Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła
Transkrypt
Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła
Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu LABORATORIUM FIZYCZNE Rok akademicki 2013/2014 I. REGULAMIN LABORATORIUM FIZYCZNEGO. II. OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH . Instytut Inżynierii Środowiska Państwowej Wyższej Szkoły Wschodnioeuropejskiej w Przemyślu REGULAMIN LABORATORIUM FIZYCZNEGO 1. Każdy student powinien wykonać 6 ćwiczeń. 2. Warunki uzyskania zaliczenia określa prowadzący podczas pierwszych zajęć. 3. W przypadku usprawiedliwionej nieobecności ćwiczenia należy odrobić w najbliższym możliwym terminie. 4. Uczestnicy zajęć są zobowiązani do przestrzegania zasad BHP. 5. Do laboratorium nie wolno wnosić żywności i napojów ani ich konsumować. 6. Sposób organizacji pracy grupy przestawia prowadzący podczas pierwszych zajęć. 7. Kolejność realizacji ćwiczeń ustala prowadzący. 8. W razie stwierdzenia nieprzygotowania do zajęć prowadzący ma prawo nie dopuścić studenta do wykonywania ćwiczenia. 9. Rozliczenie ćwiczenia nie powinno przekroczyć czterech tygodni od wykonania pomiarów. 10. W trakcie wykonywania ćwiczenia studenci ponoszą odpowiedzialność za udostępnione im wyposażenie pracowni. 11. Uruchomienie zestawów pomiarowych odbywa się za zgodą prowadzącego. Wszelkie zmiany w zestawach wymagają autoryzacji prowadzącego. 12. Do każdego wykonanego ćwiczenia studenci opracowują indywidualne sprawozdania, których formę określa prowadzący. Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 1: WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA PRZEZ ZGINANIE I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a)Moduł sprężystości b)Moduł Younga c)Naprężenie d)Odkształcenie e)Współczynnik Poissona f)Prawo Hooka II. Przebieg ćwiczenia Stanowisko badawcze Urządzenie do wykonania pomiaru modułu Younga metodą ugięcia składa się z dwóch podpór oraz płaskowników wymiennych wykonanych z różnych materiałów o różnych przekrojach prostokątnych. W środku między punktami podparcia zawieszamy szalkę na strzemiączku. Szalkę obciążamy odważnikami. Strzałkę ugięcia mierzymy przy pomocy czujnika zegarowego, którego końcówkę stykamy z górną częścią strzemiączka. Metodologia wykonania pomiarów L.p. 0 l a b m λi Δλ=λ0-λi m0 1.Zestawić układ według przedstawionego opisu. 2.Wykonać pomiar odstępu między środkami podpór l, szerokości b oraz grubości a płaskownika. 3.Odczytać λ0 gdy płaskownik jest tylko obciążony szalką i strzemiączkiem (masa m0). 4. Obciążamy płaskownik ciężarkami i odczytujemy λi. 5.Sporządzamy wykres Δλ=f(m) dla funkcji Δλ=km. 6.Metoda najmniejszych kwadratów obliczmy k oraz u(k). n k m i i 1 n m 2 i i 1 n n i 1 i k i mi 2 i i 1 n 1 u (k ) n m i 1 2 i 7.Obliczyć moduł Younga korzystając ze wzoru: E gl 3 4kba3 E E E E u( E) u (l ) u (b) u (a) u (k ) l b a k 2 2 2 2 Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 2: MOSTEK WHEATSTONE’A I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a) Prawa Kirchhoffa b) Przewodnik c) Obwody elektryczne d) Napięcie e) Oporność f) Połączenia oporników II. Przebieg ćwiczenia 1. Zmontować układ jak na rysunku: Stan równowagi mostka wystąpi wtedy, gdy I0 0 Dla I0 0 I1 R1 I2 R 2 oraz I1 R x I2 R p , wtedy: Rp Rx R2 R R i ostatecznie R x R p 1 l p 1 R1 R2 l2 2. Miernik ustawiony na 100 µA należy wyjustować na wartość zero przez przesunięcie suwaka. 