Fizyka laboratorium Instrukcje do ćwiczeń dla kierunku budownictwo

Transkrypt

1 Fizyka laboratorium Instrukcje do ćwiczeń dla kierunku budownictwo Wydział Matematyki i Informatyki Uniwersytet Warmińsko-Mazurski Wersja na dzień 27 października 2014

2 Spis treści 1 MECHANIKA 3 1 Wyznaczanie gęstości cieczy za pomocą wagi Mohra Pomiar gęstości w oparciu o prawo Archimedesa Pomiar gęstości za pomocą piknometru Wyznaczanie gęstości względnej cieczy za pomocą naczyń połączonych Sprawdzenie twierdzenia o momentach bezwładności za pomocą wahadła balansowego Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Wyznaczanie momentu bezwładności metodą dynamiczną Wyznaczanie modułu sztywności metodą dynamiczną Wyznaczanie modułu Younga przez wydłużanie Wyznaczanie częstości drgań kamertonu metodą dudnień Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła różnicowego Pomiar prędkości głosu metodą Kundta Wyznaczanie prędkości głosu w powietrzu metodą rezonansu Badanie sprężyny Obliczanie momentów bezwładności na podstawie pomiarów masy i wymiarów liniowych Wyznaczanie gęstości za pomocą ważenia i mierzenia ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM Wyznaczanie oporu za pomocą mostka Wheatstone a Wyznaczanie pojemności kondensatora w obwodzie prądu zmiennego Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego za pomocą elektrolizy Wyznaczanie siły elektromotorycznej i oporu wewnętrznego ogniwa Badanie pola magnetycznego cewek Helmholtza Badanie transformatora. Histereza magnetyczna Pomiar siły elektromotorycznej termoogniwa metodą kompensacji Wyznaczanie stosunku e/m za pomocą podłużnego pola magnetycznego Badanie galwanometru Dioda półprzewodnikowa Badanie tranzystora Badanie fotokomórki Pomiar oporu za pomocą multimetru

3 SPIS TREŚCI CIEPŁO. FIZYKA MOLEKULARNA Wyznaczanie ciepła topnienia lodu Wyznaczanie stosunku ciepła właściwego C p {C v metodą Desormesa-Clementa Wyznaczanie ciepła właściwego metodą elektryczną Wyznaczanie bezwzględnego współczynnika lepkości metodą Stokesa Pomiar lepkości cieczy za pomocą wizkozymetru Ostwalda Pomiar napięcia powierzchniowego za pomocą stalagmometru Wyznaczanie napięcia powierzchniowego za pomocą wagi torsyjnej Wyznaczanie wilgotności względnej powietrza za pomocą psychometru Augusta OPTYKA Wyznaczanie odległości ogniskowej soczewek Wyznaczanie współczynnika załamania światła Wyznaczanie współczynnika załamania przez pomiar mikroskopem grubości pozornej płytki Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą refraktometru Wyznaczanie widm za pomocą spektroskopu oraz wyznaczanie długości fali linii widmowych Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą siatki dyfrakcyjnej Badanie polaryzacji światła odbitego

4 Rozdział 1 MECHANIKA 1 Wyznaczanie gęstości cieczy za pomocą wagi Mohra 2 Pomiar gęstości w oparciu o prawo Archimedesa Definicje gęstości, metody pomiaru, prawo Pascala, prawo Archimedesa, zależność gęstości ciał od temperatury, wyprowadzenie wzorów 1.1 i Waga laboratoryjna z kompletem odważników 2. Bryły z różnych materiałów do wyznaczenia gęstości 3. Zlewka, ławeczka, ciecze 4. Suwmiarka Trzykrotnie (w różnych miejscach) zmierzyć wymiary liniowe badanych brył przy użyciu suwmiarki Gęstość ciała większa od gęstości wody ρ ρ H2 O 1. Trzykrotnie zawiesić bryłę metalową na haczyku przymocowanym do ramienia wagi i wyznaczyć ciężar bryły w powietrzu P 1 2. Zmierzyć temperaturę wody 3. Trzykrotnie umieścić zlewkę z wodą na ławeczce tak, aby zawieszona bryła zanurzyła się całkowicie w wodzie. Wyznaczyć ciężar bryły zanurzonej Q. Przy wykonywaniu pomiarów należy zwracać uwagę na całkowite zanurzenie ciała w badanej cieczy oraz na jego swobodne zawieszenie. Ważona bryła nie może dotykać dna naczynia, ocierać się o ściany boczne i wynurzać z cieczy podczas ważenia. 3

