. Установите значение индукции (B > 0) магнитного поля. 2.3. Исследуйте зависимость шага спирали от значения υz. Для этого для… Таблица 3 υx, м/с = В1, мТл = В2, мТл = В3, мТл = …

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Запишите выражение для силы Лоренца в векторной и скалярной форме.

2. Опишите поведение заряженной частицы в магнитном поле.

3. От чего зависит вид траектории протона, при движении в магнитном поле.

4. Выведите формулы для параметров траектории частицы.

5. Электрон движется в магнитном поле по окружности. Как зависит период вращения электрона от его скорости.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 5 В

ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ОПЫТА ЮНГА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить схему наблюдения интерференционных рефлексов с помощью опыта Юнга.

2. Рассчитать условия образования темных и светлых интерференционных полос в опыте Юнга.

3. Рассчитать расстояния между светлыми и темными интерференционными полосами в опыте Юнга.

4. Рассчитать угловое расстояние между светлыми (или темными) интерференционными полосами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

При изучении света ещё в 15 веке были установлены факты попадания света в область геометрической тени и появлении при наложении пучков света чередующихся светлых и темных полос.

Результаты сложения световых пучков были впервые точно истолкованы на основе волновых представлений Юнгом. При дальнейшем изучении этого вопроса Юнг открыл принцип интерференции (сам термин был введён Юнгом в 1802 году). Схема опыта Юнга представлена на рисунке 1.

Малое отверстие А в непрозрачном экране освещается интенсивным источником света. Согласно принципу Гюйгенса это отверстие является источником распространения элементарных полусферических волн. Эти волны падают на два малых отверстия В₁ и В₂ , которые в свою очередь становятся источниками волн, накладывающихся друг на друга в области D. Так как колебания в отверстиях В₁ и В₂вызываются одной и той же падающей на них волной, то их амплитуды и фазы одинаковы. Волны, исходящие из точек В₁ и В₂ , сходятся в каждой точке области D с разностью хода, определяемой пройденными ими путями. В зависимости от этой разности хода они усиливают или ослабляют друг друга.

Если в разности хода укладывается целое число длин волн (или четное число длин полуволн) то наблюдается интерференционный максимум (светлая полоса).

Δ = ±kλ, (1)

где k - целое число, порядок интерференционного максимума, k = 0,1,2,3…

Рисунок 1 - Схема опыта Юнга

Если в разности хода укладывается нечетное число длин полуволн, то наблюдается интерференционный минимум (темная полоса).

. (2)

Таким образом, на экране в области D наблюдается явление наложения двух волновых процессов, проявляющееся в образовании усиленных и ослабленных областей в виде чередующихся светлых и темных полос.

Рассчитаем положение интерференционных рефлексов на экране Э (рисунок 2). Пусть точечные источники волн В₁ и В₂ расположены друг от друга на расстоянии d (рисунок 2). Будем считать, что колебания в точках В₁ и В₂ совершаются в одной фазе с одинаковыми амплитудами. Результат интерференции волн пусть наблюдается на экране Э, расположенном от точек В₁ и В₂ на расстоянии L, большим по сравнению с d. Определим разность хода Δ, с которой приходят волны в точку С экрана, отстоящую от его середины А на расстоянии l. Поскольку L>>d и L>>l, то треугольники В₁ В₂ N и АОС подобны.

Отсюда

. (3)

Если в разности хода укладывается целое число длин волн (условие 1), то в точке С на экране Э будет наблюдаться светлая полоса.

. (4)

Если в разности хода укладывается нечетное число длин полуволн (условие 2), то в точке С на экране Э будет наблюдаться темная полоса.

. (5)

Рисунок 2 - Расчет разности хода лучей В₁С и В₂С

Видно, что светлые полосы располагаются на расстояниях от середины экрана т. А, равных

, (6)

где k = 0,1,2,3…

Темные полосы расположены между светлыми. Расстояние между соседними светлыми полосами равно:

. (7)

Положение светлых полос можно определить также углом, т.е

. (8)

Угловое расстояние между соседними светлыми или темными полосами Δα равно:

. (9)

Из соотношения (9) видно, что угловое расстояние между полосами определяется отношением , т.е. отношением длины волны λ к расстоянию между источниками d. Это отношение не должно быть малым, так как в противном случае интерференционные полосы расположатся на слишком малых расстояниях друг от друга.

При наблюдении интерференционной картины в красном свете интерференционные полосы располагаются на больших угловых расстояниях Δα друг от друга, а при наблюдении в синем свете – на меньших.

Отсюда следует, что свет различного цвета отличается друг от друга длиной волны (таблица 1).

