Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей icon

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Физика" для студентов всех специальностей




НазваМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Физика" для студентов всех специальностей
Сторінка1/4
Дата13.02.2014
Розмір0.61 Mb.
ТипМетодические указания
  1   2   3   4


Министерство образования и науки Украины

Национальная металлургическая академия Украины


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ


к выполнению лабораторных работ

по дисциплине “Физика”

для студентов всех специальностей


(Разделы: “Колебания и волны”, “Волновая оптика”, “Квантовая оптика”, “Физика твердого тела”)


Днепропетровск НМетАУ 2009

Министерство образования и науки Украины

Национальная металлургическая академия Украины


^ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ


к выполнению лабораторных работ

по дисциплине “Физика”

для студентов всех специальностей


(Разделы: “Колебания и волны”, “Волновая оптика”, “Квантовая оптика”, “Физика твердого тела”)


Утверждено

на заседании кафедры физики

протокол №5 от 10.01.09


Днепропетровск НМетАУ 2009

УДК 539.19(07)


Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физика” для студентов всех специальностей (Разделы: “Колебания и волны”, “Волновая оптика”, “Квантовая оптика”, “Физика твердого тела”) / Составители: В.М. Козлов, В.П. Хлынцев, В.Н. Тимошенко, М.А. Янкелевич.– Днепропетровск: НМетАУ, 2009. – 44 с.


В методических указаниях содержатся инструкции к выполнению лабораторных работ по колебаниям и волнам, волновой и квантовой оптике, физике твердого тела. Предназначены для студентов всех специальностей.


Составители: В.М. Козлов, д-р. хим.наук, проф.,

В.П. Хлынцев, канд. физ.-мат. наук, доц.

В.Н. Тимошенко, ст. викладач

М.А. Янкелевич, ассистент


Ответственный за выпуск С.Л. Кордюк, канд.физ.-мат. наук, доц.

Рецензент А.Е. Проволоцкий, д.т.н., проф.(НМетАУ)


Подписано к печати 12.02.09 Формат 60x84 1/16. Бумага типогр.

Уч.-изд. л. 2,58. Усл. печ. л. 2,56. Тираж 500 экз.


Национальная металлургическая академия Украины,

49600, Днепропетровск-5, пр. Гагарина, 4

Этапы выполнения лабораторных работ


  1. Предварительная домашняя подготовка. Накануне очередного занятия студент знакомится с инструкцией к данной лабораторной работе. В специально выделенной тетради студент ведёт краткий конспект, обращая внимание на цель работы, приборы и принадлежности, теорию метода измерений физических величин, рабочие формулы.

  2. Допуск к выполнению работы. Чтобы получить допуск к физическому практикуму, студент обязан пройти инструктаж у преподавателя по технике безопасности. Для получения допуска к выполнению лабораторной работы студент должен иметь краткий конспект и ответить в устной или письменной форме на вопросы преподавателя.

  3. Выполнение экспериментальной части работы. Получив допуск к выполнению работы, студент должен ознакомиться с приборами и принадлежностями, записать их основные характеристики, при необходимости провести монтаж установки1 и после проверки ее преподавателем приступить к измерениям. Результаты измерений заносятся в рабочую таблицу с указанием единиц измерения. Окончательные результаты прямых измерений показываются преподавателю. После этого установка демонтируется, приборы и принадлежности устанавливаются на прежние места и передаются лаборанту.

  4. Математическая обработка результатов измерений. После выполнения эксперимента студент приступает к математической обработке результатов измерений согласно инструкции.

  5. Получение зачета. Зачет по лабораторной работе принимается при наличии протокола отчета.

Таблица коэффициентов Стьюдента


α

n

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,95



















3

0,82

1,06

1,4

1,9

2,9

4,3

4

0,77

0,98

1,3

1,6

2,4

3,2

5

0,74

0,94

1,2

1,5

2,1

2,8

6

0,73

0,92

1,2

1,5

2,0

2,6

7

0,72

0,90

1,1

1,4

1,9

2,4

8

0,71

0,90

1,1

1,4

1,9

2,4

9

0,71

0,90

1,1

1,4

1,9

2,3



Лабораторная работа № 5- к

(Компьютерный вариант)

Определение скорости распространения звука в воздухе

Цель работы: 1. Изучение закона сложения взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты. 2. Определение скорости распространения звуковых волн в воздухе.