5 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA 4 Gęstość ciała mniejsza od gęstości wody ρ ρ H2 O 1. Trzykrotnie zważyć bryłkę z drewna w powietrzu, wyznaczyć P 2 2. Trzykrotnie zanurzyć bryłkę drewnianą wraz z bryłką metalową w wodzie i wyznaczyć ciężar całości w wodzie T Gęstość wody w danej temperaturze ρ H2 O odczytać z tablic (dostępne na pracowni lub w internecie, np. [1]). Wyznaczyć wartości średnie i odchylenia standardowe zmierzonych wartości. Dla przypadku ρ ρ H2 O obliczyć gęstość ciała ze wzoru: ρ P 1 P 1 Q ρ H 2 O, (1.1) a w przypadku ρ ρ H2 O ze wzoru ρ P 2 P 2 Q T ρ H 2 O (1.2) Porównać uzyskane wartości z gęstością wyznaczoną z definicji, tj. ze wzoru Literatura [1] ρ m V P 1{2 a b c. (1.3) 3 Pomiar gęstości za pomocą piknometru Prawa hydrostatyki, gęstość i ciężar właściwy ciał, zależność gęstości od temperatury 1. Piknometr 2. Termometr 3. Waga laboratoryjna z kompletem odważników 4. Strzykawka 5. Badane ciecze i ciała stałe

6 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA 5 Pomiar gęstości cieczy 1. Odczytać temperaturę wody destylowanej 2. Zważyć pusty, dokładnie osuszony piknometr wraz z korkiem m 1 3. Posługując się strzykawką napełnić piknometr wodą destylowaną i ponownie zważyć m 2 4. Wylać wodę, starannie osuszyć piknometr, napełnić badaną cieczą i zważyć m 3 Pomiar gęstości ciał stałych 1. Zważyć kilkanaście kulek z badanego materiału m Zważyć wraz z korkiem piknometr wypełniony wodą destylowaną m Wrzucić delikatnie do piknometru badane kulki. Zakorkować piknometr i osuszyć z zewnątrz 4. Zważyć piknometr wraz z zawartością m Obliczyć gęstość względną i bezwględną badanej cieczy korzystając ze wzorów: ρ l R m 3 m 1 m 2 m 1, (1.4) ρ l m 3 m 1 m 2 m 1 ρ H2 O. (1.5) 2. Obliczyć gęstość względną i bezwględną badanego ciała stałego korzystając ze wzorów: ρ s m 1 R 1 m 1 m1 1 2 m1, (1.6) 3 ρ s m 1 1 m 1 m1 1 2 m1 ρ H2 O. (1.7) 3 Gęstość wody ρ H2 O w danej temperaturze odczytać z tablic fizycznych (np. [1]) Literatura [1]

7 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA 6 4 Wyznaczanie gęstości względnej cieczy za pomocą naczyń połączonych 5 Sprawdzenie twierdzenia o momentach bezwładności za pomocą wahadła balansowego 6 Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Bryła sztywna, środek masy, moment bezwładności, ruch obrotowy bryły sztywnej, wahadło fizyczne, zależność okresu drgań wahadła od momentu bezwładności, twierdzenie Steinera, wahadło rewersyjne 1. Wahadło fizyczne z dwoma ostrzami do zawieszenia 2. Przymiar metrowy 3. Stoper 1. Dolną soczewkę umocować na wolnym końcu w pobliżu ostrza 2. Zapisać odległości między wszystkimi elementami wahadła 3. Wyznaczyć czasy 10 wahnięć (t 1 i t 2 ) przy zawieszeniu na obu ostrzach 4. Dolną soczewkę przesuwać po 3 cm i w każdym położeniu wyznaczyć czas 10 wahnięć dla obu ustawień wahadła 5. Sporządzić wykres zależności czasu 10 wahnięć od odległości soczewki od ostrza dla obu zawieszeń wahadła 6. Odczytać odciętą (x 0 ) punktu przecięcia krzywych na wspólnym wykresie. Dla takiego położenia soczewek odległość ostrzy l jest długością zredukowaną wahadła rewersyjnego 7. Wyznaczyć czas 50 wahnięć dla zawieszeni I i zawieszenia II wahadła, przy odległości między soczewkami równej x 0 (wartość odczytana z wykresu) Wartość przyspieszenia ziemskiego obliczyć ze wzoru g 4π2 l zred T 2 r (1.8) a jego niepewność metodą min-max.

