1
Laboratorní práce I. ročník
1
Laboratorní práce č. 1 1.1
Měření rychlosti a zrychlení
Pro pohyb kuličky na nakloněné rovině: 1. sestrojte graf závislosti dráhy na čase 2. sestrojte graf závislosti průměrné rychlosti na čase 3. určete průměrné zrychlení kuličky na alespoň čtyřech úsecích 4. rozhodněte, zda se kulička pohybuje rovnoměrně zrychleně: (a) na základě hodnot průměrného zrychlení (b) na základě graf závislosti dráhy na čase 5. určete očekávanou rychlost kuličky na konci nakloněné roviny 6. určete rychlost kuličky těsně po opuštění nakloněné roviny přímým měřením
2
Laboratorní práce č. 2 1.2
Měření součinitele smykového tření
Třecí síla se někdy liší podle toho, jestli se těleso pohybuje, nebo ne. Potom v případě stojícího tělesa nazvememe součinitel smykového tření statický, v případě pohybujícího se tělesa dynamický. Změřte součinitel statického a dynamického smykového tření mezi kvádříkem a zvoleným povrchem. 1. Zvažte kvádřík. 2. Změřte sílu potřebnou při tažení kvádříku po zvoleném povrchu (a) při uvedení do pohybu (b) při pohybu samotném Každé měření opakujte alespoň pětkrát a určete průměrnou hodnotu. 3. Ze vzorce pro třecí sílu vypočtěte statický i dynamický součinitel smykového tření a porovnejte je. 4. Povrch nakloňte a zjistěte, při jakém úhlu náklonu se (a) dá kvádřík samovolně do pohybu (b) kvádřík po uvedení do pohybu bude v rovnoměrném pohybu setrvávat Úhel náklonu doporučuji měřit pomocí pásma a úhel dopočítat. Je to podstatně přesnější než používat úhloměr. Navíc při vhodně zvolených rozměrech získáte přímo tg α. 5. Vypočtěte opět statický i dynamický součinitel smykového tření a porovnejte s hodnotami získanými v bodě 3. Pro výpočet použijte vztah odvozený pro nakloněnou rovinu: f = tg α
Měření opakujte pro tři různé povrchy.
3
1.3
Valivý odpor
1.3.1
Odporová síla
Zjistěte závislost odporové síly během pohybu na hmotnosti. 1. Změřte velikost odporové síly pro různé hodnoty hmotnosti vozíku. 2. Nakreslete graf závislosti odporové síly na hmotnosti. 1.3.2
Rameno valivého odporu
1. Z dvojic hodnot odporová síla – hmotnost naměřených podle předchozího odstavce určete hodnoty ramene valivého odporu ξ. 2. Liší se jednotlivé hodnoty ξ výrazně? 3. Vypočtěte průměrnou hodnotu ξ.
4
Laboratorní práce č. 3 1.4
Měření ve strojírenství
Z technických důvodů – nemáme tolik měřidel od každého typu – budete měřit zadané úlohy po dvojicích a postupně se u nich střídat. Úloha č. 3 je na cca 10 sekund, proto se u ní postupně vystřídáte po jednom. Měřidlo, se kterým pracujete jako poslední, nakonzervujete.
Úkoly: 1. Seřaďte zadané válečky číselníkovým úchylkoměrem ve stojánku (a) podle výšky (b) podle průměru. Číselníkový úchylkoměr je srovnávací měřidlo – neměří délku, ale rozdíl oproti nastavitelné základní hodnotě.
2. Změřte výstřednost vnějšího a vnitřního průměru posuvkou (přes váleček). Nakreslete obrázek. Výstřednost je vzdálenost os vnějšího a vnitřního průměru.
3. Vytřiďte válečky tolerančním kalibrem. Jinými slovy, rozhodněte, který splňuje rozměry dané kalibrem, který je větší a který menší.
4. Změřte menší průměr válečků mikrometrem. Jeden váleček si vyberete a u něj provedete 10 měření. Vypočtěte průměrnou hodnotu a chybu měření. 5. Změřte menší průměr válečků posuvkou. Porovnejte s hodnotami a přesností z předchozího úkolu. 6. Změřte průměr drátů posuvkou s přesností 0,02 mm. U jednoho drátu proveďte 5 měření a vypočtěte průměrnou hodnotu a chybu měření. 7. Změřte průměr drátů drátovým mikrometrem. U jednoho drátu proveďte 10 měření a vypočtěte průměrnou hodnotu a chybu měření. 8. Ověřte přesnost měření posuvkou pomocí základních měrek. Změřte míru sestavenou z měrek mezi rameny posuvky co nejvýš a co nejníž. Porovnejte získané hodnoty.