1. Теория метода.

Звуковые (или акустические) волны представляют собой упругие волны. Они испускаются колеблющимся телом (источником звука) и распространяются в твердых телах, жидкостях и газах.

Человеческое ухо, как правило, воспринимает звук, частота которых находится в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Звуковые волны с более высокими частотами называются ультразвуком, а с более низкими – инфразвуком.

Звуковые волны, распространяющиеся в газах, являются продольными (в этом случае частицы газовой среды колеблются в направлении распространения волны). Поэтому при распространении звука в газах образуются чередующиеся области уплотнения и разрежения, которые движутся в направлении распространения волны со скоростью ν. В местах уплотнения и разрежения значения давления и плотности газа будут, соответственно, больше или меньше средних значений р и  на величину р и .

Исходной формулой скорости распространения звука в газах является следующее выражение:

(1)

Формула (1) была модифицирована Лапласом с учетом того фактора, что процесс распространения звука в газах происходит адиабатически, то есть звуковые волны в газах распространяются так быстро, что локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой.

Адиабатический процесс в газах описывается уравнением Пуассона , где - коэффициент Пуассона, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме (величина зависит от числа степеней свободы молекул газа). Путем несложных преобразований Лапласом было получено следующее выражение для скорости распространения звука в газах:

(2)

Используя уравнение Менделеева-Клапейрона , можно найти, что отношение р/ равно RT/M . Тогда формула Лапласа (2) примет следующий вид:

(3)

Здесь ^ R - универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура газа, М - молярная масса газа.

Из равенства (3) следует, что скорость звуковых волн в газах с повышением температуры возрастает пропорционально , а также зависит от значения коэффициента Пуассона и молярной массы газа М. Так, при 0о С скорость звука в кислороде – 315 м/с, в водяном паре – 1263 м/с.

Что касается скорости звука в воздухе ν, то формула (3) позволяет лишь приближенно вычислить величину ν при той или иной температуре, так как скорость звуковых волн в воздухе зависит не только от процентного состава воздуха, но и от его влажности.

Значение скорости звука в воздухе можно достаточно точно определить экспериментальным путем, используя соотношение между длиной волны и частотой звука : .

Отсюда получим:

(4)

В данной работе формула (4) используется для нахождения скорости звука в воздухе. Длина волны звуковой волны определяется экспериментально, а частота задается источником звука, которым является звуковой генератор. Следует отметить, что определение величины основано на законе сложения взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты.


^ Закон сложения взаимно перпендикулярных колебаний

одинаковой частоты

Рассмотрим случай, когда тело участвует в двух взаимно перпендикулярных колебаниях одинаковой частоты. Требуется установить характер траектории результирующего движения тела.

Пусть направлениями взаимно перпендикулярных колебаний являются координатные оси ОХ и ОY. Тогда уравнения складываемых колебаний будут иметь вид:



где 1 и 2 - начальные фазы колебаний, x0 и y0 - амплитуды колебаний, - циклическая (круговая) частота, связанная с обычной частотой соотношением .

Система равенств (5) и (6) представляет собой уравнение траектории результирующего движения тела в параметрической форме. Путем несложных преобразований, исключив время из системы равенств (5) и (6), получим следующее уравнение траектории результирующего движения тела:

, (7)

где представляет собой разность фаз складываемых колебаний, описываемых уравнениями (5) и (6).

Уравнение (7) в общем случае является уравнением эллипса. Таким образом, тело, одновременно участвующее в двух взаимно перпендикулярных колебаниях, в общем случае будет двигаться по эллипсу.

Рассмотрим некоторые частные случаи.

  1. Если разность фаз складываемых колебаний равна  /2,  3/2,  5/2 и т. д., то уравнение (7) примет вид:

(8)

Отсюда следует, что в рассматриваемом случае траектория результирующего движения тела имеет вид эллипса с полуосями x0 и y0, ориентированными вдоль координатных осей ОХ и ОY (рис.1).





Рис.1. Эллиптическая траектория движения тела, участвующего в двух взаимно перпендикулярных колебаниях одинаковой частоты при разности фаз =  /2,  3/2,  5/2,




  1. Если фазы складываемых колебаний одинаковы, т. е. разность фаз равна 0,  2,  4, , то уравнение (7) преобразуется в уравнение прямой линии , которая проходит через начало координат и наклонена к оси ОХ под углом arctg y0/x0 (рис.2а).