Таблица 1

Цвет цвета	Приблизительный интервал длин волн, λ, мкм
Красный	0,76-0,63
Оранжевый	0,63-0,60
Желтый	0,60-0,57
Зеленый	0,57-0,50
Сине-зеленый	0,50-0,45
Синий	0,45-0,43
Фиолетовый	0,43-0,40

Лучи с длинами волн больше 0,76 мкм и меньше 0,40 мкм человеческий глаз не воспринимает. Первые из них называются инфракрасными, вторые – ультрафиолетовыми.

Свет какой-либо одной определенной длины волны называется монохроматическим.

Компьютерный эксперимент

Компьютерный эксперимент позволяет провести виртуальный интерференционный опыт Юнга, в котором монохроматический луч света проходит через две близко расположенные щели. Эти щели генерируют две когерентные световые волны, которые, накладываясь в области перекрытия двух световых пучков, образуют интерференционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос. Компьютерная программа предусматривает расчет положения интерференционных полос, их ширину и угол схождения световых лучей.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер.

2. Программа «Открытая физика 1.1», ООО «Физикон».

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Обработка результатов измерений

2. Запустите установленную программу, откройте содержание, запустите раздел «Оптика», откройте программу виртуальной лабораторной работы… 3. Установите в соответствие с данными таблицы 1 длину волны… 4. Внимательно изучите интерференционную картину виртуального опыта Юнга. Обратите внимание на положения светлых и…

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните схему проведения опыта Юнга.

2. Получите выражение для определения темных и светлых интерференционных полос в опыте Юнга.

3. Объясните способы получения когерентных источников света: зеркала Френеля, бипризма Френеля, опыт Ллойда, опыт В.П. Линника, билинза Бийе.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 6 В

Определение постоянной планка

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучение законов внешнего фотоэффекта.

2. Снятие и изучение вольтамперных характеристик вакуумного фотоэлемента.

3. Определение работы выхода электронов из материала катода вакуумного фотоэлемента.

4. Определение постоянной Планка.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов втузов. В 3 т. Т.3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1982. – 304 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

Теоретическое введение

Внешний фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта

Свет проходит через кварцевое стекло в стеклянный баллон и освещает электрод К, изготовленный из исследуемого материала. Эти электроды с помощью… При освещении электрода К из него испускаются электроны. Если на электрод А… Рисунок 1 - Схема установки для исследования фотоэффекта

Компьютерный эксперимент

Компьютерный эксперимент позволяет исследовать зависимость силы фототока от приложенного прямого и обратного напряжения, проанализировать вольтамперные характеристики. При проведении эксперимента на экран дисплея выводятся данные о приложенном напряжении, фототоке, длине волны, мощности излучения.

Эксперимент предусматривает проведение расчетов постоянной Планка, работы выхода электрона из материалов электрода К, анализ приборной и случайной погрешности проводимых измерений и расчетов.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер.

2. Программа «Открытая физика 1.1» ООО «Физикон».

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

2. Запустите установленную программу, откройте содержание, запустите раздел «Квантовая физика», откройте программу виртуальной лабораторной работы… 3. Включите режим компьютерного эксперимента для фиолетового цвета, установите… 4. Произведите съемку вольтамперной характеристики. Напряжение изменяйте в интервале от -3 В до +3 В. Показания силы…

Обработка результатов измерений и расчет погрешностей измерений

2. Рассчитайте среднее значение постоянной Планка по формуле: . 3. Рассчитайте абсолютные погрешности отдельных измерений:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем суть явления фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

2. Сформулируйте законы Столетова для внешнего фотоэффекта.

3. Дайте определение красной границы фотоэффекта и работы выхода.

4. Выведите рабочую формулу для определения постоянной Планка.

5. Постройте и поясните вольтамперные характеристики наблюдаемые при фотоэффекте.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 7 В

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить эффект Комптона с помощью компьютерного эксперимента.

2. Определить зависимость изменения длины волны падающего излучения от угла рассеяния.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон, исследуя в 1923 г. рассеяние… Dl = l' - l = 2lC sin2(q/2), (1) где l' — длина волны рассеянного излучения, lC — комптоновская длина волны,(при рассеянии фотона на электроне lC=…

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Компьютерный эксперимент позволяет изменять угол рассеяния и длину волны падающего излучения. Компьютерная программа предусматривает расчет длины волны рассеянного излучения, вывод на монитор векторной диаграммы импульсов фотона и покоящейся частицы до и после взаимодействия, а также графика относительных интенсивностей падающей и рассеянной волны в зависимости от заданных длины волны падающего излучения и угла рассеяния.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер.