8 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA 7 7 Wyznaczanie momentu bezwładności metodą dynamiczną 8 Wyznaczanie modułu sztywności metodą dynamiczną. 9 Wyznaczanie modułu Younga przez wydłużanie. Zadadnienia do przygotowania Siły międzycząsteczkowe w ciałach stałych, sprężystość, rodzaje odkształceń, prawo Hooke a, moduły sprężystości 1. Drut badany 2. Czujnik zegarowy 3. taśma miernicza 4. Śruba mikrometryczna 5. Odważniki 1. Zmierzyć długość badanego drutu l 0 (odcinek od punktu zaczepienia do czujnika) 2. Zmierzyć śrubą mikrometryczną w kilku miejscach średnicę drutu i obliczyć wartość średnią I r 3. Zamocować czujnik w uchwycie i wyzerować go 4. Obciążać szalkę kolejno odważnikami od 0.5 kg do 2.5 kg i każdorazowo odczytywać wychylenie czujnika zdejmując kolejno odważniki 1. Obliczyć średnie wychylenie l r przypadające na zmianę obciążenia 0.5 kg 2. Obliczyć moduł Younga dla badanego drutu korzystając ze wzoru E F l 0 S l r, (1.9) gdzie F jest siłą w niutonach odpowiadającą masie 0.5 kg. Wyznaczyć niepewność metodą min-max. Na podstawie uzyskanego wyniku i tablic wielkości fizycznych określić materiał, z którego jest wykonany drut.

9 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA 8 10 Wyznaczanie częstości drgań kamertonu metodą dudnień. Ruch harmoniczny, składanie ruchów harmonicznych (dudnienia) 1. Kamerton wzorcowy (435 1 Hz) 2. Kamerton badany z nasadką do zmiany częstości 3. Stoper 1. Wprawić w drgania oba kamertony uderzając je młoteczkiem 2. Zmierzyć pięciokrotnie czas t trwania N 8 dudnień 3. Zmienić położenie nasadki i powtórzyć kroki Odczytać temperaturę w pracowni Dla obu przypadków 1. Obliczyć wartość średnią okresu dudnień: T dud t r N (1.10) 2. Obliczyć częstotliwość f 2 badanego kamertonu ze wzoru f 2 f 1 1 T dud (1.11) 3. Obliczyć długość fali dźwiękowej w powietrzu dla częstotliwości f 2 : λ 2 v f 2 v 0 f 2 c T T 0, (1.12) gdzie T - temperatura powietrza w pracowni w skali bezwzględnej, T K, v m{s. Niepewność wyznaczyć z metody min-max. 11 Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła różnicowego Prawo powszechnego ciążenia, przyspieszenie grawitacyjne, wahadło fizyczne, wahadło matematyczne, wyprowadzenie wzoru na okres drgań wahadła matematycznego, wyprowadzenie wzoru 1.13

10 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA 9 1. wahadło matematyczne 2. skala lustrzana 3. stoper 1. Zawiesić wahadło tak, aby kulka znalazła się przy górnej części skali. Odczytać położenie punktu zawieszenia kulki l Wychylić wahadło o mały kąt z położenia równowagi i zmierzyć czas 50 wachnięć T Pomiary powtórzyć dla kilku położeń górnych l 1 (np. 0, 5, 10 cm) i kilku położeń dolnych l 2 (np. 90, 95, 100 cm). 1. Dla każdej pary l 1 i l 2 oraz T 50 1 i T 50 2 obliczyć przyspieszenie ziemskie g ze wzoru g 4π 2 l pt 1 T 2 qpt 2 T, (1.13) 1 q gdzie T 1 i T 2 są okresami drgań wahadła dla górnego i dolnego położenia 2. Obliczyć wartość średnią przyspieszenia oraz jego niepewność (odchylenie standardowe). Porównać wyniki z danymi tablicowymi oraz wartością g dla Olsztyna wyliczoną ze wzoru: g ϕ sin 2 ϕ sin 2 2ϕ h (1.14) gdzie: h wysokość nad poziomem morza [m], ϕ szerokość geograficzna [ ]. 12 Pomiar prędkości głosu metodą Kundta 13 Wyznaczanie prędkości głosu w powietrzu metodą rezonansu Wielkości charakteryzujące ruch falowy, rodzaje fal, fale stojące, rezonans akustyczny, prędkość rozchodzenia się fali w zależności od ośrodka 1. Rura na statywie 2. Menzurka z wodą 3. Przymiar metrowy z podziałką milimetrową 4. Kamerton 425 Hz