5
2
Laboratorní práce III. ročník
6
Laboratorní práce č.1 2.1 2.1.1
Paprsková optika Zrcadla
1. Pozorujte vlastnosti rovinných zrcadel. Sestavte koutový odražeč. 2. Sestavte zrcadlo z desky, eurofólie. Vysvětlete, jak funguje. 3. Pozorujte vlastnosti a určete ohniskovou vzdálenost dutého a vypuklého zrcadla. (Máme pouze jedno, musíte se vystřídat.) 2.1.2
Spojka klasická
1. Určete ohniskovou vzdálenost spojky promítnutím rovnoběžných paprsků (například z okna) na zeď. Proveďte alespoň 5 měření a určete průměrnou hodnotu. 2. Určete ohniskovou vzdálenost spojky přímou metodou: ze zobrazovací rovnice čočky plyne pro ohniskovou vzdálenost (odvoďte si sami!): f=
aa0 , a + a0
kde a je vzdálenost předmětu od optického středu čočky, a0 je vzdálenost obrazu od optického středu čočky. Proveďte alespoň 5 měření a určete průměrnou hodnotu. 3. Určete ohniskovou vzdálenost spojky Besselovou [beselovou] metodou: na stínítku (na zdi) zaostřete obraz plamene svíčky postupně ve dvou různých vzdálenostech čočky od stínítka. Označme vzdálenost svíčky a stínítka l, vzdálenost obou poloh čočky d. Potom pro ohniskovou vzdálenost f čočky platí: f=
l2 − d2 . 4l
Proveďte alespoň 5 měření a určete průměrnou hodnotu. 4. Porovnejte výsledky získané v odstavcích 1, 2 a 3 a vyslovte závěr.
2.1.3
Rozptylka
Určete ohniskovou vzdálenost rozptylky. 7
2.1.4
Spojka Fresnelova
1. Jaká je konstrukce Fresnelovy [frenelovy] čočky? 2. Určete ohniskovou vzdálenost Fresnelovy čočky stejnými metodami jako u klasické spojky (kolik stihnete) viz kapitola 2.1.2. Porovnejte výsledky a vyslovte závěr. 2.1.5
Ostatní
1. Pozorujte vlastnosti optických přístrojů — dalekohledy, fotoaparáty.
8
Laboratorní práce č. 2 2.2
Vlnová optika
Většina pomůcek není k dispozici pro všechny skupiny. Častou jsou pouze jednou, takže se u nich musíte vystřídat. 2.2.1
Zákon odrazu a lomu
1. Změřte úhel odrazu pro úhly dopadu 10◦ – 80◦ , vždy po 10◦ . Získané výsledky shrňte do tabulky a zhodnoťte. 2. S pomocí plastového půlválce změřte úhel lomu pro úhly 10◦ – 80◦ , vždy po 10◦ . Získané výsledky shrňte do tabulky. Určete index lomu materiálu půlválce. 3. Určete mezní úhel pro rozhraní půlválec-vzduch a z něj opět index lomu materiálu půlválce. Porovnejte s hodnotou získanou v bodě 2. 2.2.2
Difrakce (ohyb světla)
1. Pozorujte a zakreslete ohyb laserového paprsku na hraně žiletky, lidském vlasu a sítotiskové tkanině. 2. S pomocí vzorce: d=
λL x
(1)
určete tloušťku Vašeho vlasu d. Přitom λ je vlnová délka světla použitého laseru (obvykle červené světlo 650 nm); L je (kolmá) vzdálenost od vlasu ke stínítku; x je vzdálenost od středu centrálního maxima do středu prvního minima. Vzdálenost x měřte pomocí papírového pravítka. Při použití plastového hrozí poškození oka odrazem laserového svazku. Proveďte alespoň 5 měření a určete průměrnou hodnotu. 3. Určete mřížkovou konstantu b optické mřížky. Pro optickou mřížku tvořenou průhlednými a neprůhlednými čarami platí přibližně vzorec: b sin α = kλ,
9
(2)
kde b je tzv. mřížková konstanta – vzdálenost dvou sousedních průhledných čar, λ je vlnová délka použitého světla a k tzv. řád maxima, viz obrázek 1. Proveďte alespoň 5 měření a výpočtů b a ze získaných hodnot určete průměrnou hodnotu b. Proč zde a v příštím odstavci nemůžete průměrovat přímo naměřené hodnoty?