2. Программа «Открытая физика 1.1» ООО «Физикон».

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

2. Запустите установленную программу, в разделе «Содержание» откройте закладку «Квантовая физика», выберите компьютерную модель «Комптоновское… 3. Установите начальные значения угла рассеяния и длины волны l падающего… 4. В соответствии с исходными данными таблицы 1 определите длину волны рассеянного излучения l' в зависимости от угла…

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Приведите примеры явлений, подтверждающих волновую теорию природы света, и примеры, подтверждающие корпускулярную теорию.

2. Что называется эффектом Комптона?

3. Какие законы выполняются при упругом рассеянии света на свободных электронах? Запишите их.

4. Получите выражение для изменения длины волны падающего излучения.

5. Получите математическое выражение и рассчитайте комптоновскую длину волны электрона.

6. От чего зависит величина изменения длины волны падающего излучения?

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 8 В

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Исследование распределения скоростей электронов до и после соударения их с атомами и молекулами разреженного газа.

2. Исследование и анализ упругого и неупругого соударения электронов с молекулами разреженного газа.

3. Изучение вольтамперной характеристики установки Франка Герца. Доказательство дискретности энергетических уровней атомов. Проверка постулатов Бора.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

Теоретическое введение

Опыт франка и герца

Схема установки Франка – Герца показана на рисунке 1. В вакуумный баллон (трубку) впаяны термокатод К, сетки С и анод А. Трубку заполняли парами… . (1) Исследовалась зависимость тока I, регистрируемого гальванометром (микроамперметром) G, помещённым в цепь анода А, от…

Компьютерный эксперимент

Компьютерный эксперимент опыта Франка и Герца позволяет исследовать зависимость силы тока от приложенного напряжения, проанализировать полученные вольтамперные характеристики. При проведении эксперимента на экран дисплея выводятся данные о приложенном напряжении и возникшем электрическим током.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер.

2. Программа «Frank & Hertz», выполненная для компьютерного моделирования физических опытов Дж. Франка и Г. Герца для подтверждения постулатов Бора.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Обработка результатов измерений

2. Запустите программу, используя ярлык расположенный на рабочем столе, в меню программы выберите пункт «Дослiд» рисунок 3. … 2. Пользуясь компьютерной программой, снимите зависимость анодного тока от… 3. Постройте график зависимости величины анодного тока от ускоряющего напряжения. Определите из графика потенциал…

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие законы сохранения выполняются при упругом и неупругом соударениях тел?

2. Что называется абсолютно упругим и неупругим ударами?

3. Объясните, на каких участках вольтамперной характеристики (рисунок 2) имеют место упругие и на каких – неупругие столкновения электронов с атомами?

4. Какова длина волны линии излучения при переходе электрона в атоме ртути из первого возбужденного состояния в основное?

5. Сформулируйте постулаты Бора.

6. С помощью постулатов Бора получите выражения для определения скорости, радиуса и энергии движущегося электрона в атоме водорода и водородободобных атомов.

7. Опишите схему установки Франка и Герца, поясните смысл опытов Франка и Герца и дайте пояснения результатов этих опытов.

8. С какой целью на электрод А (на коллектор А) подается задерживающее напряжение и из каких соображений оно выбирается?

9. Как проявляется контактная разность потенциалов в опыте Франка и Герца?

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 9 В

ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ. ЗНАКОМСТВО С УСТРОЙСТВОМ И ПРИНЦИПОМ РАБОТЫ ФОРВАКУУМНОГО И ПАРОМАСЛЯНОГО (ДИФФУЗИОННОГО) НАСОСА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить устройство, принцип работы форвакуумного и паромасляного (диффузионного) насосов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

Теоретическое введение

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ НАСОСОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАЗРЯЖЕНИЯ (ФОРВАКУУМНЫХ НАСОСОВ)

Для получения низкого вакуума (10^-1 – 10^-3 мм рт. ст.) в физических лабораториях и на производстве используются форвакуумные насосы. Наибольшее распространение получили вращательные пластинчато–роторные, пластинчато–статорные и плунжерные насосы. Рассмотрим устройство и принцип работы пластинчато–роторного насоса. На рисунке 1 изображена схема форвакуумного пластинчато–роторного насоса. Работает насос следующим образом. Стальной цилиндр 2 (ротор) вращается в цилиндрическом кожухе 1, к которому приварены два патрубка 5 (входной) и 7 (выходной). Верхняя часть ротора плотно прилегает к цилиндрическому кожуху. В диаметральной плоскости ротора проделаны пазы, в которых могут двигаться пластины 3, прижимаемые пружиной 4 к внутренней поверхности цилиндрического кожуха 1. Пластины 3 тщательно пришлифованы к внутренней поверхности кожуха 1 и смазываются вакуумным маслом. При вращении ротора воздух по патрубку 5 поступает из откачиваемого объема в увеличивающийся объем 6 полости насоса. Выталкивание сжатого другой лопастью насоса газа происходит в атмосферу через выходной патрубок 7.

