laboratorní práce z fyziky pro 2. ročník

Transkript

Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, příspěvková organizace
LABORATORNÍ PRÁCE Z FYZIKY PRO 2. ROČNÍK
PRACOVNÍ SEŠIT
1. Molekulová fyzika a termodynamika
2. Mechanické kmitání a vlnění
Mgr. Alexandra Bouchalová
2007
OBSAH
I. Molekulová fyzika a termodynamika
1. Základní výpočty molekulové fyziky
2. Přibližné určení průměru molekuly kyseliny olejové
3. Změna vnitřní energie soustavy při konání práce a tepelné výměně
4. Určení měrné tepelné kapacity daného kovu
5. Střední kvadratická rychlost, energie a tlak ideálního plynu, stavová rovnice ideálního
plynu
6. Tepelné děje s ideálním plynem
7. Práce ideálního plynu, kruhový děj
8. Deformace pevného tělesa
9. Určení modulu pružnosti v tahu z průhybu tyče
10. Určení povrchového napětí kapaliny kapkovou metodou
11. Teplotní roztažnost pevných látek; tepelná výměna při změně skupenství látek
II. Mechanické kmitání a vlnění
12. Určení setrvačné hmotnosti tělesa mechanickým oscilátorem
Laboratorní práce z fyziky pro 2. ročník
Pracovní sešit
Laboratorní práce č.1
Téma: Základní výpočty molekulové fyziky
Úloha:
1. Urči hmotnost molekuly kyseliny chlorovodíkové.
2. Jaké látkové množství představuje 18.1023 molekul vodíku.
3. Vypočítej molární hmotnost a molární objem zlata o hustotě 19 290 kg.m-3.
4. Určete látkové množství měděného tělesa o hmotnosti 32 g.
5. V nádobě o objemu 2,0 l je kyslík O2 o látkovém množství 0,2 mol. Určete jeho hustotu.
6. Vypočítejte, kolik molekul obsahuje voda o objemu 1 cm3. Za jakou dobu bychom vyčerpali
tyto molekuly, kdybychom za každou sekundu odebrali 106 molekul?
7. Odhadněte pomocí Avogadrovy konstanty průměr molekuly vody.
Pomůcky:
- MFCH tabulky
- kalkulátor
Písemná příprava:
1. Vyslov tři axiomy, na nichž je založena kinetická teorie látek.
2. Vysvětli pojmy atom, molekula, proton, elektron, neutron.
3. Které jevy dokazují pohyb molekul v látce?
4. Definuj 1 mol.
5. Urči význam Avogadrovy konstanty a uveď její hodnotu.
6. Jaký význam má hmotnostní atomová konstanta, uveď její hodnotu.
7. Definuj následující veličiny popisující částice a jejich soustavy
a) klidová hmotnost atomu,
b) klidová hmotnost molekuly,
c) relativní atomová a molekulová hmotnost,
d) látkové množství,
e) molární hmotnost a molární objem.
Poznámka: Při vypracování protokolu o LP1 dodržujte schéma předepsaného protokolem.
3
Pracovní sešit
Laboratorní práce č. 2
Téma: Přibližné určení průměru molekuly kyseliny olejové
Úloha: a) urči průměr molekuly kyseliny olejové pomocí jejího roztoku v lékařském benzínu,
b) urči průměr molekuly kyseliny olejové výpočtem,
c) urči počet molekul, které vytvořily při daném pokusu tenkou monomolekulární
vrstvu kyseliny olejové.
Pomůcky:
- kruhová miska o průměru cca 30 cm
- odměrný válec o objemu do 5 ml
- injekční stříkačka
- posuvné měřidlo
- kyselina olejová, lékařský benzín
- voda, dětský zásyp
Tabulka naměřených hodnot
d1 [cm]
d2 [cm]
d3 [cm]
d4 [cm]
d5 [cm]
∑ di [cm]
d [cm]
d … průměrná hodnota průměru kapky kyseliny olejové
1. Proč používáme k určení průměru molekuly kyseliny olejové její roztok v benzínu?
2. Co je to monomolekulární vrstva?
3. Co představuje průměr molekuly olejové v souvislosti s monomolekulovou vrstvou?
4. Jak určíš objem jedné kapky roztoku, znáš-li počet kapek v roztoku o objemu 1cm3 ?
5. Jak vypočítáš objem kyseliny olejové v jedné kapce roztoku?
6. K čemu využijeme zjištěného průměru kapky kyseliny olejové?
7. Jak určíš hledaný průměr molekuly kyseliny olejové na základě experimentu?
8. Odvoď vztah, pomocí kterého určíme hledaný průměr pouze výpočtem.
4
Pracovní sešit
Téma: Změna vnitřní energie soustavy při konání práce a při tepelné výměně
Úloha:
Řeš následující úlohy. Při řešení aplikuj znalosti tematického celku KinematikaPráce a energie (1.ročník) a Změna vnitřní energie (2.ročník).