Obrázek 1: Schéma rozmístění difrakčních maxim na stínítku
4. Určete vzdálenost dvou sousedních drážek na CD a DVD. CD a DVD se chovají jako soustava odrazivých a neodrazivých ploch – optická mřížka na odraz. Můžete použít stejný vzorec (2) jako pro optickou mřížku na průchod. Mřížková konstatna je vlastně vzdálenost dvou sousedních drážek. Opět proveďte alespoň 5 měření a výpočtů b a ze získaných hodnot určete průměrnou hodnotu b pro CD i DVD. 2.2.3
Polarizace světla
1. Pozorujte a popište, jak funguje polarizační filtr např. na brýlích pro rybáře. Odhadněte úhel odrazu, při kterém odraz na vodní hladině při pohledu polarizačním filtrem zcela vymizí (filtr je také potřeba správně natočit). Nakreslete obrázek. 2. Pozorujte a popište napětí v namáhaném tělese (stlačovaný kvádřík, pravítko, obal od CD, izolepa a pod.) pomocí fotoelasticimetrie. Nakreslete obrázky.
10
Laboratorní práce č.3 2.3 2.3.1
Tepelná kapacita Tepelná kapacita kalorimetru
Určete tepelnou kapacitu kalorimetru. 1. Za počáteční teplotu kalorimetru berte teplotu vzduchu v místnosti. 2. Do kalorimetru nalejte cca 150 – 200g teplé vody – její teplotu změřte předem. 3. Změřte teplotu vody v kalorimetru po jejím ustálení. 4. Z kalorimetrické rovnice Qodebrané
vodě
= Qpřijaté
(3)
kalorimetrem
určete tepelnou kapacitu kalorimetru. 5. Pomocí studené vody kalorimetr vychlaďte a postup zopakujte. (Za počáteční teplotu kalorimetru budete tentokrát brát teplotu vody v něm před vylitím.) Celkem proveďte tři měření a určete průměrnou hodnotu. 2.3.2
Měrná tepelná kapacita tělesa
Určete měrnou tepelnou kapacitu daného tělesa. 1. Za počáteční teplotu kalorimetru berte teplotu vzduchu v místnosti. 2. Do kalorimetru nalejte cca 100 g horké vody (její teplotu změřte opět předem) a přidejte těleso. 3. Změřte teplotu vody v kalorimetru po jejím ustálení. 4. Z kalorimetrické rovnice Qodebrané
vodě
= Qpřijaté
kalorimetrem
+ Qpřijaté
tělesem
(4)
určete měrnou tepelnou kapacitu tělesa. 5. Pomocí studené vody kalorimetr vychlaďte a postup zopakujte. Celkem proveďte tři měření a určete průměrnou hodnotu. 6. Změřte rozměry tělesa, vypočtěte jeho hustotu. Pomocí tabulek odhadněte materiál tělesa a porovnejte nalezenou měrnou tepelnou kapacitu s údajem v tabulkách. 11
2.3.3
Měrné skupenské teplo tání ledu
Postup: 1. Předpokládáme, že kalorimetr má stejnou teplotu, jakou má vzduch v místnosti. 2. Do kalorimetru dáme ledovou tříšť o známé hmotnosti. Teplotu ledu předpokládáme 0◦ C, můžeme ověřit digitálním teploměrem. Přilejeme vodu o známé hmotnosti a teplotě. Mícháme do rozpuštění, zjistíme výslednou teplotu vody v kalorimetru. Během měření neodklápíme zbytečně víko kalorimetru. 3. Sestavíme kalorimetrickou rovnici a vypočítáme měrné skupenské teplo tání ledu (a) bez započtením vlivu kalorimetru (b) se započtením vlivu kalorimetru Který z obou výsledků je bližší tabulkové hodnotě? Odpověď se pokuste okomentovat. 2.3.4
Měrné skupenské teplo varu vody
1. Zvážíme prázdnou konvici. 2. Zvážíme konvici s vodou. 3. Změříme teplotu vody v konvici, minutu zahříváme v otevřené konvici a opět změříme teplotu. 4. Určíme množství tepla přijatého vodou v otevřené konvici za 1 minutu s pomocí vztahu Q60 = mv cv ∆t. (5) 5. Přivedeme vodu v konvici k varu. 6. Necháme vodu v otevřené konvici vřít 15 sekund, zvážíme na začátku a na konci co nejpřesněji (použijeme digitální váhu s podnosem). 7. Ze vztahu pro měrné skupenské teplo a z úbytku hmotnosti vypočítáme měrné skupenské teplo varu lv : Q60 /4 = Q15 = ∆mv lt .
12
(6)
Laboratorní práce č.4 2.4
Přibližné stanovení průměru molekuly kyseliny olejové
Viz samostatné listy.