Наиболее распространенными насосами являются пластинчато–роторные насосы типа ВН-494, пластинчато-статорные насосы типа ВН-461М, РВН-20 и другие.

Рисунок 1 - Схема форвакуумного пластинчато – роторного насоса: 1 – цилиндрический кожух корпуса насоса; 2 – ротор, цилиндр с прорезями для пластин; 3 – пластины; 4 – пружина; 5 – всасывающий патрубок; 6 – всасывающий объем; 7 – выхлопной патрубок; 8 – вакуумное масло

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ НАСОСОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО ВАКУУМА

На рисунке 2 приведена простейшая схема паромасляного насоса. Электрическая печь 1 нагревает вакуумное масло 2, находящееся на дне металлического… Выходящие пары масел попадают на стенки насоса, которые охлаждаются проточной… Для получения более высокого вакуума применяют сорбционные и другие типы насосов.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Диффузионный паромасляный насос.

2. Маслоотражающее устройство с водяным охлаждением.

3. Устройство с маслоотражающими пластинами.

4. Азотная ловушка.

5. Высоковакуумный клапан.

6. Защитная сетка.

ОПИСАНИЕ лабораторной УСТАНОВКИ

Блок – схема вакуумного поста для получения высокого вакуума представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок-схема вакуумного поста: 1- форвакуумный роторный насос; 2 – диффузионный паромасляный насос; 3 – электрическая печь диффузионного насоса мощностью 400 – 600 Вт; 4 - азотная ловушка; 5 – высоковакуумный клапан; 6 -откачиваемый объем; 7 манометр предварительного разрежения; 8 – манометр высокого вакуума

Насос предварительного разрежения 1 (форвакуумный насос) соединяют с выходом пароструйного диффузионного насоса 2, откачивающего воздух из сосуда 6. Непосредственное подключение диффузионного пароструйного насоса 2 к откачиваемому объему 6 проводится с помощью высоковакуумного клапана 5. Манометры 7 и 8 используются для контроля вакуума в системе предварительного и высокого вакуума. Азотная ловушка 4 позволяет уменьшить давление в системе высокого вакуума примерно на порядок.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2. Разберите на отдельные детали паромасляный диффузионный насос (рисунок 4). Зарисуйте в рабочей тетради конструкцию верхнего и нижнего сопла, а… 3. Соберите паромасляный насос и установите его в исходное рабочее… 4. Зарисуйте в тетради конструкции маслоотражающего устройства с водяным охлаждением (рисунок 7), а также устройство с…

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Объясните устройство и принцип работы форвакуумного насоса. Укажите физические характеристики получаемого предельного вакуума.

2. Объясните устройство и принцип работы диффузионного паромасляного насоса. Укажите физические характеристики получаемого предельного вакуума.

3. Поясните назначение азотной ловушки, высоковакуумного клапана, маслоотражающих пластин.

4. Поясните устройство и принцип работы термопарного и ионизационного манометров для измерения вакуума.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИ ЗАПИСИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИЗМЕРЕНИЙ И РАСЧЕТОВ

ЧИСЛО ЗНАЧАЩИХ ЦИФР ПРИ ВЫЧИСЛЕНИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Можно сформулировать иначе: “Значащими цифрами называют все цифры, кроме левых нулей”. Заметим, что нуль, стоящий в конце десятичной дроби, - всегда значащая цифра… Рассмотрим целое приближенное число с нулями справа. Эти нули могут быть значащими или незначащими. Незначащие нули в…

ЗАПИСЬ ПОГРЕШНОСТЕЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Абсолютную и относительную погрешность необходимо записывать с точностью до двух значащих цифр. 2. Число значащих цифр при записи среднеарифметического результата измерений… 3. Если абсолютная погрешность составляет единицы последней значащей цифры окончательного результата, то последняя…

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

Постоянная Больцмана k=1,3807.10-23 Дж/K. Универсальная газовая постоянная R=8,31441 Дж/(моль.К). Элементарный электрический заряд е= 1,6021892.10-19 Кл.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ В

КОЭФФИЦИЕНТЫ СТЬЮДЕНТА

Заказ №_____ от «___» __________ 200__ . Тираж _______ экз. Изд-во СевНТУ