 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Eksperymenty fizyczneSeweryn WęgielnikSpis treściPomiar długości, ↑1 m to odległość, którą przebywa światło w próżni w czasie 1/299792458 sekundy.Dysponując tylko miarką z podziałką milimetrową zmierz grubość drucika. ↑RozwiązanieNawiń na ołówek ten drucik, zwój przy zwoju i zmierz długość uzwojenia L. Średnica drucika Φ = L / n, gdzie n - ilość zwojów. Zadanie 1. Wyznacz grubość kartki papieru. Co oznacza tzw. gramatura papieru? Pomiar małych przesunięć., ↑Rozwiązanie
Do pomiarów przesunięć liniowych zbuduj urządzenie jak na rysunku. Na płytkę szklaną połóż dwie igły, do jednej z nich przymocuj wskazówkę zrobioną z drucika. Na igły połóż blaszkę stalową. Magnes pod spodem służy utrzymaniu urządzenia w odpowiedniej pozycji. Jeśli średnica igły wynosi Φ a przesunięcie blaszki ΔL to kąt obrotu wskazówki będzie: α = ΔL/Φ. Jak widać kąt ten dla danego przesunięcia może być bardzo duży. Jeśli średnica igły wynosi pół milimetra a przesunięcie 0.1 mm to kąt obrotu wskazówki: α = 0.1/0.5 czyli kąt w stopniach wynosi α·180o/π= 11o Zadanie 2. Sprawdź doświadczalnie prawo Hooke'a. Prawo to mówi, że wydłużenie drutu jest proporcjonalne do siły rozciągającej drut. Pokaż doświadczalnie, że żelazo przy przejściu fazowym w temperaturze około 1000 K kurczy się. ↑RozwiązanieUkład przedstawiony na rysunku pozwala na pomiar małych zmian długości drutu. Drut żelazny o długości około 1 m napinamy pomiędzy dwoma gwoździami. W połowie długości przyczepiamy cienki drucik ze sprężynką i
Teoria: Zadanie 3 Zrób amperomierz cieplny na podstawie powyższego przyrządu. Wyznacz promień krzywizny soczewki. ↑RozwiązanieWytnij z blaszki aluminiowej o grubości około 0.5 mm trójkąt równoramienny. W środku blaszki zrób otworek i przyklej (nie lutuj bo do stopów aluminium nie można w prosty sposób nic dolutować!) nad nim
Jak mierzyć sferometrem? Po pierwsze przekonaj się jaki jest skok gwintu użytej śruby. Cieńsze śrubki mają skok 0.75 mm (np. M3, jest to oznaczenie gwintów metrycznych a liczba oznacza średnicę).
Przekręcając śrubę o jeden obrót wysunie się ona o 0.75 mm. Obracając o mniejszy kąt wysunięcie będzie proporcjonalnie mniejsze/większe. Łatwo dokleić skalę do naszego sferometru żeby ułatwić liczenie obrotów. Mierzymy długość wysunięcia śruby w oparciu o wyznaczoną ilość obrotów. Promień krzywizny liczymy ze wzoru. Wyprowadzenie wzoru:
Odległość s=AB to odległość od nakrętki do nóżki, jeśli oznaczymy przez a odległość pomiędzy nóżkami to s = 2/3 · H, gdzie H = ½
√ 3
·a, jest wysokością trójkąta równobocznego. Mierzenie bardzo małych przesunięć. ↑Przetworniki wielkości nieelektrycznych na prąd (napięcie) są bardzo wygodne ponieważ pomiary prądu są łatwe, dokładne i w każdej pracowni są odpowiednie mierniki. Przetwornik do pomiaru przesunięć liniowych zbudujemy w oparciu o rysunek. Na rurce, np. od długopisu, nawijamy w odległości około 5 mm dwie sekcje uzwojenia z cienkiego drutu, drut możemy pozyskać ze starego transformatorka. Ilość zwojów nie jest krytyczna wystarczy po kilkadziesiąt na każdą sekcję. Uzwojenia te nawijamy w dwóch przeciwnych kierunkach. Pośrodku nawijamy trzecie uzwojenie - odbiorcze. Do rurki wkładamy rdzeń z kawałka ferromagnetyka, może to być kawałek drucika żelaznego lub ferryt ze starej cewki radiowej (odbiornik radiowy jest kopalnią przydatnych elementów i podzespołów).
Zasada działania. Przez dwa skrajne uzwojenia przepuszczamy prąd zmienny. Ponieważ uzwojenia są nawinięte przeciwnie w środku pomiędzy nimi pole magnetyczne znosi się. W środkowej cewce nie indukuje się napięcie. Jeśli przesuniemy rdzeń, naruszymy równowagę i w cewce środkowej indukuje się napięcie. indukowane napięcie jest proporcjonalne do przesunięcia. Czułość przetwornika jest bardzo wysoka i pozwala na pomiar przesunięć rzędu mikrometrów (tysięcznych milimetra). Masa i ciężar, ↑
Do ważenia można używać wag sprężynowych. Sprężyny można uzyskać ze starych długopisów lub nawinąć samemu z dowolnego drutu i rurki. Przyczepienie szalki i ustawienie skali nie powinno sprawić trudności. Wykonanie wagi szalkowej w warunkach domowych jest troszkę trudniejsze i wymaga dużej dokładności. Do pomiaru małych mas można wykorzystać prosty drucik zamocowany jednym końcem poziomo. Na drugim końcu można zawieszać badane przedmioty. Ciekawą, elektroniczną wagę pokazano w Świecie Nauki .
Odważniki można wykonać z zważonego kawałka drutu. W każdej aptece są wagi elektroniczne i z pewnością uda się nam zważyć ten drut. Drut tniemy na kawałki o potrzebnych nam masach korzystając z odpowiedniej proporcji. Pytanie: Ile, najmniej, potrzeba odważników do zważenia ciał o masach od 1 g do 100 g? Ile potrzeba odważników, jeśli możemy kłaść odważniki na obydwie szalki? Jakie powinny być masy tych odważników?
Zadanie 5. Wyznacz masę mrówki, muszki owocówki, kryształka cukru itp. Piąte: "Nie zabijaj!" Sprawdź rozwiązanie Pomiar gęstości cieczy, ↑
Do pomiaru gęstości cieczy używa się aerometru. Wykonanie w warunkach domowych takiego urządzenia jest proste. Potrzebujemy fiolkę po lekarstwach i rurkę np. z długopisu (zobacz rysunek). Do fiolki wlewamy wodę tak, żeby aerometr pływał z wystającą rurką. Napełnienie fiolki wodą można zrobić ogrzewając ją ręką i wkładając do wody. Wskutek ochłodzenia woda wejdzie do środka. Wskutek zmian gęstości badanej cieczy zmienia się siła wyporu i aerometr zanurza się lub wynurza, co można obserwować na skali. ↑ Pytanie: Czy zmniejszając średnicę rurki uzyskamy bardziej dokładny przyrząd? Pytanie: Jaki wpływ na pomiar ma rozszerzalność cieplna materiału fiolki? Zadanie 6. Zbadaj zależność gęstości wody od temperatury w zakresie od 0o C do 10o C. Pomiar czasu, ↑Sekunda jest to czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2S½ atomu cezu 133Cs. Uff! Zbadaj czas reakcji człowieka na bodźce↑RozwiązanieSzermierze ćwiczą refleks w taki sposób: Jedna osoba przyciska do ściany palcem kawałek tektury i w dowolnym momencie upuszcza tekturę. W tym momencie druga osoba z floretem musi "przygwoździć" tekturę to ściany. Odległość s jaką przebędzie tektura od upuszczenia jej do "przygwożdżenia" jest miarą czasu reakcji. Czas ten liczymy ze wzoru s = ½gt2. ZadanieWyznacz czas reakcji. Oblicz jaką drogę przebędzie samochód jadący z prędkością 100 km/h od chwili zauważenia czegoś na jezdni a naciśnięciem hamulca.Wahadło skompensowane termicznie↑Wahadło jest to pręt z pewną masą na jednym końcu i przytwierdzony do podpory przy pomocy taśmy metalowej. Wskutek zmian temperatury pręt zmienia swoją długość i "chód" zegara z takim wahadłem nie jest równomierny. Najdokładniejsze zegary stosowane niegdyś w obserwatoriach astronomicznych były skompensowane termicznie. Rozwiązanie
Do budowy wykorzystano pręty z cynku (współczynnik rozszerzalności wynosi αZn = 27·10-6·1/K, oraz stal αFe = 11·10-6·1/K. Jak widać z rysunku "środek" wahadła jest zawsze tak samo odległy od punktu zawieszenia, bez względu na temperaturą: jeśli temperatura rośnie stal wydłuża się a pręty cynkowe podnoszą masę do góry wskutek dużej rozszerzalności cieplnej cynku.