3. Zapisać wartość w tabeli Lp l1 lp R1 Rx Rxobl 1 2 3 4 5 4. Zmierzyć oporność zastępczą oporników połączonych szeregowo i równolegle Połączenie R1 R2 R3 Rz Rzobl Szeregowe Równoległe 5. Zbadać jak zależy oporność od promienia przekroju przewodnika. Lp R l ρ 1 2 3 4 6. Narysować wykres R=f(r). 7. Obliczyć niepewność wyniku u(Rx) 8. Napisać wzór i obliczyć niepewność wyniku u(Rzobl) 2 R R R u(R x ) x u l p x u l 2 x u R1 l R1 p l 2 2 2 r Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 3: POMIAR LEPKOŚCI CIECZY I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a)Właściwości cieczy, b)Ciecz niutonowska, c)Prawo Stokes’a, d)Lepkość kinematyczna, e)Lepkość dynamiczna. II. Przebieg ćwiczenia Stanowisko badawcze W wyniku tarcia wewnętrznego pomiędzy cząsteczkami, w cieczach i w gazach powstaje lepkość. Lepkość zależy od temperatury i struktury substancji, może być wyznaczona doświadczalnie. Na przykład poprzez mierzenie tempa opadania kulki w tubie wypełnioną badaną cieczą. Metodologia wykonania pomiarów L.p. T t ρ1 g/cm3 2,2231 ρ2 2r mm 15,8 l mm 100 1.Zestawić układ według przedstawionego opisu. 2. Po umieszczeniu kulki w tubie pomiarowej trzeba osiągnąć równowagę termiczną w wybranej temperaturze pomiarowej T przez około 10 minut. 3. Przeprowadzić 3 pomiary czasu t opadania kulki i obliczyć średnią wartość. 4. Odczytać z tabeli gęstość cieczy ρ2 dla danej temperatury T stosując interpolację. 5. Obliczamy lepkość η z zależności: 2r 2 g 1 2 t 9l gdzie: r - promień kulki, g- przyspieszenie ziemskie, ρ1-gęstość kulki, ρ2- gęstość cieczy, lodległość pomiędzy kreskami na tubie pomiarowej, t- czas opadania kulki. u ( ) u (t ) u (r ) t r 2 2 7.Wykreślić zależność η=f(T). L.p. T ρ2 - K g/cm3 1 293,15 0,9982 2 298,15 0,9970 3 303,15 0,9956 4 308,15 0,9940 5 313,15 0,9922 6 318,15 0,9902 7 323,15 0,9880 Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 4: POMPA CIEPŁA- EFEKT PELTIER I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a) Efekt Peltiera, b) Siła termoelektryczna, c) Pompa ciepła, d) Zjawisko Seebecka, e) Pomiar temperatury, II. Przebieg ćwiczenia 1. Zmontować układ jak na rysunku: Tc Tz 2. Zasilacz ustawiamy tak, aby w obwodzie płynął prąd o natężeniu 1A, 2A, 3A, 4A, 5A i dla każdej nastawy natężenia prądu odczytujemy temperaturę Tz strony zimnej, temperaturę Tc strony ciepłej w funkcji czasu. Gdy temperatura Tz stabilizuje się to zwiększamy wartość natężenia prądu. 3. Zapisać wartości w tabeli oraz wykonać wykresy Tz=f(t), Tc=f(t) dla danego natężenia prądu i napisać wnioski. Lp 1 2 3 4 5 I Tz Tc t Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 5: WYZACZANIE STAŁEJ SIATKI DYFRAKCYJNEJ I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a) Zjawisko dyfrakcji i interferencji światła, b) Dyfrakcja typu Fraunhofera, II. 1. Przebieg ćwiczenia Ustawiamy na ławie optycznej wszystkie elementy układu pomiarowego: laser siatka dyfrakcyjna, ekran. 