1. Auto o hmotnosti 2t pohybující se po vodorovné silnici rychlostí 36 km.h-1 náhle zabrzdí.
Vypočítejte, jak se změní po zastavení vnitřní energie auta a silnice. [105 J]
2. Střela o hmotnosti 20g pohybující se rychlostí 400 m.s-1 prolétne nehybnou dřevěnou
deskou vodorovným směrem a sníží při tom svou rychlost na 100 m.s-1.
Určete:
a) úbytek kinetické energie střely,
b) přírůstek vnitřní energie střely a dřevěné překážky,
c) práci, kterou vykonala střela při proražení dřeva.
[1.5 kJ]
3. Uvedeme vodu o objemu 3.0 l a teplotě 20°C do varu za normálního tlaku dodáním tepla 1
MJ?
[ ∆ t = 79,7°C]
4. Hliníkové a olověné těleso mají stejný objem. Které z těchto těles má větší tepelnou
kapacitu? Hustota hliníku je 2 700 kg.m-3, měrná tepelná kapacita hliníku 896 J.kg-1.K-1,
hustota olova 11 340 kg.m-3 a jeho měrná tepelná kapacita 130 J.kg-1.K-1. [C1=1,65 C2]
5. V hliníkové nádobě kalorimetru o hmotnosti 40 g je voda o hmotnosti 150g; teplota
soustavy je 20°C. Ocelová kuli čka o hmotnosti 20 g byla rychle přenesena z prostoru pece
do kalorimetru. Určete teplotu pece, je-li přírůstek teploty vody v kalorimetru 10°C. [770°C]
6. Jaké teplo je zapotřebí k zahřátí oleje o objemu 2,0 l z teploty 20°C na 90°C, je stliže ho
zahříváme v hliníkové nádobě o hmotnosti 0,5 kg? Hustota oleje je 910 kg.m-3, měrná
tepelná kapacita oleje 1,7 kJ.kg-1.K-1 a měrná tepelná kapacita hliníku 0,896 kJ.kg-1.K-1.
Tepelnou výměnu mezi nádobou a okolím neuvažujeme.
[250 kJ]
7. Za jakou dobu ohřeje elektrický ponorný vařič o příkonu 500 W vodu o hmotnosti 115 g
potřebnou na uvaření šálku černé kávy z teploty 24,5 °C na 100°C? Ú činnost vařiče je 85
%, měrnou tepelnou kapacitu vody určete z tabulek.
[1 min 25 s]
Pomůcky:
- MFCH tabulky
- kalkulátor
5
Pracovní sešit
1. Definuj rovnovážný stav termodynamické soustavy.
2. Vysvětli pojem rovnovážný děj.
3. Co tvoří celkovou energii soustavy?
4. Definuj vnitřní energii soustavy.
5. Jak dojde ke změně vnitřní energie? Uveď konkrétní příklady a dané jevy fyzikálně popiš.
6. Teplo – definice, značka, jednotka.
7. Definuj rozdíl mezi teplem a vnitřní energií.
8. Formuluj první termodynamický zákon.
9. V jakém případě hovoříme o adiabatickém ději?
10. Definuj pojem tepelná kapacita a měrná tepelná kapacita.
11. Uveď možnosti přenosu vnitřní energie.
12. Na čem závisí velikost přeneseného tepla vedením?
13. Odvoď kalorimetrickou rovnici.
6
Pracovní sešit
Téma: Určení měrné tepelné kapacity a teploty pevné látky užitím směšovacího kalorimetru
Úloha: 1. Určete měrnou tepelnou kapacitu daného kovu
2. Urči teplotu daného kovového tělesa
Poznámka: je zřejmé, že v úloze 2 určíte měrnou tepelnou kapacitu uvedeného kovu z MFCHT
Pomůcky:
- směšovací kalorimetr
- dva teploměry
- váhy
- ohřívač s vodní lázní
- kovový předmět
1. Proveď náčrt a popis kalorimetru.
2. Popiš v bodech postup, který použiješ v úloze 1.
3. Popiš v bodech postup, který použiješ v úloze 2.
4. Které veličiny musíme v úloze 1 získat a jakým způsobem, abychom splnili zadání ?
5. Které veličiny musíme v úloze 2 získat a jakým způsobem, abychom splnili zadání ?
6. Odvoď kalorimetrickou rovnici a) bez kalorimetru , b) s kalorimetrem.
Tabulka naměřených hodnot-Ú1
m1 [kg]
m2 [kg]
t1 [°C]
t2 [°C]
mk [kg]
t [°C]
Zjištěné hodnoty z MCFT:
Výpočet:
Poznámka:
1. neznámou veličinu musíme vyjádřit ze vzorce obecně! Pak teprve dosazujeme zjištěné
hodnoty,
2. nezapomeňte na závěr, ve kterém je třeba zhodnotit výsledky (srovnání se skutečnými
hodnotami a zdůvodnění odchylek).
7
Pracovní sešit
Tabulka naměřených hodnot-Ú2
m1 [kg]
m2 [kg]
t1 [°C]
mk [kg]
t [°C]
Zjištěné hodnoty z MCFT:
Výpočet:
8
Pracovní sešit
Téma: Ideální plyn a) střední kvadratická rychlost, střední kinetická energie, tlak plynu,
b) stavová rovnice ideálního plynu.
Úloha: Řeš následující úlohy. Při řešení aplikuj znalosti tematického celku Ideální plyn.
