Физические опыты
- Участник: Колесников Дмитрий Александрович
- Руководитель: Давлетшина Гульнара Минефаритовна
В работе проведены и объяснены три эксперимента, описанных в учебнике 9 класса Пёрышкина А.В., использована электронная форма учебника и Тетрадь для лабораторных работ.
Эксперимент № 1: Изучение явления электромагнитной индукции
Вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Но если электрический ток, как говорят, «создаёт» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток?
Такую задачу в начале XIX в. пытались решить многие учёные. Поставил её перед собой и английский учёный Майкл Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» — так записал в своём дневнике эту задачу Фарадей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось учёному для её решения.
Гипотеза работы: с помощью переменного магнитного поля можно получить электрический ток.
В соответствии с гипотезой можно сформулировать цель работы: меняя магнитный поток, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике получить электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. Изучить явление электромагнитной индукции.
Для выполнения эксперимента мне необходимы следующие приборы и материалы: гальванометр, катушка-моток, магнит полосовой, источник питания, катушка с железным сердечником, реостат, ключ, провода соединительные.
При выполнении опыта необходимо соблюдать технику безопасности:
- провода необходимо располагать аккуратно;
- все изменения в цепи и ее разборку необходимо проводить при выключенном источнике питания;
- во всех случаях повреждения электрического оборудования, измерительных приборов, проводов необходимо отключить напряжение и сообщить о неисправности учителю.
Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.
(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 119, рис.164)
Если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного (наведённого) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.
При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указывает на возникновение в катушке тока противоположного направления.
Как только движение магнита относительно катушки прекращается, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существует только во время движения магнита относительно катушки.
Изменим опыт.
Катушка A, включена в цепь источника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку C, подключённую к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи катушки A в катушке C возникает индукционный ток.
Можно вызвать появление индукционного тока в катушке C и путём изменения силы тока в катушке A или движением этих катушек относительно друг друга.
(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 120, рис.164)
Во всех рассмотренных опытах индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.
Магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга катушка попадала в области поля с большей или меньшей магнитной индукцией (так как поле магнита неоднородное). При замыкании и размыкании цепи катушки A индукция создаваемого этой катушкой магнитного поля менялась за счёт изменения силы тока в ней.
Итак, наша гипотеза подтвердилась: с помощью переменного магнитного поля можно получить кратковременный индукционный электрический ток.
Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX в. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.
На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие учёные и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внёсшие большой вклад в развитие электротехники.
Кстати, независимо аналогичные опыты были поставлены Дж. Генри, однако, они своевременно не были опубликованы. Причина: Генри не нашел физической концепции, охватывающей разнообразные по форме явления.
Эксперимент № 2: Распространение звука
Мир окружающих нас звуков разнообразен — голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчёл, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолётов и т. д.
Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц (передающиеся обычно через воздух). Поэтому колебания этого диапазона частот называются звуковыми.
Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата.
Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Воздух является упругой средой, передающей звук.
Можно выдвинуть гипотезу, что если между источником и приёмником удалить звукопередающую среду, то звук распространяться не будет и, следовательно, приёмник не воспримет его. Продемонстрируем это на опыте.
Цель опыта: доказать опытным путем, что в безвоздушной среде, т.е. в вакууме, звук не распространяется.
Для выполнения эксперимента необходимо следующее оборудование: часы-будильник, колокол воздушного насоса, вакуумный насос Комовского.
При выполнении опыта необходимо соблюдать технику безопасности:
- При работе насосом Комовского плавно вращать рукоятку по часовой стрелке, делая примерно 60-120 оборотов в минуту (т.е. с секундным или полусекундным счетом). При резком изменении скорости или весьма быстром вращении возможна порча насоса.
- Перед соединением прибора или тарелки с насосом следует выбрать ниппель, соответствующий выкачиванию (нагнетанию), что легко определить, приведя насос в действие и прикладывая палец к отверстиям ниппелей.
- Перед каждым, хотя бы временным, прекращением работы поршнем закрывать кран, разобщая насос от тарелки (снимать трубку с прибора, с которым соединен насос).
- Колокол, поставленный на тарелку, при начале откачки следует несколько нажать руками вниз и слегка повернуть. Затем, сделав несколько качаний, убедиться, что колокол «присосался», т.е. не поддается усилию руки, стремящейся поднять его вверх (колокол перед началом работы следует смазать вазелином по линии соприкосновения с тарелкой).
- После окончания опыта, шланг отсоединяют от тарелки обязательно при закрытом кране. Воздух под колокол впускают медленно, лишь постепенно открывая кран.
- После работы с тарелкой протереть ее поверхность и кран колокола для удаления смазки, которая при хранении загустевает и сильно грязнится.
(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 135, рис.80)
Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник. Пока в колоколе находится воздух, звук звонка слышен ясно.