(а) (б)


Рис.2. Направление колебаний тела, участвующего в двух взаимно перпендикулярных колебаниях одинаковой частоты при разности фаз:

а) = 0,  2,  4, б) =  ,  3,  5,




  1. Если складываемые колебания совершаются в противоположных фазах, т. е. разность фаз равна  ,  3,  5, , то уравнение (7) преобразуется в уравнение прямой линии , которая проходит через начало координат и наклонена к оси ОХ под углом arctg(- y0/x0) (рис2б).



Из уравнений (5) и (6) следует, что результирующим движением тела в обоих случаях 2 и 3 будет колебательное движение вдоль отрезка прямой (см. рис.2) с частотой и амплитудой, равной .


^ 2. Устройство установки.

Результат сложения взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты можно визуально наблюдать на экране электронного осциллографа., составной частью которого является электронно-лучевая трубка. В трубке имеются две пары отклоняющих пластин, одна из которых отклоняет электронный пучок в вертикальном направлении (Y – пластины), а другая – в горизонтальном направлении (Х – пластины).

В настоящей работе переменное напряжение заданной частоты от звукового генератора 1 подается через согласующий трансформатор 2 на динамик 3 (источник звуковых волн) и одновременно на развертку Х электронного осциллографа 6 (рис.3).


Рис.3. Схема экспериментальной установки. 1 – звуковой генератор, 2 – трансформатор, 3 – динамик, 4 – микрофон, 5 – усилитель низкой частоты, 6 – осциллограф.



В то же самое время напряжение от микрофона 4, возникающее под действием звуковой волны, которая распространяется от динамика 3, через усилитель низкой частоты 5 подается на развертку Y осциллографа (рис.3).

Вход Х осциллографа подключен к вертикальным пластинам осциллографа и подача переменного напряжения на них вызовет колебание электронного луча в горизонтальном направлении. Соответственно напряжение, поданное на вход Y , вызовет колебание луча в вертикальном направлении. При одновременной подаче переменного напряжения одинаковой частоты на обе пары пластин происходит сложение взаимно перпендикулярных колебаний, и траекторией результирующего движения электронного луча на экране осциллографа

в зависимости от разности фаз складываемых колебаний будет либо эллипс либо прямая линия.

Следует отметить, что разность фаз зависит от расстояния l между динамиком 3 и микрофоном 4 (рис.3) и определяется следующим равенством:

, (9)

где - длина волны звука.

Отсюда следует, что при постепенном удалении микрофона от динамика величина разности фаз взаимно перпендикулярных колебаний электронного луча будет непрерывно возрастать. Причем, каждый раз при смещении микрофона от какого-либо фиксированного положения на расстояние, равное длине волны звука, разность фаз будет изменяться на величину 2. Это означает, что результат сложения взаимно перпендикулярных колебаний, визуально наблюдаемый на экране осциллографа, должен периодически повторяться при смещении микрофона на расстояния , 2, 3,
  1   2   3   4

Схожі:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Физика" для студентов всех специальностей
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физика” для студентов всех специальностей (Разделы: “Механика”,...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине Водоснабжение (для студентов 4 курса всех форм обучения специальности...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания к выполнению лабораторного практикума по дисциплине «Коррозия и защита металлов» для студентов всех специальностей
Методические указания к выполнению лабораторного практикума по дисциплине «Коррозия и защита металлов» для студентов всех специальностей....
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания
Методические указания к выполнению лабораторного практикума по дисциплине «Коррозия и защита металлов» для студентов всех специальностей....
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине
Эксплуатация очистных сооружений водопроводно-канализационных систем  (для студентов 5 курсов всех форм обучения специальности 092601...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Прикладная гидроэкология» (для студентов 3 курса дневной формы...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconГородского хозяйства методические указания
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Языки программирования» (для студентов заочной формы обучения...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Механические свойства и конструкционная прочность металлов» для студентов специальности 090101
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Механиче­ские свойства и конструкционная прочность металлов» /Составитель...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМинистерство образования и науки украины харьковская национальная академия городского хозяйства методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «вычислительная техника и программирование»
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Вычислительная техника и программирование», (для студентов 2 курса...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине \"Физика\" для студентов всех специальностей iconМетодические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине
Методы химического контроля котловой и питательной воды: методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Технология...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи