Экспериментальные задачи по физике (стр. 6 )

Распространенный сейчас лазер-брелок является очень интересным физическим прибором, позволяющим поставить много интересных физических опытов по отражению, преломлению, дифракции и т. д. света. Излучение этого лазера отличается яркостью, узкой направленностью, хорошей монохроматичностью. Длина волны излучения по паспорту простирается от 620 до 680 нм. Для практических измерений следует принять ширину интервала 20 нм, а длину волны, соответствующее пиковому значению его спектральной плотности излучения, λ ≈ 650 нм

5.7. Калориметр

Для проведения точных измерений по теплообмену используется калориметр. Простейший калориметр можно изготовить, вставив один конический пластмассовый стаканчик в другой. Для лучшей теплоизоляции от внешней среды можно вставить между стаканчиками прослойку из поролона. При использовании такого калориметра лучше накрывать его, например, листом картона с отверстием для мешалки и с креплением (бельевая прищепка) для термометра. Для большей устойчивости можно использовать поставленную вверх дном одноразовую тарелку, в дне которой вырезается отверстие для наружного стакана.

6. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ

Задача 1. Коэффициент трения

Задание. Измерьте коэффициент трения скольжения деревянного бруска по поверхности доски (линейки).

Оборудование: брусок, доска, штатив с лапкой, линейка длиной 30 (40) см.

Возможный способ решения. Кладем брусок на дощечку. Постепенно поднимая один конец доски, получаем наклонную плоскость и добиваемся равномерного скольжения бруска. Так как сила трения покоя намного больше силы трения скольжения, необходимо немного подталкивать бусок в начале скольжения. Для фиксации нужного наклона используем штатив. Измеряем высоту а и длину основания наклонной плоскости в.

Теория:

Измерения и анализ погрешностей:

Опыт повторяем несколько раз. В данном случае это необходимо сделать главным образом потому, что трудно добиться именно равномерного скольжения бруска по плоскости.

№ п/п	а	b
а, см	Δa, см	(Δa)2,см2	в, см	Δb, см	(Δb)2,см2
1	12,2	0,0	0,00	27,4	0,0	0,00
2	13,1	0,9	0,81	27,0	-0,4	0,16
3	11,2	-1,0	1,00	27,8	0,4	0,16
	<a>=12,2	0,1	Σ(a)2 = 1,81	27,4	0,0	Σ(b)2 = 0,32

Кроме случайных погрешностей в общую погрешность, конечно, входят и обычные погрешности отслета: Δа = Δb = 0,5 см.Это составляет:

и

Таким образом, получаем:

a = 12,2 ± 1,1 см, δ = 8,6%

b = 27,4 ± 0,7 см, δ = 2,6%

По результатам первого опыта:

ВГ: , НГ:

Окончательный результат измерения коэффициента трения:

μ = 0,46 ± 0,05 δ = 10,9%

Задача 2. Электрический «черный ящик»

«Черный ящик» представляет собой непрозрачную закрытую коробку, которую нельзя вскрывать, чтобы изучить ее внутреннее устройство. Внутри ящика находятся несколько электрических элементов, соединенных между собой в простую электрическую цепь. Обычно такими элементами являются: источники тока, постоянные и переменные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые диоды. Снаружи ящика находятся несколько выводов.

Основная цель задания «черный ящик»: Сделав минимальное число электрических измерений с использованием внешних выводов, «расшифровать» «черный ящик», т. е.:

·  Установить, какие именно электрические приборы находятся внутри «черного ящика».

·  Установить схему их соединения.

·  Определить номиналы (величины сопротивлений резисторов, емкости конденсаторов и т. д.)

Задание. Три резистора соединены между собой и помещены в «черный ящик» с тремя выводами. Точно такие же резисторы соединены между собой по-другому и помещены во второй «черный ящик» с тремя выводами. Определить сопротивление каждого резистора. Перемычки применять запрещено.

Оборудование: мультиметр.

Измерение сопротивления между выводами дали результаты:

Ящик №1: R1-2 = 12 Ом, R2-3 =25 Ом, R1-3 =37 Ом

Ящик №2: R1-2 = 5,45 Ом, R2-3 =15 Ом, R1-3 = 20,45 Ом

Возможный способ решения. Возможны четыре способа соединения трех резисторов с тремя наружными выводами так, чтобы три измерения давали разное значение сопротивлений:

1) последовательное, 2) смешанное, 3) звездой, 4) треугольником.

Покажем последовательность поиска ответов.

Характерным признаком двух первых схем является то, что одно из измерений равно сумме двух других, что и соответствует условию задачи:

Следовательно, в одном ящике последовательное соединение, но тогда в другом - смешанное, поскольку результаты измерений не совпадают, хотя номиналы резисторов те же самые.

Известно, что всегда выполняется соотношение

А поскольку R1-3 cлева больше, чем R1-3 справа, то в левом ящике (№1) находится последовательное соединение, а в правом (№2) – смешанное.

В состав последовательного соединения в левом ящике входят резисторы с номиналами 12 или 25 Ом. Так как ни то, ни другое значение не наблюдается в составе смешанного соединения, следовательно, номинал одного из резисторов R1 = 15 Ом.

Остальные номиналы: R2 = 12 Ом и R3 = 10 Ом.

Очевидно, к тем же результатам можно прейти и с помощью иной цепочки рассуждений.

Отметим также, что возможны еще 5 комбинаций схем по два «черных ящика» из приведённых четырех. Наиболее громоздка математическая часть задачи по «расшифровке» черного ящика, о котором известно, что там находится треугольник.

В заключении отметим, что не все может идти так гладко, как в данном примере. Значения сопротивлений или других электрических величин, естественно, содержат погрешности. И, например, соотношение может выполняться только приблизительно.

7. ЗАДАЧИ -ИССЛЕДОВАНИЯ

Часто целью экспериментальных задач является поиск закономерностей, т. е. связей между разными характеристиками физических систем или процессов. При этом, как правило, закономерности накладываются друг на друга так, что бывает трудно разобраться в их хитросплетении. Тактика при выполнении таких исследований состоит в том, что поэтапно изучается связь только между двумя величинами, в то время как другие остаются неизменными.

Такие задачи ставятся в самом общем виде. Ученику предоставляется возможность выбирать:

·  цели исследования;

·  находить пути их достижения;

·  проводить необходимые измерения;

·  анализировать полученные результаты;

·  делать окончательные выводы.

Математический вид исследуемых зависимостей зачастую достаточно сложен. Здесь совершается большое число ошибок, - учащиеся ограничиваются только прямой или обратно пропорциональной зависимостью, а порой вообще не делают никакого математического анализа полученных результатов. Кроме того, важно учитывать погрешности измерений, вуалирующие истинные соотношения, или, хуже того, «открывающие» несвойственные закономерности. И причина этого, скорее всего, в отсутствие опыта исследовательской работы – школьные лабораторные работы строятся по такой схеме, что нарабатываются только репродуктивные качества и навыки.