1. Při které teplotě se střední kvadratická rychlost molekul oxidu uhličitého CO2 rovná střední
kvadratické rychlosti molekul dusíku N2 při teplotě 0°C?
2. Při výbuchu jaderné bomby se vytvořila plynová koule, která měla teplotu asi 20 milionů
kelvinů. Jaká je střední kinetická energie částic v této kouli?
3. Určete střední hodnotu tlaku dusíku N2 , jestliže jeho molekuly dopadají kolmo na rovinnou
stěnu nádoby střední rychlostí o velikosti 400 m.s-1 . Hustota molekul dusíku je 9.1024 m-3.
4. Určete hustotu kyslíku O2 při tlaku 5 MPa a teplotě 27°C.
5. V nádobě o objemu 100 cm3 je ideální plyn o teplotě 27°C. Z nádoby unikne vadným
ventilem část plynu, takže jeho tlak se zmenší o 4,14 kPa. Teplota plynu je stálá. Určete
počet molekul, které z nádoby unikly.
6. Určete molární hmotnost plynu, který má při tlaku 98 kPa a teplotě 0°C hustotu
8,64 .10-2 kg.m-3 .
7. Jak se změní objem ideálního plynu, jestliže se jeho termodynamická teplota zvětší o 80%
a tlak se zmenší o 60% ?
8. V nádobě o vnitřním objemu 5,0 .10-3 m3 je uzavřen dusík při teplotě 39°C a tlaku
1,6.105 Pa. Určete jeho hmotnost.
9. Jaký je tlak vzduchu při teplotě 20°C, je-li jeho hustota 8,0 kg.m -3? Molární hmotnost
vzduchu je 29.10-3 kg.mol-1
10. Ze dna jezera hlubokého 10m se uvolnila vzduchová bublina a vystoupila k jeho povrchu.
Určete, kolikrát se zvětší její objem. Teplota vody u dna jezera je 4°C, u povrchu 18°C.
Atmosférický tlak je 105 Pa, tíhové zrychlení je přibližně 10 m.s-2.
Pomůcky: MFCHT, kalkulátor
9
Pracovní sešit
1. Uveď předpoklady a jejich důsledky platné pro ideální plyn.
2. Proč není rychlost všech molekul plynu v každém okamžiku stejná?
3. Popiš stručně pokus, který umožňuje rozdělení molekul plynu podle rychlosti.
4. Co znamená relativní četnost ?
5. Jakým způsobem lze vyjádřit rozdělení molekul ?
6. Na čem závisí rozdělení molekul plyne podle rychlosti?
7. Jaká je nejpravděpodobnější rychlost molekul kyslíku při teplotě °C ?
8. Srovnej střední kinetické energie dvou různých plynů téže teploty.
9. Porovnej střední kvadratické rychlosti dvou různých plynů téže teploty.
10. Vysvětli pojem fluktuace tlaku.
11. Uveď základní rovnici pro tlak plynu.
12. Ze základní rovnice pro tlak plynu odvoď rovnici vyjadřující závislost tlaku plynu na jeho
hustotě.
10
Pracovní sešit
Téma: Tepelné děje s ideálním plynem
Úloha: Řeš následující úlohy. Při řešení aplikuj znalosti učiva Ideální plyn a Tepelné děje
s ideálním plynem
1. Nádoba ve tvaru válce o výšce 30 cm je uzavřena pohyblivým pístem. V nádobě je uzavřen
plyn při tlaku 0,50 MPa. Určete jeho tlak, zvětší-li se vnitřní objem nádoby posunutím pístu
o 10 cm. Předpokládejme, že teplota plynu je při tomto ději stálá.
[0.38Mpa]
2. Plyn uzavřený v nádobě má při teplotě 0°C tlak 250 kPa. Ur čete jeho tlak při teplotě 300°C.
Vnitřní objem nádoby je stálý.
[525 kPa]
3. V trubici, jejíž jeden konec je uzavřen, je rtuť o hustotě 13,6.103 kg.m-3. Určete atmosférický
tlak podle dvou poloh trubice (obr.1) za předpokladu, že teplota vzduchu uzavřeného
v trubici je v obou polohách stejná. Tíhové zrychlení g = 8,8 m.s-2.
[105 Pa = 1 000 hPa]
12 cm
15 cm
8 cm
obr.1
4. Na jakou teplotu je třeba při konstantním tlaku ohřát plyn stálé hmotnosti, aby se jeho
hustota v porovnání s hustotou při teplotě 0°C zmenšila dvakrát?
[546 K]
5. Objem ideálního plynu o stale teplotě T a hmotnosti m se zvětšil z hodnoty V1 na hodnotu
V2. Znázorněte tento děj v p-V, p-T, V-T a U-V.
6. Ideální plyn má při teplotě 27°C objem V. Při jaké teplotě má objem 0,75V?
Předpokládáme, že tlak plynu zůstane stejný.
[225 K]
7. Sestrojte na milimetrovém papíru graf vyjadřující hustotu suchého vzduchu jako funkci jeho
termodynamické teploty při normálním tlaku pn. Graf kreslete v intervalu teplot od 0°C
do 300°C. Molární hmotnost vzduchu Mm = 29.10-3 kg.mol-1.
