Специфіка філософського знання. 10 страница

m µ 2 ⋅n2 I 2 r 2

. (6)

0 кр. A

I

R1

K

 

~ 6,3 B

V R2 250 B

Рис. 4 Рис. 5

Установка складається з двох незалежних електричних кіл: жив- лення соленоїда (рис. 4) і живлення та зміни анодного струму діода (рис. 5).

Порядок виконання роботи

1. Складають електричні кола за схемами (рис. 4 та 5).

2. Подають напругу розжарення 6,3 В.

3. Включають анодну напругу 250 В. Потенціометром R2 вста- новлюють напругу U, яку вимірюють вольтметром V.

4. Включають живлення соленоїда. Реостатом R1 поступово збі- льшують струм І, стежачи за "вічком" лампи, щоб відмітити момент відриву пучка від внутрішніх стінок анода (анод темніє). Фіксують величину струму Ікр.,що проходить через соленоїд.

5. Записують значення U, та Ікр до таблиці.

№ п/п	Задані величини	Результати прямих вимірювань	Результати непрямих вимірювань
n, м-1	rА, м	U, В	I, А	e/m, Кл/кг
<x>
Xгр,γ
∆
ε

6. Дослід повторюють три рази для різких значень анодної нап- руги, змінюючи його потенціометром R2.

7. Для кожного досліду визначають величину питомого заряду електрона за формулою (6).

8. Обчислюють середнє значення ретичним.

e

〈m〉

і порівнюють його з тео-

9. Враховуючи тільки систематичні похибки, визначають відно-

сну похибку εе/m одного із вимірювань:

εе/m = εu + 2εI +2 εе/m

Визначають довірчу границю похибок:

e

∆e/m

= 〈 m〉 ⋅ εe / m

10. Оформляють звіт і роблять висновки

Запитання для самоконтролю

1. Дайте визначення магнітної силової лінії і графічно зобразіть маг-

нітне поле соленоїда.

2. Розкрийте фізичний зміст магнітної індукції Вr і дайте визначення

одиниці її вимірювання в СІ.

3. Запишіть вираз для магнітної індукції поля всередині нескінченно довгого соленоїда, поясність зміст позначень.

4. Запищіть векторний вираз для сили Лоренца та вкажіть її напря- мок.

5. Якою є траєкторія руху зарядженої частинки в однорідному магні- тному полі?

РОБОТА 4.2

ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДОВОЇ ІНДУКЦІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Мета роботи: вивчити взаємодію магнітних полів колового струму та Землі; визначити горизонтальну складову індукції магнітно- го поля Землі за допомогою тангенс - гальванометра.

Прилади та обладнання: тангенс - гальванометр, джерело стру-

му, реостат, перемикач.

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор індукції магнітного поля Вr. Індукція магнітного поля Землі невелика і зміню-

-4

ється від 0,4.І0

-4

Тл на екваторі до 0,7.І0

Тл поблизу магнітних полю-

сів. Вектор магнітної індукції Вr Землі можна розкласти на дві скла-

дові: горизонтальну

Вrг

та вертикальну

r

Вв. Закріплена на вертикаль-

ній осі магнітна_стрілка встановлюється в напрямку горизонтальної

складової

Вrг.

Горизонтальну складову магнітного поля Землі

Вrг

можна ви-

значити за допомогою тангенс-гальванометра, що складається з тонкої котушки, в центрі якої розміщена стрілка (рис. І). Котушка має кілька колових вертикальних витків. Перед початком роботи котушку вста- новлюють так, щоб магнітна стрілка розмістилась у площині витків. Якщо через котушку пропустити струм, то він створить магнітне поле

k

k

Вr. Вектор магнітної індукції

Вr цього поля в центрі витків спрямо-

ваний перпендикулярно

Вrг

− горизонтальній складовій вектора інду-

кції магнітного поля Землі. Стрілка приладу встановлюється вздовж рівнодійної Вr обох векторів. Із рис. 2 видно, що:

отже

tg α =

Bг =

В

r

Bk

Bг,

Bk

tg α

. (1)