Откачаем с помощью вакуумного насоса Комовского воздух из-под колокола.
При откачивании воздуха можно заметить, что звук постепенно слабеет. Если откачать весь воздух, т.е. создать под колоколом вакуум, то звук становится неслышимым.
Можно сделать вывод, что без передающей среды колебания тарелки звонка не могут распространяться, и звук не доходит до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон.
Итак, наша гипотеза подтвердилась.
Звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и тверды телах. В безвоздушном пространстве звуковые волны не возникают и соответственно не распространяются.
Леонардо да Винчи еще в XV веке писал: "Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень удаленных от тебя".
Кстати говоря, о том, что звук в различной среде распространяется с различной скоростью, было известно людям с давних пор. Охотники, пастухи, воины, приложившись ухом к земле, получали, как бы мы сказали сейчас, информацию о движении копытных животных или конницы.
Первые измерения скорости распространения звука в воздухе были проведены в XVII веке Миланской академией наук.
Скорость распространения звука в воде впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере.
Мягкие и пористые тела — плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. В качестве прослоек используют войлок, прессованную пробку, пористые камни, различные синтетические материалы (например, пенопласт), изготовленные на основе вспененных полимеров. Звук в таких прослойках быстро затухает.
В космосе, а точнее в межзвёздном пространстве, вакуум. Даже сильнейшие взрывы галактик в космосе происходят в тишине.
Эксперимент № 3: Исследование равноускоренного движения без начальной скорости
Равноускоренное движение — это движение с постоянным ускорением.
Ускорение — векторная величина, которая характеризуется не только модулем, но и направлением.
Модуль вектора ускорения показывает, на сколько меняется модуль вектора скорости в каждую единицу времени. Чем больше ускорение, тем быстрее меняется скорость тела.
Гипотеза работы: зная пройденное расстояние при равноускоренном движении без начальной скорости и время движения, можно вычислить ускорение тела и его мгновенную скорость.
Цель работы: Определить ускорение движения бруска по наклонной плоскости и его мгновенную скорость в конце заданного пути, пройденного за определённый промежуток времени.
Для выполнения эксперимента необходимо следующее оборудование: прибор для изучения движения тел, секундомер.
При выполнении опыта необходимо соблюдать технику безопасности:
- на столе не должно быть никаких посторонних предметов;
- неаккуратное обращение с приборами приводит к их падению, можно при этом получить механическую травму или вывести приборы из рабочего состояния.
Соберем установку:
Фотография установки и формул для расчета ускорения и мгновенной скорости
Разместите брусок на направляющей.
Отпустим брусок. Определите расстояние s между датчиками и промежуток времени t, за который брусок прошёл это расстояние.
Проведем опыт еще 2 раза.
По результатам трёх опытов рассчитаем среднее время движения бруска.
Вычислим ускорение движения бруска и его мгновенную скорость в конце пути s.
Результаты всех измерений и вычислений занесем в таблицу:
№ опыта |
Время t прохождения бруском расстояния s между датчиками, с |
Среднее время движения tср, с |
Расстояние s, м |
Ускорение бруска a, м/с2 |
Мгновенная скорость бруска v, м/с |
1 |
2,08 |
2,12 |
1 |
0,44 |
0,93 |
2 |
2,22 |
||||
3 |
2,05 |
Итак, наша гипотеза подтвердилась: измерив пройденное расстояние при равноускоренном движении без начальной скорости и время движения, я вычислил ускорение тела и его мгновенную скорость.
По результатам опыта можно построить график зависимости модуля мгновенной скорости каретки от времени.
График зависимости модуля мгновенной скорости каретки от времени
Движение физических тел изучалось с незапамятных времен, и основы кинематики были заложены задолго до рождения Галилея. Элементарные задачи описания движения сегодня изучают уже в начальной школе. рассчитать пройденное расстояние труда не составляет — достаточно умножить скорость машины на время, которое она находится в пути. Этот факт известен настолько давно, что имя его первооткрывателя наглухо затерялось в тумане античных времен.
Сложности возникают, как только объект начинает двигаться с переменной скоростью.
Эта проблема — описание движения с ускорением — волновала естествоиспытателей задолго до Галилея.
Сам же Галилео Галилей подошел к ней новаторски и, фактически, задал направление всего дальнейшего развития современной методологии естествознания. Вместо того чтобы сидеть и умозрительно решать вопрос о движении ускоряющихся тел, он придумал гениальные по своей простоте опыты, позволяющие экспериментально проследить, что в действительности происходит с ускоряющимися телами.
Итак, Галилею принадлежит введение понятия об ускорении. Законы, найденные Галилеем, были развиты в исследованиях Э. Торричелли
Ссылка на видеоролик:
https://drive.google.com/file/d/0B72bFAFOuhhpTzg1RlI3b1I2c1E/view