11 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA Odczytać temperaturę w pracowni 2. Sprawdzić poziom wody w menzurce (w razie potrzeby uzupełnić) 3. Wyznaczyć wysokość słupa powietrza w rurze odpowiadającą dwóm kolejnym rezonansom (pomiary wykonać dla każdego z rezonansów pięciokrotnie) 1. Obliczyć wartość długości fali w powietrzu ze wzoru λ 2pl 2 l 1 q, (1.15) gdzie l 1 i l 2 są średnimi z pomiarów wysokości słupa powietrza 2. Wyznaczyć prędkość fali dźwiękowej w powietrzu ze wzoru v λf. (1.16) 3. Obliczyć prędkość dźwięku w danej temperaturze korzystając ze wzoru Laplace a v v 0 a T {T0, (1.17) gdzie T to temperatura powietrza w pracowni w trakcie przeprowadzania pomiarów, a T K, v m{s. 4. Metodą min-max wyznaczyć niepewności otrzymanych wielkości 5. Porównać ze sobą otrzymane wartości prędkości dźwięku i przeprowadzić dyskusję niepewności pomiarowych. 14 Badanie sprężyny Ruch harmoniczny, własności sprężyste ciał, prawo Hooke a 1. Sprężyna 2. Statyw z ruchomą skalą 3. Haczyk z ciężarkami 1. Zawiesić na sprężynie haczyk z ciężarkami 2. Wybrać punkt odniesienia w górnej części haczyka i przesunąć skalę tak, by znajdował się on na jej początku 3. Wykonać pomiary wydłużenia x sprężyny dla różnych wartości obciążenia 4. Trzykrotnie zmierzyć czas 20 drgań sprężyny dla różnych mas.

12 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA Sporządzić wykres xpmq i sprawdzić prawdziwość prawa Hooke a. Zaznaczyć słupki błędów przyjmując, że niepewność względna masy ciężarków wynosi 5%. 2. Wyznaczyć stałą sprężystości k stat z regresji liniowej. 3. Uśrednić wartości T 20 dla każdej masy i sporządzić wykres mpt 2 q; z zależności wiążącej okres z masą wyznaczyć metodą regresji liniowej k dyn 4. Dokonać porównania stałej sprężystości wyznaczonej metodą statyczną i dynamiczną Obliczanie momentów bezwładności na podstawie pomiarów masy i wymiarów liniowych Moment bezwładności bryły, twierdzenie Steinera 1. Suwmiarka 2. Waga elektroniczna 3. Badana bryła 1. Pięciokrotnie zmierzyć wymiary liniowe bryły 2. Pięciokrotnie zważyć bryłę 1. Wyznaczyć wartości średnie wymiarów liniowych i masy bryły oraz ich niepewności - odchylenia standardowe σpxq (w przypadku, gdy σpxq jest mniejszy od dokładności odczytu wielkości x za niepewność przyjmujemy dokładność odczytu); 2. Obliczyć moment bezwładności bryły względem zadanej osi posiłkując się w razie potrzeby twierdzeniem Steinera 3. Obliczyć niepewność wyznaczonego momentu bezwładności metodą min-max.

13 ROZDZIAŁ 1. MECHANIKA Wyznaczanie gęstości za pomocą ważenia i mierzenia

14 Rozdział 2 ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM 21 Wyznaczanie oporu za pomocą mostka Wheatstone a Pierwsze i drugie prawo Kirchhoffa, pierwsze i drugie prawo Ohma, opór zastępczy oporników połączonych szeregowo i równolegle, zasada pomiaru oporu metodą mostka Wheatstone a 1. Źródło prądu stałego 2. Mostek Wheatstone a 3. Opór wzorcowy i opory badane 4. Galwanometr 5. Wyłącznik 6. Przewody do łączeń 1. Zmontować obwód wg. podanego schematu 2. Dla danego badanego oporu i położenia styku mostka w połowie wyznaczyć zgrubnie opór wzorcowy, dla którego wskazówka galwanometru będzie najbliżej zera. 3. Obserwując wskazówkę galwanometru ustawić ruchomy styk tak, aby przez galwanometr nie płynął prąd (wskazówka galwanometru w położeniu zerowym) 4. Przy danym położeniu styku kilkukrotnie włączyć i wyłączyć prąd w obwodzie obserwując wskazówkę galwanometru. Jeżeli wskazówka nie wychyla się, odczytać wartości l 1 i l 2 5. Pomiary powtórzyć dla trzech różnych oporów oraz dla układów oporów połączonych równolegle i szeregowo 13

15 ROZDZIAŁ 2. ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM 14 A R x Rdek l 1 l 2 1. Wartość oporów badanych wyznaczyć ze wzoru gdzie R 2 to opór wzorcowy. R x R dek l 1 l 2, (2.1) 2. Niepewność obliczonych oporów wyznaczyć metodą min-max przyjmując niepewność względną oporu wzorcowego równą 0.1%. 3. Sprawdzić zgodność wyników otrzymanych z pomiaru dla połączenia szeregowego i równoległego z wynikami otrzymanymi po zastosowaniu znanych wzorów dla tych połączeń. 22 Wyznaczanie pojemności kondensatora w obwodzie prądu zmiennego Pierwsze i drugie prawo Kirchhoffa, pierwsze i drugie prawo Ohma, pojemność kondensatorów połączonych szeregowo i równolegle, zasada pomiaru oporu metodą mostka Wheatstone a, 1. Mostek Wheatstone a 2. Generator mocy 3. Słuchawki 4. Kondensator dekadowy, kondensatory badane C x 5. Przewody do łączeń, wyłącznik