11
Pracovní sešit
8. Teplota plynu se při stalem tlaku zvětšila z 27°C na 39°C. O kolik procent se p ři tom zvětšil
jeho objem?
[4%]
9. Určete hmotnost dusíku s využitím grafu znázorňujícího závislost tlaku dusíku (obr.2)
na jeho objemu při izotermickém ději. Telota dusíku je 27°C.
[4,5 kg]
p
Pa
30.105
20.105
10.105
obr.2
0
0,4
0,8
1,2
V
m3
1. Při jakém ději platí
2. Boylův-Mariottův zákon
3. Gay-Lussacův zákon
4. Charlesův zákon
5. Formuluj předchozí zákony slovem i matematicky.
6. Jak se mění tlak plynu v uzavřené nádobě, jestliže jej zahříváme a jak tento děj nazýváme?
7. Co je podmínkou izotermického děje?
8. Při kterém ději plyn nekoná práci a proč?
9. Co se děje s teplotou vzduchu, který uniká z míče a proč?
10. Nakresli všechny diagramy závislostí, které v souvislosti s jednotlivými ději s ideálním
plynem existují.
11. Při kterém ději nedochází ke změně vnitřní energie a proč?
12. Srovnej tepla dodaná témuž plynu v případě
12
Pracovní sešit
13. izochorického zahřívání,
14. izobarického zahřívání,
15. za předpokladu, že teplotní rozdíl je v obou případech stejný. Svoji odpověď zdůvodni.
16. Jak se nazývají grafy vyjadřující závislost tlaku plynu na jeho objemu u jednotlivých dějů?
13
Pracovní sešit
Téma: Práce ideálního plynu. Kruhový děj
Úloha: Řeš následující úlohy. Při řešení aplikuj znalosti učiva Ideální plyn, Práce
plynu a Kruhový děj.
1. Plyn uzavřený v nádobě s volně pohyblivým pístem má teplotu 20°C a objem 1,0 l. P ři
zvětšení teploty o 10°C se píst posunul a plyn zv ětšil svůj objem. Určete práci, kterou plyn
při tomto ději vykonal. Atmosférický tlak je 1000 hPa. Tíhu pístu a tření pístu o stěny
nádoby neuvažujte.
[3,4J]
2. Plyn má v počátečním stavu objem 10-3m3 a tlak 105 Pa. Plyn přešel nejprve izotermickým
dějem do stavu, v kterém byl jeho objem 2.10-3 m3. V dalším ději se tlak plynu při stálém
objemu zmenšil na poloviční hodnotu, kterou měl plyn ve stavu předcházejícím. Při
posledním ději zůstal tlak plynu již stálý a plyn zvětšil svůj objem na 4.10-3m3.
3. Nakreslete graf vyjadřující tlak plynu stálé hmotnosti jako funkci jeho objemu a použitím
grafu určete, při kterém z těchto dějů plyn vykonal největší práci.
4. Jak se změnila teplota plynu při těchto dějích?
5. Ideální plyn může přejít ze stavu 1 do stavu 5 čtyřmi různými ději znázorněnými v p-V
diagramu: 1-2-5; 1-3-5; 1-4-5 a 1-5.
a) Při kterém z těchto dějů vykoná plyn největší práci?
b) Je změna vnitřní energie u všech čtyř dějů stejná?
c) Při kterém z nich příjme největší teplo?
p
1
2
3
4
5
V
0
14
Pracovní sešit
6. Ideální plyn stálé hmotnosti m vykonal kruhový děj 1-2-3-4-1 znázorněný v diagramu
p-V . Ve stavu znázorněném bodem 1 má plyn teplotu T1. Určete teplotu plynu ve stavech
znázorněných body 2, 3 a 4.
p
2
3
3p0
2p0
p0
1
4
V
0
V0
2V0
7. Na obrázku je graf kruhového děje s ideálním plynem znázorněný v diagramu V-T. Nakresli
p-T diagram příslušný tomuto ději.
V
2
1
0
3
T
15
Pracovní sešit
8. Vodík o hmotnosti 0,1kg vykonal kruhový děj 1-2-3-4-1 znázorněný v diagramu p - T.
9. Z kterých částí se tento kruhový děj skládá? jak lze dílčí děje realizovat?
10. Při kterých částech kruhového děje znázorněného na obrázku plyn přijímá teplo od okolí a
při kterých teplo odevzdává?
11. Znázorněte kruhový děj 1-2-3-4-1 v diagramu p-V na milimetrový papír.
12. Jakou celkovou práci vykoná plyn při tomto ději?
[W´= 80kJ]
p
MPa
3
2
0,8
0,6
1
0,4
4
0,2
0
200
400
600
T
K
Písemná příprava: Výjimečně odpadá ☺
16
Pracovní sešit
Téma: Deformace pevného tělesa
Úloha: Řeš následující úlohy.
1. Jaké je prodloužení ocelového drátu při pružné deformaci tahem, jestliže původní délka
drátu je 9,0 m, průměr drátu 0,8 mm a na drát působí tahové síly o velikosti 0,15 kN? Modul
pružnosti v tahu použité oceli je 0,21 TPa.
[ přibližně 13 mm]