ZadanieZbuduj piękny model wahadła. Do napędu zastosuj elektroniczny impulsator lub odpowiednio umieszczony elektromagnes. Dawniej robiono to w ten sposób, że elektromagnes nie pobudzał drgań dopóki amplituda drgań była duża. Gdy amplituda spadła do małej wartości układ mechaniczny włączał prąd elektromagnesu, który popychał wahadło. Jak to zrobiono? Poczytaj o wahadleWykorzystanie komputera do pomiaru czasu ↑Użytkownicy LINUXa mają nieograniczony dostęp do różnych usług. Polecenie wykonywane z terminala nazwane time.
Pomiary prądu elektrycznego, ↑Stały prąd elektryczny o natężeniu 1 A jest prądem, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym przekroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, spowodowałby wzajemne oddziaływanie przewodów z siłą 2·10-7 N ma każdy metr długości przewodu.
Amperomierz ↑Do pomiaru prądu wykorzystamy bezpośrednio definicję ampera. Ponieważ siła oddziaływania dwóch przewodów z prądem jest bardzo mała - 2·10-7 N to siła "tyle co nic" odpowiada ona 1% ciężaru mrówki! Więc musimy ją zwiększyć po pierwsze przez przybliżenie przewodów i po drugie przez zwiększenie długości. Drut nawojowy emaliowany o grubości około 1 mm, nawijamy zwój przy zwoju na grubu pręt (np butelkę). Wyjmujemy pręt i zawieszamy cewkę jednym końcem na statywie a do drugiego końca lutujemy cienki drut miedziany. Po dołączeniu do źródła prądu powinniśmy zaobserwować przyciąganie się zwojów. Długość cewki jest miarą prądu płynącego przez cewkę. PytanieCzy siła przyciągania pomiędzy zwojami zwiększy się jeśli do wnętrza cewki włożymy ferromagnetyk?
Amperomierz ferromagnetycznyNa sprężynce zawieszamy gwóźdź stalowy i całość wkładamy do nieruchomej cewki. Jeśli przepuścimy przez cewkę prąd to gwóźdź będzie wciągany z siłą proporcjonalną do prądu. PytanieCzy powyższe amperomierze nadają się do pomiaru prądu przemiennego? Amperomierz z busoli ↑
Robimy teraz korpus kompasu ze sklejonych kawałków tektury jak na rysunku. W środek wbijamy szpilkę skróconą do ok. 1. cm. Na korpus nawijamy kilka zwojów drutu miedzianego. Na szpilkę kładziemy igłę magnetyczną i całość ustawiamy tak żeby płaszczyzna zwojów była skierowana w kierunku wschód-zachód. Oczywiście igła ustawi się wzdłuż linii zwojów. Wskutek wytworzonego przez naszą cewkę pola magnetycznego i stałego ziemskiego wypadkowe pole magnetyczne zmieni się a igła wskaże nowy kierunek. Przepuszczając prąd przez zwoje zaobserwujemy wychylanie się igły, może to posłużyć jako miara przepływającego prądu. Termometria, ↑Kelwin - jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0.0002799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O. Termometr ↑Do budowy termometru można wykorzystać każde zjawisko, którego własności zależą od temperatury: rozszerzalność cieplną ciał ciekłych, gazowych i stałych, zmianę rezystancji przewpdników i izolatorw od temperatury i wiele innych. Termometr najprostszy, bez skali nosi nazwę termoskopu i może wskazywać tylko zmiany temperatury ciał. Termometr gazowy ↑
Termometr gazowy budujemy wg. rysunku. Rurkę można zrobić z cienkiej oprawki od długopisu. Im cieńsza rurka tym czulszy termometr. Wodę można zabarwić atramentem celem zwiększenia czytelności. Termometr gazowy stosuje się do kalibrowania innych termometrów. Budowa takiego wzorcowego laboratoryjnego termometru nie różni się wiele od przedstawionego na rysunku.