Магнітна індукція k

ється за виразом:

у центрі тонкої котушки зі струмом визнача-

Bk =µ 0

I

2r N, (2)

де N − число витків котушки; r−її радіус; І −сила струму в котушці;

µ0 = 1,26·10-7 Гн/м – магнітна стала. З формул (І) і (2) випливає, що:

Bг= µ 0

I ⋅ N

2rtg α

. (3)

S S N

N Bг

S α

N

BK B

Рис. 1 Рис. 2

I

K

R

Рис. 3

Порядок виконання роботи

1. Складають електричне коло за схемою, зображеною на рис. 3.

2. Повертаючи підставку тангенс-гальванометра, встановлюють його витки в площині магнітного меридіана. У цьому випадку один із кінців магнітної стрілки повинен знаходитись на відмітці 0° або 180°.

3. Вмикають джерело струму і встановлюють реостатом силу

струму І.Для двох напрямків установленого струму (напрямок струму в колі змінюють на протилежний перемикачем К) за лімбом бусолі

відмічають кути повороту магнітної стрілки α1 і α2.

α = α 1 +α 2

. (4)

4. Вимірювання повторюють для трьох різних значень струму І і двох його протилежних напрямків. Для кожного заданого струму зна- ходять середнє значення кута повороту.

5. За формулою (3) для кожного значення струму знаходять го- ризонтальну складову магнітного поля Землі Вг.

6. Для одного із вимірів Вг визначають відносну похибку:

α

ε = ε +ε + ε;

ε = 2⋅∆,

Вг І r

tgα

tgα

sin 2 α

де ∆α − виражається в радіанах.

7. Розраховують довірчу границю похибок:

∆

Вг

=< Bг

> ⋅ε

Bг

8. Оформляють звіт та роблять висновки.

№ п/п	Задані величини	Результати прямих вимірювань	Результати непрямих вимірювань
N	I, А	r, м	α 1	α 2	α	tg α	Bг,Тл
<x>
xгр, γ
∆
ε

Запитання для самоконтролю

1.Дайте визначення та одиниці вимірювання в системі СІ магні- тної індукції.

2. Запишіть і сформулюйте закон Біо – Савара - Лапласа, дайте ілюстрацію рисунком.

3. Отримайте вираз для напруженості та індукції магнітного по- ля в центрі колового витка із струмом, використовуючи закон Біо – Савара - Лапласа.

4. Виведіть робочу формулу.

ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ ПО МОДУЛЮ 3

РОЗДІЛ 5. ОПТИКА РОБОТА 5.1

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ

ЗА ДОПОМОГОЮ МІКРОСКОПА

Мета роботи: вивчити принцип дії мікроскопа і за його допо- могою визначити показник заломлення n скляної пластинки.

Прилади та обладнання: мікроскоп, скляна плоскопаралельна пластинка, мікрометр.

Обґрунтування методу вимірювання

Світловий промінь, який падає на межу поділу двох прозорих середовищ, частково відбивається, а частково заломлюється (рис.1).

Згідно з законом заломлення світла заломлений промінь ле- жить у площині падіння, а відношення синуса кута падіння α до си- нуса кута заломлення γ для двох даних середовищ з різною оптичною

густиною є величиною сталою:

sinα

sin γ

= n21.

(1)

Стала величина

n21

називається відносним показником за-

ломлення другого середовища відносно першого.

Відносний показник заломлення

n21

зв’язаний з абсолютними

показниками першого і другого середовищ

n1 і n2

співвідношенням:

n = n2

n

21. (2)

Aбсолютним показником заломлення середовища нази- вається величина n, яка вимірюється відношенням швидкості c світлових хвиль у вакуумі до їх фазової швидкості V у середовищі:

n = c V

. (3)

Оптична густина середовища характеризує залежність швид- кості світла від природи середовища і вимірюється абсолютним по- казником заломлення.

Оптична густина вакууму (повітря) дорівнює одиниці.

Якщо предмет розглядати через плоскопаралельний шар прозо- рої речовини з більшою, ніж у повітря,оптичною густиною, то зоб- раження цього предмета спостерігається на відстані, ближчій до очей спостерігача, ніж сам предмет.