16 ROZDZIAŁ 2. ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM Zmontować obwód według podanego schematu 2. Dla danego badanego kondensatora i położenia styku mostka w połowie wyznaczyć zgrubnie pojemność kondensatora dekadowego, dla której natężenie dźwięku w słuchawkach S będzie najniższe. 3. Odszukać na mostku takie położenie ruchomego styku, aby dźwięk w słuchawce znikł. Kilkukrotnie odczytać wartości l 1 i l Pomiary powtórzyć dla dwóch różnych kondensatorów oraz dla układu kondensatorów połączonych szeregowo i równolegle. C x S Cdek l 1 l 2 1. Dla danego położenia styku wyznaczyć wartość średnią z kilku pomiarów 2. Wartości pojemności kondensatora badanego i układu kondensatorów obliczyć ze wzoru C x C dek l 2 l 1 (2.2) 3. Niepewność obliczonych pojemności wyznaczyć metodą min-max przyjmując niepewność względną pojemności wzorcowej równą 0.1%. 4. Sprawdzić zgodność wyników otrzymanych z doświadczenia przy połączeniu szeregowym i równoległym kondensatorów z wartościami otrzymanymi ze znanych wzorów dla tych połączeń

17 ROZDZIAŁ 2. ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego za pomocą elektrolizy 24 Wyznaczanie siły elektromotorycznej i oporu wewnętrznego ogniwa Prąd elektryczny. Źródła siły elektromotorycznej. Model ogniwa. Parametry ogniwa: siła elektromotoryczna, opór wewnętrzny, pojemność. Drugie prawo Kirchhoffa dla ogniwa obciążonego zewnętrzną rezystancją. Metody pomiaru parametrów ogniwa. Natężenie prądu przy zwarciu elektrod ogniwa. Opór wewnętrzny i siła elektromotoryczna szeregowego i równoległego połączenia ogniw w baterie. 1. Amperomierz 0-20 ma 2. Woltomierz (multimetr) 3. Ogniwa 4. Opór zmienny 1. Połączyć układ według schematu, włączając jedno z badanych ogniw 2. Zmieniając wartość oporu R odczytywać wartości napięcia U i natężenia I 3. Pomiary powtórzyć dla następnych ogniw oraz dla ich połączenia szeregowego i równoległego V A 1. Dla każdego ogniwa sporządzić wykresy U piq. Metodą regresji liniowej dopasować prostą (możliwość użycia komputera w pracowni) 2. Z parametru kierunkowego prostej wyznaczyć opór wewnętrzny ogniwa, zaś z parametru wolnego (punkt przecięcia z osią rzędnych) - wartość siły elektromotorycznej ɛ

18 ROZDZIAŁ 2. ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM Wyznaczyć wartość prądu zwarcia (punkt przecięcia z osią odciętych) 4. Porównać wartości SEM, oporu wewnętrznego i prądu zwarcia układu ogniw z odpowiednimi parametrami ogniw składowych. 25 Badanie pola magnetycznego cewek Helmholtza Prawo Biota-Savarta; pole magnetyczne: liniowego przewodnika z prądem, pętli z prądem, cewki Helmholtza; zjawisko indukcji elektromagnetycznej 1. Cewki Helmholtza 2. Cewka próbka 3. Transformator 4. Miliwoltomierz 1. Dołączyć cewki Helmholtza do transformatora, ustawić prąd 1 A. 2. Połączyć cewkę próbną z miliwoltomierzem, zakres miernika ustawić na 50 mv. 3. Dokonać pomiarów pola cewek wzdłuż osi OX i OY, notując wskazania miliwoltomierza przy zmianie położenia cewki próbnej od 0 do 7 cm, co 1 cm. W obu przypadkach oś cewki próbnej powinna być równoległa do osi cewek Helmholtza. 1. Obliczyć indukcję magnetyczną B (w Teslach) ze wzoru: B αu, (2.3)? gdzie U - wskazania woltomierza [V], a α 2 2πSf 2.5 s{m2 (S - powierzchnia pomiarowa cewki próbnej, f - częstotliwość prądu zasilającego). 2. Sporządzić wykresy Bpxq i Bpyq, nanieść prostokąty błędów. 3. Określić obszar jednorodności pola magnetycznego.