2. Ocelový drát počáteční délky 5,0m a průměru 0,6mm se působením deformujících sil
prodloužil tahem o 12,0 mm. Rozhodněte, zda jde o pružnou deformaci tahem, je-li mez
pružnosti použité oceli 330 MPa. Uvažte také, zda za těchto podmínek lze vypočítat
velikost deformující síly, je-li modul pružnosti v tahu pro danou ocel 220 GPa.
[7,5 mm ]
3. Při zkoumání závislosti normálového napětí σ n na relativním prodloužení ε mosazného
drátu počáteční délky 2,50 m a průměru 0,8 mm byly do tabulky zapsány hodnoty velikosti
deformující tahové síly F a odpovídající prodloužení ∆l:
F[N]
5 10 15 20
25
30
40
-4
∆l [10 m] 2,5 5,1 7,6 10,1 12,6 16,8 25,3
ε
σn
Řešte tyto úlohy:
a) doplňte třetí řádek tabulky hodnotami relativního prodloužení drátu;
b) doplňte čtvrtý řádek tabulky pro normálové napětí;
c) sestrojte graf závislosti normálového napětí na relativním prodloužení;
d) pomocí tabulky nebo grafu určete maximální deformační sílu, po kterou ještě platí
Hookův zákon;
e) odhadněte mez pružnosti mosazi;
f) určete modul pružnosti v tahu mosaz.
[do 25 N; 50 MPa; 100 GPa]
4. Vypočítejte , o kolik procent své původní délky se mohou protáhnout dráty z mědi
(E1 = 120 GPa) a molybdenové oceli (E2 = 0,22 TPa) v mezích pružné deformace tahem.
Pro měď je mez úměrnosti 22 MPa, pro molybdenovou ocel 600 MPa.
[0,02 %; 0,27 %]
17
Pracovní sešit
5. Ocelová tyč hmotnosti 2,0 kg a počáteční délky 1,0 m je na jednom konci upevněna ve
svislé poloze. Tyč má ve všech místech stejný obsah příčného řezu. Hustota oceli je
7,8 .103 kg.m-3. Vypočítejte:
a) velikost síly pružnosti působící na plochu příčného řezu ve vzdálenosti 0,4 m
od upevněného konce tyče ;
b) normálové napětí v uvažovaném řezu.
[12 N; 46 kPa]
6. Jakou maximální silou lze deformovat tahem ocelové lano o průměru 1,0 cm, je-li součinitel
bezpečnosti 6 a mez pevnosti oceli 1,2 GPa? Jaké normálové napětí vyvolá tato maximální
síla?
[ asi 16 kN; asi 200 MPa]
1. Vysvětli pojem deformace tělesa.
2. Jak deformace dělíme?
3. Uveďte příklady na pružnou a tvárnou deformaci a příklady na jednotlivé druhy
deformace.
4. Definuj normálové napětí.
5. Vysvětli pojem dovolené napětí
6. Definuj součinitel bezpečnosti.
7. Definuj relativní prodloužení.
8. Formuluj Hookův zákon.
9. Uveď fyzikální význam modulu pružnosti v tahu.
10. Pro jaké deformace platí Hookův zákon?
11. Popiš deformační křivku pružné oceli při deformaci tahem.
18
Pracovní sešit
Téma: Určení modulu pružnosti v tahu z průhybu tyče
Úloha: Urči modul pružnosti v tahu z průhybu tyče neznámého materiálu. Výsledek vyjádři
se střední kvadratickou odchylkou. V závěru odhadni pomocí zjištěného modulu
a MFCHT materiál, z něhož je tyč vyrobena.
Teoretický rozbor úlohy:
Modul pružnosti v tahu lze definovat z Hookova zákonu vztahem E =
σ
.
ε
Je to materiálová konstanta, která popisuje deformaci tělesa, namáháme - li ho v tahu.
Veličina σ zde představuje deformační napětí a veličina ε deformaci tělesa.
Deformace tělesa (relativní prodloužení) ε je definována jako poměr přírůstku délky ∆l a původní
délky l : ε =
∆l
.
l
Deformační napětí je definováno jako poměr mezi deformační silou F a plochou S : σ =
Potom je E =
F
.
S
F⋅l
. Jestliže na vodorovnou tyč obdélníkového průřezu b, c, či tyč kruhového
S ⋅ ∆l
průřezu o průměru d podepřenou na dvou rovnoběžných hranách vzdálených od sebe o délku l,
působí uprostřed síla F, prohne se tyč o délku (průhyb tyče) y,pro kterou platí vztah
y=
Fl 3
, kde J je plošný element setrvačnosti 1 tyče, který vypočítáme podle vztahu
48EJ
J=
πd 4
ab 3
u tyče kruhového průřezu, J =
64
12
u tyče obdélníkového průřezu (b je výška tyče).
F je síla při zatěžování tyče, l vzdálenost podpěr.
l
y
F
Výše uvedený vztah pro průhyb y tyče využijeme k určení modulu pružnosti E v tahu.
Měření provádíme nepřímou metodou - změříme průhyb tyče y a po dosazení do rovnice
vypočítáme modul pružnosti v tahu E.
1
Moment setrvačnosti můžeme určovat nejenom k ose, ale také k rovině, kdy mluvíme o plošném momentu
setrvačnosti. U plošného momentu setrvačnosti se obvykle jedná o moment rovinné plochy.
19
Pracovní sešit
Postup:
1. Změřte 3x vzdálenost podpěr a vypočtěte střední hodnotu l.
2. Posuvným měřítkem změřte 3x průměr tyče v různých místech a vypočtěte její střední
hodnotu.
3. Tyč umístěte na podpěry.
4. Změřte počáteční průhyb y0.
5. Tyč zatěžujte postupně závažím po 100 g a odečítejte průhyb tyče y1.
6. Po každém odečtení průhybu tyče tyč zcela odlehčete a odečtěte znovu počáteční průhyb y0.
7. Do příslušné tabulky zapisujte změřené hodnoty y0 a y1 a jim odpovídající průhyb y (určíš jako
rozdíl předchozích hodnot y0, y1).
8. Vypočtěte moment průřezu J tyče.
9. Vypočtěte modul pružnosti E z údajů pro každé zatížení a uveďte výsledek s 95 % chybou pro
všechny vzorky.
10. Sestrojte graf závislosti průhybu tyče y na hmotností závaží m.
11. Vypočtenou hodnotu modulu pružnosti E porovnejte s tabulkovými hodnotami a určete
materiál, z níž je tyč vyrobena.
Pomůcky:
- podpěry, stojan
- sada závaží
- příložné a posuvné měřítko
- proměřovaná tyč
Vypracování:
1. Výpočet plošného momentu setrvačnosti
Předpokládáme kruhový průřez: J =
d[mm]
l [mm]
πd 4
64
J [m4]
1
2
3
Ø
V případě obdélníkového průřezu je nutné zvolit jiný vztah a upravit tabulku pro zápis
rozměrů tyče.
20
2. Výpočet modulu pružnosti v tahu E =
Pracovní sešit
l3
⋅ F , F = m.g ,
48 ⋅ y ⋅ J
g = 9,81 m.s-2
m [kg]
y0 [mm]
y1 [mm]
y [mm]
Ø E[Pa]
E [Pa]
Písemná příprava
1. Vyjádři modul pružnosti v tahu ze vztahu pro plošný moment setrvačnosti tyče
kruhového průřezu při průhybu y.
2. Vysvětli význam modulu pružnosti v tahu.
3. Nastuduj chyby měření (viz dokument „chyby měření“ dostupný ve studijních
materiálech ke stažení).
4. Výsledek laboratorní práce č.9 vyjádři se střední kvadratickou chybou s.
21
Pracovní sešit
Téma: Určení povrchového napětí kapaliny kapkovou metodou
Úloha: Kapkovou metodou urči povrchové napětí neznámé kapaliny. Na základě
zjištěné hodnoty povrchového napětí urči z MFCHT, o jakou kapalinu se
jedná. Výsledek vyjádři s chybou.
Při pomalém vytékání kapaliny z kapilární trubice se vytvoří na jejím konci kapka. Těsně před
odtržením je povrchová síla rovna tíhové síle kapky
F = FG ⇒ σ l = mg ⇒ π dσ = mg
a odtud
σ=
mg
.
πd
(1)
Při měření se stejnou trubicí jsou průměry d pro kapky různých kapalin přibližně stejné. Platí, že
hmotnost kapky roste přímo úměrně s povrchovým napětím, proto použijeme při tomto měření
srovnávací kapalinu, jejíž povrchové napětí při dané teplotě známe (nejčastěji volíme čistou
vodu).
Označíme-li povrchová napětí kapalin σ (měřená kapalina), σ1 (voda) a hmotnosti jedné kapky
kapalin m, m1, dostaneme ze vztahu (1) výrazy
σ =
m g
mg
; σ1 = 1
πd
πd
a z nich
σ m
=
.
σ 1 m1
(2)
Při měření zjišťujeme hmotnost 50 až 150 kapek. Označíme- li hmotnost k kapek první kapaliny
M a hmotnost k kapek druhé kapaliny M1, je
m=
M
M
; m1 = 1
k
k
Dosadíme do vztahu (2) a dostaneme
σ M
=
. (3)
σ1 M1
Je-li jednou kapalinou čistá voda, jejíž povrchové napětí σ1 při dané teplotě známe, můžeme
ze vztahu (3) určit povrchové napětí σ jiné kapaliny:
σ=
M
σ1 .
M1
(4)
22
Pracovní sešit
Postup:
1. Sestavte zařízení pro odkapávání kapaliny podle obrázku. Určete hmotnost prázdné
kádinky m0.
2. Nálevku naplňte určenou kapalinou, jejíž povrchové napětí zjišťujete a nechte jí odkapat
trubicí do kádinky 50 až 150 kapek. Určete hmotnost mk kádinky s kapalinou. Vyjádřete
hmotnost M odkapané kapaliny jako rozdíl plné a prázdné kádinky.
3. Nálevku, odkapávající trubici i kádinku propláchněte čistou vodou, kádinku dobře vysušte.
4. Postup opakujte s čistou vodou. Určete hmotnost mv kádinky s vodou a hmotnost M1
stejného počtu kapek vody.
5. Pomocí vztahu (4) určete povrchové napětí určené kapaliny ve styku se vzduchem při dané