Це явище використовується при вимірюванні показника залом- лення скла.

На рис.2 показано, як утворюється зображення світної точки O

(мітка), яка знаходиться на нижній поверхні плоскопаралельної

скляної пластинки. Зображення O1

цієї точки спостерігається між

нижньою і верхньою поверхнями пластинки. Це пояснюється заломленням світла на межі поділу “скло – повітря”. Промінь світла OA, пройшовши крізь пластинку, заломлюється і потрапляє в око спостерігача. Продовження заломленого променя (показано штрихо-

вою лінією) на перетині з променем OB дає уявну точку O1. Ця точка

знаходиться на відстані

d1 – уявній товщині пластинки.

З рис.2 видно, що

d1 < d, де d – дійсна товщина пластинки, а

tgα

= AB / d1,

tgγ

= АВ / d.

При малих кутах α і γ можно прийняти:

tgα

≅ sin α,

tgγ

≅ sin γ.

Таким чином, із закону заломлення і рис.2 випливає, що

n ≡ n = sin α

21 sin γ

≅ tgα

tgγ

= d,

d1

тобто

n = d d1

(4)

Як бачимо, визначення показника заломлення n скла зводиться

до вимірювання дійсної d і уявної d1

товщини пластинки.

Порядок виконання роботи

1. Заносять до таблиці ціни поділок мікрометра (c =0,01 мм/под) і мікрометричного гвинта мікроскопа (c1 =0,0028 мм/под ≅ 0,003 мм/под).

2. Вимірюють мікрометром дійсну товщину d скляної пластинки не менше трьох разів. Результати заносять до таблиці.

3. Готують мікроскоп:

- за допомогою освітлювального дзеркала домагаються рівномір-

ного освітлення поля зору (дивляться в окуляр і повертають дзеркало);

- обертають мікрометричний гвинт мікроскопа проти годиннико- вої стрілки до крайнього положення (обертати слід плавно, без зусил- ля, щоб не зірвати різьбу);

- обертаючи макрометричний гвинт кремал’єри за годинниковою стрілкою, опускають трубу мікроскопа вниз.

4. Наносять на поверхню скляної пластинки чорнильну мітку.

5. Кладуть пластинку на предметний столик мікроскопа міткою

догори і намагаються отримати різке її зображення, обертаючи мак- рогвинт проти годинникової стрілки. Забороняється опускати тубус,

спостерігаючи в окуляр, бо при цьому можна пошкодити об’єктив і

об’єкт.

6. Повертають пластинку міткою вниз. Добиваються різкого зоб- раження мітки, обертаючи мікрометричний гвинт за годинниковою стрілкою. Визначають число поділок, на яке при цьому повертається

гвинт. Перемноживши одержане число поділок на ціну поділки, ви-

значають уявну товщину

d1. Вимірювання повторюють не менше

трьох разів. Результати заносять до таблиці.

7. Використовуючи формулу (4), за середніми значеннями < d >

і < d1

> розраховують показник заломлення

< n >

пластинки.

8. Розраховують довірчі границі і відносні похибки прямих і не- прямих вимірювань при заданих довірчих ймовірностях. У даній ро- боті

d

εn = ε d

+ ε,

∆n =

< n >⋅εn.

Запитання для самоконтролю

1. Назвіть основні експериментальні закони геометричної оптики, сформулюйте їх і поясніть.

2. Який фізичний зміст абсолютного і відносного показників заломлення?

3. Нарисуйте хід променів у мікроскопі, поясніть зображення, дане об’єктивом і окуляром.

4. Поясніть, чому уявна товщина скляної пластинки менша за

істинну.

5. Опишіть розвиток уявлень про природу світла.

6. Який діапазон довжин хвиль видимого світла?

7. Поясніть залежність швидкості світла від фізичних харак- теристик середовища.

