anot FI

Anotace úloh LC předmětu Fyzika I. Bc. studia FMMI
0.
Měření tuhosti elastického oscilátoru (statickou a dynamickou metodou)
Měříme frontálně koeficient tuhosti elastického oscilátoru (závaží na pružině) dvěma
metodami, staticky pomocí prodloužení pružiny při zatížení závažím a dynamicky pomocí
kmitů závaží na pružině. Vycházíme z deformačního Hookova zákona, tíhy a z doby kmitu
elastického oscilátoru. Součástí úlohy je seznámení se s průpravnými dílčími přímými
měřeními hmotnosti, délky, objemu a času. Výsledky obou měření komparujeme.
1.
Měření modulu pružnosti v tahu z doby kmitu tyče
Měříme materiálovou konstantu Youngův modul pružnosti v tahu tyče ze známého kovu, a to
dynamickou metodou. Vycházíme z Hookova zákona, kvadratického momentu průřezu tyče,
z doby kmitu nezatížené tyče a z doby kmitu tyče zatížené na kmitajícím konci přídavným
závažím o známé hmotnosti. Měření provádíme tak, že změříme geometrické rozměry tyče
a obě doby kmitu postupnou metodou měření času. Výsledek nepřímého měření srovnáme
s tabelovanou hodnotou.
2.
Měření momentu setrvačnosti (z pohybové rovnice setrvačníku na hřídeli)
Srovnáváme obecnou pohybovou rovnici pro rotační pohyb tuhého tělesa kolem pevné osy
a rovnici pro moment síly působící na setrvačník v důsledku tahové síly zátěže. Setrvačník,
jehož moment setrvačnosti měříme, je kruhová deska otáčející se na hřídeli v ložisku. Rotace
desky ve svislé rovině je způsobena tíhovými silami různých závaží o známých hmotnostech,
která jsou zavěšena na niti navinuté na hřídeli. Provádíme opakovaně měření času každého
závaží vypuštěného z klidu po známé dráze. Výsledek nepřímého měření (pro zvolené závaží)
srovnáme s výsledkem grafickým (pro závaží o různých hmotnostech).
3.
Měření tíhového zrychlení (volným pádem a kmity matematického kyvadla)
a) Těleso je při volném pádu v homogenním tíhovém poli Země a v blízkosti povrchu Země
urychlováno konstantním tíhovým zrychlením. Pro kovovou kuličku, to je těleso o relativně
malém objemu a relativně velké hustotě (se zanedbáním odporové síly prostředí) můžeme
předpokládat, že jím uražená dráha roste kvadraticky s časem. Z měření vzdálenosti kuličky
a dna misky padostroje a z měření času volného pádu (elektronicky pomocí čidla tlaku při
dopadu na dno misky a řídící jednotky) můžeme nepřímo určit hodnotu tíhového zrychlení.
Výsledek nepřímého měření pak srovnáme s tabelovanou hodnotou.
b) Matematické kyvadlo přibližně realizujeme jako malou kovovou kuličku zavěšenou na
tenké niti. Vychýlíme-li kuličku z rovnovážné polohy, rozloží se její tíha ve dvě složky,
složku tahovou a složku pohybovou. Při harmonickém pohybu je úhel vychýlení kuličky
dostatečně malý, a proto lze přibližně uvažovat, že se části kruhového oblouku blíží úsečce.
Pomocí obou složek lze určit vztah pro periodu kmitu. Zanedbáme-li odpor prostředí
(vzduchu), malou odchylku momentu setrvačnosti, ztráty třením závěsu, pak můžeme vyjádřit
tíhové zrychlení ze vztahu pro periodu harmonického kmitavého pohybu, tj. z délky závěsu
a z doby kyvu. Dobu kyvu měříme elektronicky pomocí průchodu světelnou závorou řídící
jednotky. Výsledek nepřímého měření srovnáme s tabelovanou hodnotou.
4.
Měření povrchového napětí (z výstupu kapaliny v kapiláře)
Laplaceův vztah pro kapilární tlak pod zakřiveným povrchem kapaliny srovnáváme
s hydrostatickým tlakem sloupce kapaliny v kapiláře. Měření opakujeme s kapilárami různých
poloměrů a s různými známými kapalinami za různých teplot. Výsledky nepřímých měření
srovnáváme s tabelovanými hodnotami.
5.