19 ROZDZIAŁ 2. ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM Badanie transformatora. Histereza magnetyczna 27 Pomiar siły elektromotorycznej termoogniwa metodą kompensacji 28 Wyznaczanie stosunku e/m za pomocą podłużnego pola magnetycznego 29 Badanie galwanometru 30 Dioda półprzewodnikowa 31 Badanie tranzystora 32 Badanie fotokomórki Pomiar oporu za pomocą multimetru

20 Rozdział 3 CIEPŁO. FIZYKA MOLEKULARNA 41 Wyznaczanie ciepła topnienia lodu Bilans cieplny, przemiany fazowe, ciepło topnienia, ciepło właściwe 1. kalorymetr z mieszadełkiem 2. termometr 3. waga laboratoryjna z kompletem odważników 4. lód i bibuła 1. Zważyć suchy kalorymetr (naczynie wewnętrzne) m k 2. Napełnić kalorymetr do połowy wodą i ponownie zważyć. Obliczyć masę wody m w 3. Zmierzyć temperaturę wody w kalorymetrze T 1 4. Wrzucić do kalorymetru kawałek osuszonego lodu o temperaturze T K (podczas topnienia lodu naczynko wewnętrzne ma być wsadzone do zewnętrznego i przykryte pokrywką) 5. Zanotować najniższą temperaturę, jaką osiągnie układ po całkowitym stopieniu lodu T 2 6. Zważyć kalorymetr wraz z zawartością (m wl ). 7. Powtórzyć dwukrotnie punkty 3-6 przyjmując za m w wartość m ml z poprzedniej serii pomiarowej. 19

21 ROZDZIAŁ 3. CIEPŁO. FIZYKA MOLEKULARNA Obliczyć masę wody powstałej ze stopionego lodu m l 2. Obliczyć ciepło topnienia lodu za pomocą wzoru q pm kc k m w c w qpt 1 T 2 q m l c w pt 2 T 0 q m l, (3.1) gdzie c k to ciepło właściwe kalorymetru (aluminium), c w - ciepło właściwe wody (do sprawdzenia w tablicach fizycznych). Uwaga na jednostki! Uśrednić trzy serie pomiarowe i policzyć odchylenie standardowe średniej. 3. Porównać wynik z wartością literaturową ciepła topnienia lodu 42 Wyznaczanie stosunku ciepła właściwego C p {C v metodą Desormesa-Clementa I zasada termodynamiki, kinetyczna teoria gazów, równanie gazu doskonałego, przemiany gazu doskonałego, ciepło właściwe gazów, zasada ekwipartycji energii, pomiar stosunku C p {C k metodą Desormes a-clementa, zasada pomiaru ciśnienia manometrem cieczowym 1. Balon szklany w koszu wiklinowym 2. Manometr 3. Pompka 1. Otworzyć kran, aby ciśnienie wewnątrz balona zrównało się z ciśnieniem atmosferycznym 2. Przekręcić kran umożliwiając dopływ powietrza z pompki do balona. Zwiększyć ciśnienie gazu w balonie o cm słupa wody. Odciąć całkowicie dopływ powietrza do balona. Odczekać kilka ( 5) minut do wyrównania się temperatury powietrza w balonie z temperaturą otoczenia i odczytać różnicę poziomów h cieczy w manometrze 3. Ustawić kurek w takim położeniu, aby ciśnienie w balonie zrównało się z ciśnieniem na zewnątrz. Po kilku sekundach po wyrównaniu temperatury powietrza w balonie z temperaturą otoczenia odczytać różnicę poziomów cieczy w manometrze h Pomiary powtórzyć przynajmniej 5 razy Dla każdej serii pomiarów obliczyć wartość κ C p {C v według wzoru κ h h h 1, (3.2) a na koniec obliczyć wartość średnią i odchylenie standardowe.

22 ROZDZIAŁ 3. CIEPŁO. FIZYKA MOLEKULARNA Wyznaczanie ciepła właściwego metodą elektryczną 44 Wyznaczanie bezwzględnego współczynnika lepkości metodą Stokesa Lepkość, prawo Stokesa, prawa hydrodynamiki, zasada działania śruby mikrometrycznej 1. Rura cylindryczna z badaną cieczą 2. Badane kulki 3. Stoper, przymiar metrowy 4. Śruba mikrometryczna 1. Zmierzyć śrubą mikrometryczna średnicę kulki I 2r oraz zważyć ją na wadze laboratoryjnej 2. Wpuszczać kolejno kulki do rury i notować czas spadania t każdej kulki na drodze s 1 m. 3. Po zakończeniu pomiarów wyciągnąć utopione kulki 1. Wyznaczyć z definicji gęstości kulek. 2. Dla każdej kulki obliczyć współczynnik lepkości korzystając ze wzoru η 2pρ 1 ρ 2 qgr 2 t, (3.3) 9s gdzie ρ 1 - gęstość kulki, ρ kg{m 3 - gęstość gliceryny w rurze, g - wartość przyspieszenia ziemskiego. 3. Obliczyć wartość średnią współczynnika lepkości wraz z odchyleniem standardowym.