Termometr Galileusza ↑
Z wazonu i fiolki po lekarstwach możemy zbudować piękny termoskop. Do zakorkowanej szczelnie fiolki przymocowujemy haczyk. Na haczyk nakładamy tak dobrane ciężarki z drutu, żeby fiolka ledwo co utrzymywała się na powierzchni wody. Jeśli temperatura wody zwiększy się, to wskutek rozszerzalności jej gęstość zmaleje, zmniejszy się tym samym siła wyporu i fiolka opadanie na dno. W temperaturze poniżej 277 K będzie odwrotnie! Wraz ze wzrostem temperatury fiolka wypłynie. Można zrobić kilka fiolek wycechowanych dla różnej temperatury i wraz ze zmianą temperatury niektóre fiolki będą opadać a inne wypływać. Często można kupić taki gadżet. Punkt potrójny wody ↑Otrzymanie punktu potrójnego wody w warunkach domowych nie jest skomplikowane. Po pierwsze woda jest najczystszą substancją. Wystarczy kupić w aptece pojedynczo destylowaną wodę aby mieć gwarancję czystości.
Wodę taką wlewamy do grubościennej buteleczki i opróżniamy z powietrza, brzmi to może poważnie, ale wystarczy podgrzewać taką buteleczkę aż do wrzenia, w końcu para wodna wyprze powietrze. Na koniec zamykamy butelkę korkiem z centralnie umieszczoną probówką. Ochładzamy butelkę, wstawiając do naczynia z lodem. Po pewnym czasie woda osiągnie temperaturę około 0 oC a ciśnienie spadnie do ciśnienia punktu potrójnego. Ponieważ pod obniżonym ciśnieniem woda w niskiej temperaturze więc zaobserwujemy przez dłuższy czas wrzenie wody w butelce! Teraz do probówki wsypujemy lód zmieszany z solą (NaCl), gdy probówka pokryje się od zewnątrz lodem będziemy mieli gwarancję, że temperatura wynosi 0.01 oC. Do probówki wlewamy denaturat i termometr do wycechowania. Tak otrzymany wzorzec ma temperaturę punktu potrójnego z dokładnością do 0,001 oC. Fotometria, ↑Kandela (cd) jest jednostką światłości źródła światła w danym, które emituje monochromatyczne światło o częstości 540·1012 (kolor zielony) i o mocy w tym kierunku 1/683 wat przez steradian. Natężenie 1 cd ma w przybliżeniu paląca się świeczka. Świetlówka 25 W emituje około 130 cd, diody elektroluminescencyjne od 50 mcd (milikandeli, 0,001 cd) do kilkuset cd.Fotometr Bunsena ↑Zasada działania fotometru Bunsena: porównuje się jasności tłustej plamki z dwóch stron papieru. Jeśli na kartce papieru zrobimy plamkę z jakiegoś tłuszczu (oleju jadalnego na przykład) i oświetlimy kartkę z dwóch stron dwoma źródłami światła, to oglądając tę plamkę przy równych oświetleniach nie zauważymy plamki. Jeśli jedno ze źródeł zbliżymy do kartki wówczas z jednej strony będzie widać jaśniejszą w porównaniu z papierem plamkę a z drugiej strony odwrotnie.
Budowa fotometru ↑Fotometr budujemy wg. rysunku. Do równoczesnego oglądania plamki zastosowano dwa lusterka umieszczone pod kątem prostym. Przesuwając, źródła światła lub kartkę z tłustą plamką doprowadzamy do sytuacji gdy tłustej plamki nie widać. W takiej sytuacji natężenie badanego źródła liczymy wg podanego wzoru. Celem wyeliminowania, szkodliwego przy pomiarach, zewnętrznego oświetlenia, można całość obudować kartonem pomalowanym na czarno od wewnątrz. PytanieCzy podany na rysunku wzór stosuje się do świetlówki?PytanieJaki wpływ na pomiary ma kolor źródeł światła?ZadanieZbadaj, jak zmienia się oświetlenie kartki od światła pochodzącego od długiej świetlówki?Porady ↑
|