teplotě.
6. Měření opakujte pro jiný počet kapek.
7. Výsledek vyjádřete se střední kvadratickou chybou s ve tvaru σ = (σ ± s ) ⋅ 10 −3 N ⋅ m −1 .
8. Zjištěnou hodnotu povrchového napětí porovnejte s hodnotou v MFCHT a učiňte závěr.
Pomůcky:
−
−
−
−
−
−
−
−
úzká skleněná trubice, na koncích zabroušená
skleněná nálevka
pryžová hadička
tlačka
malá kádinka
laboratorní váhy se sadou závaží
stojan s držákem,
čistá voda a kapalina, jejíž povrchové napětí chceme určit.
23
Pracovní sešit
Vypracování:
Z naměřených hodnot vypočítejte povrchové napětí σ určené kapaliny a dále určete dle vztahu
n
s=
n
∑ (x − x )
i =1
2
i
n(n − 1)
střední kvadratickou chybu.
m0 . 10-3 mk . 10-3 mv . 10-3
[kg]
[kg]
[kg]
k
M .10-3
[kg]
M1 .10-3
[kg]
σ 1 .10-3 σ
-1
[N.m ]
1
50
73
2
100
73
3
150
73
.10-3
∆ = (σ − σ ) ⋅ 10 −3
-1
[N.m-1]
[N.m ]
σ
[N.m-1]
∆2
∑∆
2
1. Na čem závisí povrchové napětí kapaliny?
2. Vysvětli princip měření povrchového napětí kapaliny kapkovou metodou.
3. Odvoď vztah pro výpočet povrchového napětí σ měřeného kapkovou metodou.
4. Navrhni způsob měření povrchového napětí kapaliny z kapilární elevace.
5. Odvoď vztah pro výpočet povrchového napětí kapaliny z kapilární elevace.
24
Pracovní sešit
Téma: a) teplotní roztažnost pevných látek,
b) tepelná výměna při změně skupenství látek.
Úloha: Řeš následující úlohy. Při řešení dodržuj schéma řešení slovní úlohy.
1.
Při jaké změně teploty zinkového drátu je jeho relativní prodloužení 0,09%? Jaké je
prodloužení drátu při této změně teploty, je-li počáteční délka drátu 321,0 mm? Pro zinek
je α = 2,9 . 10-5 K-1 .
[ vzrůst o 31°C, 0,29mm]
2.
Z tenkého plechu je vyříznuta deska se čtvercovou podstavou. Při teplotě 0°C je délka
strany čtverce a0 a jeho obsah S0 = (a0)2. Vyjádřete obsah S tohoto čtverce jako funkci
teploty t.
[ S ≈ S 0 (1 + 2α∆t ) ]
3.
Při teplotě 20°C má lithiové t ěleso hmotnost 534 g. Jakou hmotnost má jiné lithiové těleso
téhož objemu při teplotě -10°C? Teplotní sou činitel délkové roztažnosti lithia je 5,6.10-5 K1
.
[ 537g]
4.
Vodní pára hmotnosti 1,75 kg a teploty 100°C vše chna zkapalní. Teplota vzniklé vody
postupně klesne na 0°C a p ři dalším odebírání tepla chladičem vznikne led hmotnosti
0,70 kg. Jaké teplo odevzdá soustava chladiči?
[ 4,82 MJ]
5.
V kalorimetru o tepelné kapacitě 120.J.K-1 se nachází v rovnovážném stavu voda o
hmotnosti 500 g a led o hmotnosti 10 g. Do kalorimetru ponoříme měděný váleček o
hmotnosti 100 g a teplotě 300°C, Jaká bude výsledná teplota vody po op ětovném
vytvoření rovnovážného stavu?
[ 3,5 °C]
6.
V uzavřené nádobě je sytá vodní pára hmotnosti 800 g a tlaku 57,8 kPa. Do nádoby
vpustíme vodu o hmotnosti 13 kg. Jakou musí mít voda teplotu, aby všechna pára
zkapalněla a soustava měla výslednou teplotu 70°C? M ěrné skupenské teplo vypařování
je 2,29 MJ.kg-1.
[ 35,5°C]
25
Pracovní sešit
Téma: Určení setrvačné hmotnosti tělesa mechanickým oscilátorem
Úloha: Užitím mechanického oscilátoru urči setrvačnou hmotnost daného tělesa.
Hmotnost tělesa určujeme vážením, tj. srovnáváním tíhových sil, kterými působí těleso a
závaží na váhy.
Využíváme statické účinky síly. Zákonitosti kmitavého pohybu umožňují zjistit hmotnost
tělesa na základě dynamických účinku síly sledováním pohybu tělesa.
F
( ∆l je prodloužení
Jestliže těleso o hmotnosti m zavěsíme na pružinu o tuhosti k =
∆l
pružiny působením síly o velikosti F ), vznikne mechanický oscilátor s periodou vlastního
kmitání:
m
T = 2π
k
Známe-li periodu kmitání a tuhost pružiny můžeme určit hmotnost tělesa:
T 2k
m=
4π 2
V případě, že hmotnost pružiny m0 není zanedbatelná ve srovnání s hmotnosti m tělesa
je třeba použít :
T = 2π
m+
m0
3
k
Postup:
1. Pružinu upevněte na držák stativu a podél pružiny upevněte délkové měřidlo. Na pružinu
zavěste první závaží (např. o hmotnosti 100 g) a pomocí měřidla určete počáteční polohu