№ п/п	Результати прямих вимірювань	Результати непрямих вимірювань
c	d, мм	d1, мм	n
			_
< x >
∆c, Pc = 1			_
o o ∆, P = 0,95			_
∆, P ≥ 0,95
ε = ∆ < x >

Додаток до роботи 5.1

Хід променів у мікроскопі

Мікроскоп − оптична система, що складається в найпростішому

випадку із короткофокусної збиральної лінзи (об’єктива) O1

і довго-

фокусної збиральної лінзи (окуляра)

O2. Хід променів у мікроскопі

показано на рис.3. Буквами

F1 і F2

позначено фокуси об’єктива та

окуляра. Об’єкт MN розміщують поблизу фокальної площини об’єктива на відстані трохи більшій за фокусну. Об’єктив дає дійсне,

обернене і збільшене зображення

M1 N1, яке знаходиться в фокусі або

майже в фокусі окуляра. При цьому окуляр використовується як лупа і

дає уявне збільшене зображення го бачення для очей.

M 2 N 2

об’єкта на відстані найкращо-

РОБОТА 5.2

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ І КОНЦЕНТРАЦІЇ СУХИХ РЕЧОВИН У РОЗЧИНАХ ЗА ДОПОМОГОЮ РЕФРАКТОМЕТРА

Мета роботи: вивчити принцип роботи рефрактометра; навчи- тись визначати показник заломлення n і концентрацію C розчинів сахарози; встановити залежність між цими величинами.

Прилади та обладнання: рефрактометр, досліджувані розчини

сахарози, піпетка, фільтрувальний папір.

Визначення процентного вмісту твердих речовин у розчинах, наприклад вмісту цукру в цукровому буряку, кількості розчинених сухих речовин у соках фруктів, овочів тощо, має велике практичне значення.

Відомо, що вміст розчинених речовин у розчинах (концентрація розчину C) пов’язаний з їх показником заломлення n, який залежить від концентрації розчину.

Прилади для вимірювання показника заломлення у твердих, рідких і газоподібних тілах називаються рефрактометрами.

Принцип дії рефрактометра для визначення показника залом- лення рідин і концентрації розчинів побудований на явищі повного

внутрішнього відбиття.

Повне внутрішнє відбиття має місце при переході світлового про-

меня із оптично більш густого середовища

n1 в оптично менш густе се-

редовище n2

(n1 > n2). При граничному куті падіння

γ гр

заломлений

промінь O1′ ковзає вздовж поверхні поділу цих середовищ (рис.1).

Якщо промінь

O1′

піде в зворотному напрямку (із оптично

менш густого середовища n2

в оптично більш густіше n1), то на ос-

нові принципу оборотності світлових променів картина залишається такою ж: падаючий і заломлений промені лише поміняються ролями. Для ковзаючого променя в точці O маємо:

sin γгр

= n2

n1

. (1)

Основною частиною рефрактометра (зовнішній вигляд якого

наведено на рис.3) є дві призми

A′B′C′

і ABC (рис.2), виготовлені із

скла з великим показником заломлення (n ≅1,7).

Між призмами вводиться декілька крапель досліджуваної

рідини. При опусканні верхньої призми на нижню вони розпливають- ся тонким шаром по поверхні AB. У випадку прозорої рідини світло спрямовується в рефрактометр через віконце 1 (рис.3). Далі воно по-

трапляє на матову грань

A′B′

освітлювальної призми. Розсіяне на цій

поверхні світло проходить через плоскопаралельний шар досліджуваної рідини 4 (рис.2 і рис.3) і під різними кутами (в межах від 0° до 90°) падає на діагональну грань AB нижньої призми.

Промінь, кут падіння якого 90° (ковзаючий промінь

O1′), у призмі за-

ломиться під граничним кутом

γ гр

повного внутрішнього відбиття.

Всі інші промені, що падають на грань AB під кутом, меншим 90°, заломляться у призмі під кутом меншим γ гр.

У полі зору зорової труби, встановленої на шляху променів, що пройшли систему двох призм, спостерігаються дві області: світла (нижня половина) і темна. Межа поділу утворюється граничним променем O1.