Měření dynamické viskozity oleje (Stokesovým viskozimetrem)
Stokesův viskozimetr je tzv. tělískový viskozimetr. Dynamická viskozita se v něm určuje
z rychlosti pádu kuličky ve známé viskózní kapalině - glycerinu. Na padající kuličku, jejíž
hmotnost a poloměr změříme, působí v kapalině (o změřené hustotě) současně tři síly. Tíha,
vztlaková síla působící v opačném směru a Stokesova síla odporu prostředí. Síla odporu
prostředí jako síla rostoucí s rychlostí pohybu kuličky způsobuje, že se uvažované tři síly
začnou s časem asymptoticky vyrovnávat. Rychlost kuličky přibližně rovnoměrného
přímočarého pohybu určíme z opakovaných měření dráhy a času v odměrném válci. Výsledek
nepřímého měření srovnáme s tabelovanou hodnotou.
6.
Měření adiabatického exponentu vzduchu (metodou Clément-Desormesovou)
K určení Poissonovy konstanty (adiabatického koeficientu) volíme Clément-Dessormesovu
metodu. V nádobě se vzduchem určíme tlak jak při adiabatické kompresi, tak při adiabatické
expanzi. Pomocí vztahů pro hydrostatický tlak sloupce kapaliny, Poissonovy rovnice
adiabatického děje a Boyle-Mariottovy rovnice izotermického děje odvodíme dva vztahy pro
adiabatický exponent (přesný a přibližný). Oba výsledky nepřímých měření srovnáme
s tabelovanou hodnotou.
7.
Měření rychlosti zvuku ve vzduchu (pomocí Lissajoussových obrazců)
Zvuk známé frekvence generuje RLC tónový generátor. Část signálu generátoru přivedeme na
X svorky osciloskopu a druhou část převedeme reproduktorem na zvuk šířící se prostředím
(vzduchem) měřené délky mezi pevným reproduktorem a posunovatelným mikrofonem. Zvuk
je převeden mikrofonem zpět na elektromagnetické vlnění a to je přivedeno na Y svorky
osciloskopu. Na monitoru vidíme superpozici obou kolmých kmitů, to je typické
Lissajoussovy obrazce. Fázový rozdíl mezi napětími na svorkách osciloskopu se mění v
závislosti na vzdálenosti mikrofonu a reproduktoru. Je-li tato vzdálenost přesně rovna
celočíselnému násobku vlnových délek zvuku, jsou napětí na obou svorkách osciloskopu
právě ve fázi (obrazec zdegeneruje v úsečku). Při dosažení dvou po sobě následujících
obrazců pro nulový fázový posuv odečteme délku prostředí jako půlvlnu. Měření opakujeme
při nastavení různých frekvencí generátoru. Výsledek nepřímého měření srovnáme
s výsledkem podle vztahu pro rychlost šíření zvuku ve vzduchu pomocí známé teploty
vzduchu v laboratoři.
8.
Měření měrné tepelné kapacity pevné látky (kalorimetrem)
Teplo dodané (odebrané) tuhému (kapalinovému) tělesu způsobí změnu jeho teploty podle
fyzikálního vztahu tepla přijatého (odevzdaného) tělesem v závislosti na hmotnosti tělesa,
měrné tepelné kapacitě materiálu tělesa a na rozdílu teplot (původní teploty a teploty změřené
na konci děje). Pokud zahřáté těleso o známé hmotnosti a teplotě vložíme do kalorimetrické
nádoby se studenou vodou známé hmotnosti, celý systém se po určité době ustálí na
konstantní teplotě. Kalorimetrická rovnice pak v souladu se zákonem zachování energie
umožní výpočet měrné tepelné kapacity tělesa známého materiálu. Výpočet nepřímého měření
srovnáme s tabelovanou hodnotou.
9.
Měření součinitele smykového tření (tribometrem)
Laboratorní úloha je obecně věnována studiu vlastností tření a měření třecích sil v mechanice.
Konkrétním cílem práce je určení koeficientu smykového tření kovového kvádru na dřevěné
podložce. Měření je realizováno dvěma nejjednoduššími metodami. První metoda měření je
provedena na improvizovaném sklonném tribometru, druhá na vodorovném tribometru (na
tomtéž sklonném tribometru, jehož elevační úhel je nulový) pomocí siloměru. Výsledky obou
měření jsou srovnány s tabelovanou hodnotou.