závaží.
2. Na pružinu zavěšujte postupně další závaží a pro každý případ určete opět polohu
prvního závaží l1 . Výsledky zapisujte do tabulky a určete prodloužení pružiny ∆l = li − l1 .
3. Vypočítejte velikost tíhové síly, která způsobila prodloužení pružiny ∆l (FG = mg )
a
určete tuhost pružiny. Pro výpočet hmotnosti použijte průměrnou tuhost pružiny k .
4. Na pružinu zavěste těleso neznámé hmotnosti a mírným protažením pružinu rozkmitejte.
5. Stopkami změřte dobu, za kterou těleso vykoná 20 kmitů. Měření opakujte desetkrát.
Určete průměrnou periodu T kmitavého pohybu a použijte ji při výpočtu hmotnosti tělesa.
6. Určete
relativní
odchylku
měření
hmotnosti
pomocí
vztahu
δm = 2
∆T ∆k
+
T
k
,
kde ∆ T a ∆ k jsou průměrné odchylky periody a tuhosti.
Výsledek měření zapište ve tvaru m ± ∆m , kde ∆m = mδ m .
Pomůcky:
26
Pracovní sešit
pružina, sada závaží s háčkem, délkové měřidlo, stativ s držákem pružiny , těleso
neznámé hmotnosti, stopky.
Vypracování:
m
kg
Číslo
měření
l
−3
10 m
⋅
∆l
⋅
10 −3 m
FG
N
FG
∆l
N ⋅ m −1
k=
∆k = k − k
N.m −1
1.
2.
3.
4.
5.
5
k=
∑k
i =1
i
=
5
20T
s
Číslo
měření
T
s
∆T = T − T
s
1.
2.
3.
4.
5.
6.
4.
8.
9.
10.
10
T=
∑T
i =1
10
i
=
Výpočet hmotnosti m:
m=
T 2k
=
4π 2
27
Pracovní sešit
Závěr:
Bude obsahovat získané výsledky, diskusi výsledků a odpovědi na otázky:
1. Závisí perioda kmitání na amplitudě výchylky? Ověřte.
2. Bylo by možné použít mechanický oscilátor k měření hmotnosti v beztížném stavu?
Navrhněte, jak by bylo třeba oscilátor upravit.
1. Vyjádři celkovou sílu, která způsobuje harmonické kmitání.
2. Uveď parametry pružinového oscilátoru.
3. Vysvětli pojem tuhost pružiny a uveď její definiční vztah.
4. Zapiš vztah pro úhlovou frekvenci v závislosti na parametrech mechanického oscilátoru.
5. Kdy nazýváme kmitání oscilátoru vlastní ?
6. V závislosti na parametrech oscilátoru vyjádři vztahy pro periodu a frekvenci .
28
Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, příspěvková organizace
PROTOKOL O LABORATORNÍ PRÁCI Z FYZIKY
Laboratorní práce číslo:
Jméno a příjmení:
Téma úlohy:
Třída:
Datum:
Úloha:
Pomůcky:
Postup:
Vypracování:
Závěr:
Spolupracovali:
CHYBY MĚŘENÍ
Mějme nějakou fyzikální veličinu x, jejíž přesnou hodnotu se snažíme měřením zjistit.
Provedeme-li n měření této veličiny, dostaneme soubor hodnot xi, keré se budou od
přesné hodnoty více či méně lišit. Toto je způsobeno chybami měření, které vznikají díky
omezené přesnosti měřicích přístrojů, působením měřicího zařízení na měřenou veličinu
a podobně.
Pokud se nám podaří odstranit hrubé chyby měření (např. rozpojený el. obvod) a chyby
systematické (např špatná kalibrace přístroje), bude výsledek měření zatížen pouze
chybami náhodnými (např. šum elektrických obvodů), které se sestávají z velkého počtu
navzájem nezávislých náhodných procesů, mají rozložení blízké normálnímu (Gaussovu)
rozložení a nejpravděpodobnější hodnotu výsledku měření můžeme vypočítat pomocí
aritmetického průměru
Nejistotu, s jakou přesností jsme aritmetickým průměrem určili měřenou veličinu můžeme
odhadnout pomocí
střední kvadratické chyby aritmetického průměru, která je definovaná vztahem
Pravděpodobná chyba aritmetického průměru udává takovou hodnotu chyby, při které
je 50% pravděpodobnost, že se hodnota přesná neliší od aritmetického průměru více,
než o tuto hodnotu a je definována vztahem
Krajní chyba měření je taková chyba, v jejímž rozmezí se nachází správná hodnota s
pravděpodobností 99,73% a můžeme ji vyčíslit pomocí vztahu

laboratorní práce z fyziky pro 2. ročník

Transkript

Podobné dokumenty

Připow.wow voněla kůže a hřměly obřarlníbubny

My z Lásenice 6/2007

Úvod do překladu krásné literatury

INDIKAČNÍ SOUBOR LABORATORNÍCH VYŠETŘENÍ U

01/2012 - MusicData

Technický list 6539

pokyny pro plavbu - Fishingholiday.cz

2.8. ()

Zpravy-15-2001

Nejlepší Tamron všech dob?