23 ROZDZIAŁ 3. CIEPŁO. FIZYKA MOLEKULARNA Pomiar lepkości cieczy za pomocą wizkozymetru Ostwalda 46 Pomiar napięcia powierzchniowego za pomocą stalagmometru 47 Wyznaczanie napięcia powierzchniowego za pomocą wagi torsyjnej Struktura cieczy, oddziaływania międzycząsteczkowe, napięcie powierzchniowe cieczy, definicja jednostki w układzie SI, pomiar napięcia powierzchniowego za pomocą wagi torsyjnej. 1. Waga torsyjna 2. Ramka z drutu 3. Naczyńko z cieczą badaną 1. Zapoznać się z instrukcją wagi torsyjnej 2. Wyzerować wagę z haczykiem 3. Zawiesić jedną z ramek na haczyku i wyzerować wagę z ramką. Odczytać wskazanie wagi m 1 4. Wlać ostrożnie ciecz do wysokości 2/3 naczynia 5. Podstawić naczynie z cieczą pod ramkę tak, aby cała zanurzyła się w cieczy 6. Naprowadzić wskazówkę wagi na 0 obracając skalę lewym pokrętłem i przesuwając naczynie z cieczą w pionie do momentu zerwania błonki na ramce. Odczytać wskazanie wagi m 2 7. Pomiary powtórzyć pięciokrotnie dla każdej z ramek 8. Zmierzyć za pomocą podziałki milimetrowej szerokość ramek l Opracowanie wyników 1. Obliczyć napięcie powierzchniowe ze wzoru oraz jego niepewność σ pm 2 m 1 qg 2l (3.4) 2. Obliczyć średnią ważoną wyników, przeprowadzić dyskusję niepewności.

24 ROZDZIAŁ 3. CIEPŁO. FIZYKA MOLEKULARNA Wyznaczanie wilgotności względnej powietrza za pomocą psychometru Augusta 49 50

25 Rozdział 4 OPTYKA 51 Wyznaczanie odległości ogniskowej soczewek Podstawowe wiadomości dotyczące rozchodzenia się światła: załamanie i odbicie światła, dyspersja i zależność współczynnika załamania światła od długości fali; soczewki: rodzaje i zastosowanie soczewek, powstawanie obrazu w soczewce skupiającej i rozpraszającej, równanie soczewki; metody wyznaczania ogniskowych soczewek: w oparciu o równanie soczewki, metoda Bessela, ogniskowa układu dwóch cienkich soczewek 1. Ława optyczna z konikami 2. Soczewki 3. Strzałka podświetlana 4. Tranformator 230/6 V 5. Ekran 1. Umieścić ekran mniej więcej w połowie (układ środkowy) lub na końcu (układ z lewej strony) ławy optycznej 2. Soczewkę skupiającą umieścić między przedmiotem (strzałką) a ekranem. Zmierzyć odległość przedmiotu od ekranu L 3. Znaleźć położenie soczewki, przy którym otrzymujemy na ekranie ostry, powiększony obraz strzałki. Odczytać na skali położenie kolca x 1 4. Nie zmieniając położenia przedmiotu i ekranu znaleźć położenie soczewki, przy którym otrzymujemy na ekranie ostry pomniejszony obraz strzałki. Odczytać położenie kolca x 2 5. Ustawić ekran na końcu ławy optycznej 24

26 ROZDZIAŁ 4. OPTYKA Umieścić soczewkę rozpraszającą bezpośrednio za soczewką skupiającą. Zmierzyć odległość między soczewkami d 7. Zmierzyć odległość przedmiotu od ekranu L 1 8. Wykonać dla układu soczewek czynności opisane w punktach 3-4 przesuwając obie soczewki razem. Odczytać x 1 1 i x Obliczyć ogniskową soczewki skupiającej f 1 ze wzoru gdzie k x 2 x Obliczyć ogniskową układu soczewek f 2 ze wzoru gdzie k 1 x 1 2 x Ogniskową soczewki rozpraszającej f 3 obliczyć ze wzoru f 1 L2 k 2 4L, (4.1) f pl1 dq 2 k pL 1, (4.2) dq f 3 f 2pd f 1 q f 2 f 1 (4.3) 4. Niepewności otrzymanych soczewek obliczyć metodą min-max. 5. Porównać otrzymaną wartość f 1 z ogniskową wyliczoną z równania soczewki 1 f 1 x 1 y (4.4) 52 Wyznaczanie współczynnika załamania światła Podstawowe wiadomości dotyczące rozchodzenia się światła: załamanie i odbicie światła, dyspersja i zależność współczynnika załamania światła od długości fali, prawo Sneliusa 1. Stolik optyczny 2. Zasilacz do żarówki