2. Po włączeniu lasera na ekranie obserwujemy obraz dyfrakcyjny umieszczamy siatkę dyfrakcyjną w odległości y od ekranu i mierzymy odległości prążków k = 1, 2, … rzędu od prążka centralnego. 3. Wyniki pomiarów zapisywać w tabeli k xk y a ± u(a) [cm] [μm] [cm] n a/d d [-] [-] [μm] 1. 2. 3. 4. 4. Wartość stałej siatki a otrzymujemy ze wzoru: k xk y 2 2 a xk gdzie λ jest długością fali emitowanej przez laser. 5. Obliczyć przybliżoną szerokość szczelin d przy pomocy wzoru d 2a n 1 gdzie n jest ilością maksimów 6. Obliczyć niepewności pomiarowe u(a) oraz u(d) Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 6: BADANIE ROZKŁADU NATĘŻENIA ŚWIATŁA W OBRAZIE DYFRAKCYJNYM FRAUNHOFERA I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a) Zjawisko dyfrakcji i interferencji światła, b) Dyfrakcja typu Fraunhofera, II. 1. Przebieg ćwiczenia Ustawiamy na ławie optycznej wszystkie elementy układu pomiarowego: laser, szczelina, soczewka, czujnik natężenia oświetlenia, oraz podłączamy wzmacniacz. 2. Po włączeniu lasera ustawiamy siatkę dyfrakcyjną oraz soczewkę tak, aby na czujniku obserwować ostry obraz dyfrakcyjny. Przy pomocy śrubą mikrometryczną ustawiamy czujnik na prążku centralnym i odczytujemy wartość napięcia U. 3. Zmieniać położenie fotoelementu odczytując wartości odpowiednich napięć 4. Wyniki pomiarów zapisywać w tabeli d= L= x [mm] 5. . Narysować wykres rozkładu natężenia światła U [V] Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 7: WYZACZANIE CHARAKTERYSTYKI TERMOPARY I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a) Kontaktowa różnica potencjałów, b) Siła termoelektryczna, c) Zjawisko Seebecka II. Przebieg ćwiczenia 1. Do dwóch naczyń nalewamy wody o tej samej temperaturze, 2. Zestawiamy układ pomiarowy zgodnie ze schematem 3. 4. 5. Czekamy aż wskazania termometrów i woltomierza się ustabilizują. Włączamy grzałkę i obserwujemy wskazania termometrów. Wskazania zapisujemy w tabeli z krokiem ΔT = 5K T0 [K] T1 [K] ΔT = T1 T0 [K] [ mV ] [ mV/K ] u( ) [mV/K ] . 6. Metodą regresji liniowej wyznaczamy współczynnik termoelektryczny oraz niepewność u(). 7. Wykreślamy charakterystykę termopary. Instytut Inżynierii Środowiska Państwowa Wyższa Szkoła Wschodnioeuropejska w Przemyślu OPIS ZESTWAWÓW ĆWICZENIOWYCH LABORATORIUM FIZYCZNEGO Ćwiczenie 8: SPRAWDZANIE ROZKŁADU NIEPEWNOŚCI POMIAROWYCH I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania a) Pojęcie niepewności i błędu pomiaru, b) Gęstość prawdopodobieństwa, c) Rozkład Gaussa i jego parametry, II. 1. Przebieg ćwiczenia Zważyć wskazany przez prowadzącego zestaw obiektów. Zapisując wyniki pomiarów do tabeli Masa obiektu [g] 2. Obliczyć wartość średnią wg. Schematu x 1 n . xi n n i 1 x n 3. Obliczyć odchylenie standardowe wartości średniej s x x n 4. Obliczyć odchylenie standardowe pomiaru s x 5. Narysować wykres funkcji Gaussa px 8. Wykonać histogram. 1 i 1 i i 1 i x nn 1 x 2 n u ( x) 2 n n 1 x 2 exp 2 2 2 . 6. Podzielić zakres m na przedziały rozmieszczone symetrycznie względem średniej. 7. Wyznaczyć ilość pomiarów znajdujących się w każdym z przedziałów oraz wyznaczyć prawdopodobieństwo uzyskania wyniku z tego przedziału. m[g] k/100 P(t) ... ... ... m –2Δm, m –Δm m –Δm, m +Δm m +Δm, m +2Δm ... ... ...