Отже положення межі світлотіні поля зору залежить від гранич-

ного кута γ гр

і визначається виразом:

sin γ

n

=, (2)

гр n

c

де n – показник заломлення розчину;

призми.

nc – показник заломлення

Показник заломлення призми

nc – величина стала, тому поло-

ження межі світлотіні визначається лише показником заломлення роз- чину n, який, у свою чергу, однозначно пов’язаний з концентрацією C розчину. Це дозволяє створити шкалу (рис.4) не тільки для визна- чення показника заломлення n розчину, а і для визначення концен- трації C сухих речовин у розчині.

Оптична схема і зовнішній вигляд рефрактометра, викорис- таного в даній роботі, представлений на рис.5 і рис.3:

1 – віконце для освітлення з боку рідини;

2 – відкидна призма, що притискує рідину 4 до нижньої призми 3;

5 – окуляр; 5а – об’єктив; 5б – поворотна призма зорової труби;

6 – компенсаційна призма, яка обертається. Призма 6 дозволяє компенсувати дисперсію призм та розчину і працювати з джерелом

білого світла. Без такої призми межа поділу світлотіні була б різнобарвною і нечіткою, що значно знижувало б точність вимірів.

Порядок виконання роботи

1. Освітлювальне віконце 1 рефрактометра (рис.3) розміщують

біля джерела природного світла (вікна).

2. Відхиляють верхню призму 2 (рис.3). Піпеткою або оплавленою скляною паличкою наносять на поверхню призми 3 п’ять – шість кра-

пель дистильованої води 4 і опускають призму 2 на своє місце. При

цьому рідина рівномірно суцільним тонким шаром розподіляється між призмами.

3. Дивляться в окуляр 5 (рис.3) і, обертаючи його, настроюють зо- рову трубу до чіткого зображення шкали (рис.4).

4. У таблицю записують ціни поділок, відмічені відповідно на

шкалі показника заломлення (зліва) і на шкалі концентрації (справа).

5. Дивляться в окуляр 5 (рис.3) і повертають ручку 6 компенсатора доти, поки не буде видно чіткого розділення межі “світло – тінь”.

6. Дивляться в окуляр 5 і повертають ручку 7 (рис.3) доти, поки три поперечні риски (рис.4) не збігатимуться з межею розділення “світло – тінь”.

7. Проти трьох рисок на шкалі зліва читають значення показника заломлення n, а на шкалі справа – значення концентрації C. Для дис- тильованої води при t =20°C n =1.333; C =0.0%.

Результати записують до таблиці.

9.Відхиляють верхню призму 2 і фільтрувальним папером промокають вологу на її поверхні та поверхні призми 3.

Щоб не пошкрябати поверхні призм, рідину треба обов’язково лише промокати, а не витирати.

10.Наносять на призму 3 п’ять – шість крапель досліджуваного

розчину і опускають призму 2 на своє місце.

Виконавши пункти 5, 6, 7, визначають показник заломлення n і

концентрації C. Так проводять дослідження 6−7 розчинів.

11.Вимірюють та записують значення кімнатної температури t. При t ≠20°С, згідно з таблицею, що представлена в додатку, до одер-

жаного значення концентрації C вводиться поправка

∆C. Якщо по-

правка ∆C

менша за ціну поділки шкали, то нею можна знехтувати.

12.Будують графік залежності n від C′.

13.Аналізують характер одержаної залежності між n і C′.

Зовнішній вигляд рефрактометра

n тінь С%

світло

Рис. 4

Оптична схема рефрактометра

№ п/п	Результати прямих вимірювань	Температурна поправка	Результати непрямих вимірювань
n	C,%	t, °C	∆C,%	C′ = C ± ∆C,%
c				_	_
. .

Запитання для самоконтролю

1. Запишіть і сформулюйте закони заломлення світла, дайте пояснюючий рисунок.

2. Поясніть явище повного внутрішнього відбиття світла; укажіть, де воно використовується; одержіть вираз для граничного кута падіння променів.

3. Поясніть принцип дії світловоду.

4. Поясніть принцип роботи рефрактометра.

Дата добавления: 2014-01-05