27 ROZDZIAŁ 4. OPTYKA Na tarczy stolika umieścić półkrążek tak, aby płaska ściana leżała na średnicy i była zwrócona do źródła światła (rys. 4.1 po lewej). 2. Lekko przesuwając półkrążek ustawić go tak, by promień padający nie zmieniał swego kierunku przy przejściu z powietrza do pleksi, a następnie z pleksi do powietrza 3. Ustawiając półkrążek pod różnymi kątami α i odczytać odpowiednio różne kąty załamania β i. Zanotować te pary kątów. 4. Ustawić półkrążek płaską ścianką na prostej tak, aby środek znalazł się na przecięciu prostej 0-0 i Zwrócić półkrążek stroną półokrągłą do źródła światła (rys. 4.1 po prawej). 6. Obrócić tarczę stolika o kąt β i odczytać wartość kąta załamania α 7. Obracając stolik o kąty β i w zakresie 0 90 odczytywać odpowiednie wartości kątów α i. Zanotować te pary kątów zrodlo swiatla zrodlo swiatla α 90 α β 90 β Rysunek 4.1: Ustawienie krążka dla pomiaru współczynnika załamania światła na granicy powietrze - pleksi (po lewej) i pleksi - powietrze (po prawej). 1. Obliczyć współczynnik załamania pleksi względem powietrza ze wzoru n 21i sin α i sin β i, (4.5)

28 ROZDZIAŁ 4. OPTYKA 27 podstawiając pary kątów z pierwszej części ćwiczenia 2. Obliczyć wartość średnią n 21 i jej odchylenie standardowe 3. Obliczyć współczynnik załamania powietrza względem pleksi ze wzoru podstawiając pary kątów z drugiej części ćwiczenia 4. Obliczyć wartość średnią n 12 i jej odchylenie standardowe Literatura [1] Instrukcja do stolika optycznego (na pracowni) n 12i sin α i sin β i, (4.6) 53 Wyznaczanie współczynnika załamania przez pomiar mikroskopem grubości pozornej płytki 54 Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą refraktometru 55 Wyznaczanie widm za pomocą spektroskopu oraz wyznaczanie długości fali linii widmowych Budowa atomu, powstawanie widm atomowych, poziomy energetyczne atomu, związek między energią przejścia a częstotliwością i długością fali; bieg wiązki światła w pryzmacie; kąt odchylenia i kąt najmniejszego odchylenia światła w pryzmacie; dyspersja normalna i anomalna; budowa, zasada działania i justowanie spektroskopu pryzmatycznego 1. Spektroskop szkolny 2. Induktor Ruhmkorffa 3. Statyw z uchwytem do rurek Plückera, rurku Plückera 4. Zasilacz stabilizowany 6-8 V 5. Lampka 6 V z regulowanym transformatorem zasilającym

29 ROZDZIAŁ 4. OPTYKA 28 Justowanie spektroskopu 1. Ustawić lunetę na nieskończoność (ustawienie ostrości na bardzo odległy przedmiot) 2. Ustawić kolimator i lunetę współosiowo, szczelinę kolimatora oświetlić lampą by otrzymać widmo ciągłe światła białego. Ustawić szczelinę tak, by jej obraz był wąski, ale ostry. Od tego momentu nie należy dokonywać żadnych regulacji lunety 3. Połączyć obwód zasilania rurek Plückera i uzyskać wyraźne widmo liniowe helu na tle skali. Sprawdzić, czy skrajne linie (czerwona i fioletowa) mieszczą się na skali. Zanotować położenie poszczególnych linii widmowych 4. W miejsce rurki z helem umieścić kolejno rurkę z neonem i wodorem i zanotować położenia najsilniejszych linii. UWAGA! Wymiany rurek dokonujemy przy wyłączonym obwodzie zasilania!!! 1. Wykorzystując dane uzyskane dla helu i posługując się instrukcją obsługi spektroskopu (str. 9) wykreślić krzywą dyspersji spektroskopu: na osi rzędnych odłożyć długość fali, a na osi odciętych skalę spektroskopu 2. Wykreślić zależność odwrotności kwadratu długości fali od odpowiadającego jej położenia linii i metodą regresji liniowej dopasować do niej prostą 1 λ a bx (4.7) 3. Znając współczynniki prostej 4.7 wyznaczyć długości fal odpowiadające zaobserwowanym liniom widmowym wodoru i neonu 56 Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą siatki dyfrakcyjnej 57 Badanie polaryzacji światła odbitego