2.5
Vlastnosti látek
1. Do 1. sklenice si připravte hodně studenou vodu a obarvěte ji několika zrnky hypermanganu. 2. Polovinu 2. sklenice naplňte čistou horkou vodou. 3. Do injekční stříkačky nasajte obarvenou studenou vodu a pomalu ji vstřikujte ke dnu 2. sklenice. 4. Popište pozorovaný jev. Kde se s tímto jevem setkáme v praxi? 2.5.1
Kondenzace vodních par
Postup: 1. Sklenici naplňte horkou vodou asi 2 cm pod horní okraj. 2. Nahoru položte sítko (nebo nějaký předmět, který udrží kostky ledu a umožní, aby skrz něj pronikaly vodní páry). 3. Na povrch sítka položte kostky ledu. Měla by se postupně vytvořit jemná mlha. 4. Pokus opakujte s tím rozdílem, že pod sítko vložíte papír nebo lepenku a zapálíte. Efekt by se měl zvýraznit (proč?). 5. Popište a vysvětlete pozorovaný jev. 2.5.2
Roztažnost vzduchu
1. Na skleněnou láhev navlékneme nafukovací balónek. 2. Láhev opatrně ponoříme do varné konvice s horkou vodou. 3. Po chvíli vyndáme láhev z vody.
13
4. Popište, co se dělo a vysvětlete. 5. Sundáme balónek a láhev opatrně opět ponoříme do varné konvice s horkou vodou. 6. Vyndáme ji a navlékneme balónek. 7. Opět popište, co se dělo a vysvětlete. Dal by se nějak změřit tlak plynu uvnitř lahve? 2.5.3
Var vody za sníženého tlaku
1. Nabereme alespoň 45◦ C teplou vodu do cca 1/3 stříkačky. 2. Ucpeme (tepelně izolovaným) palcem násosku stříkačky a pořádně zatáhneme. Voda by se měla začít vařit. 2.5.4
Desublimace CO2
1. Do sifonové hlavy vložte bombičku a na spodní konec hlavy přivažte prázdný velký sáček. Zvažte dohromady tuto soustavu těles. 2. Zvolna vypusťte CO2 – měly by se objevit krystaly pevného CO2 o teplotě –79◦ C, které se brzy opět odpaří. 3. Zvažte znovu celou soustavu těles. Možná zjistíte změnu hmotnosti – pokuste se ji vysvětlit. 4. Z objemu plynu v sáčku a z rozměrů bombičky se pokuste odhadnout počáteční tlak v bombičce. Předpokládejte tloušťku stěny bombičky 1 mm.
3
Všeobecné pokyny
3.1 3.1.1
Pokyny k protokolům Osnova protokolu
Protokol bude obsahovat: 1. Záhlaví, ve kterém bude uvedeno: Název laboratorní práce, jména studentů, kteří jej vypracovali, třída a datum měření.
14
2. Seznam pracovních pomůcek; podle situace buď jednotlivě pro každý úkol nebo dohromady pro celou práci. 3. Popis postupu práce, obrázky, schémata použitých zapojení. 4. Naměřené a vypočtené hodnoty, nákresy a případně závěry – vámi provedené zhodnocení. 5. Na konci budou výsledky shrnuty do celkového závěru. Protokol o laboratorní práci můžete vypracovat ve škole nebo doma. Vzhledem k tomu, že protokol můžete vypracovat nebo dokončit doma, bez časové tísně, očekává se vysoká kvalita úpravy a minimum pravopisných chyb. 3.1.2
Hodnocení protokolu
Na hodnocení protokolu má zásadní vliv: 1. Rozsah a úplnost. 2. Věcná správnost, tj. shoda protokolu s naměřenými hodnotami. 3. Původnost naměřených hodnot a výpočtů. Nevadí, že jste naměřili hodnoty např. o 30% jiné,1 než by měly být, ale velmi vadí, pokud svoje hodnoty od někoho opíšete. Protokoly, které jsou příliš stejné, jsou hodnoceny nedostatečně (oba). 4. Na konci měření si nechte podepsat od vyučujícího papíry s naměřenými hodnotami; tyto papíry budou tvořit přílohu protokolu. Na hodnocení protokolu má podstatný vliv: 1. Grafická úprava. 2. Úhlednost. 3. Míra gramatických chyb. Do hodnocení se promítne i hodnocení práce v hodině. Protokoly musí být odevzdané do týdne od měření. 1
Například v případě měření zesilovacího činitele tranzistoru jsou naměřené hodnoty i 5x menší, než říká teorie.
15
3.1.3
Tvorba grafů
Grafy sestrojíte buď v Excelu, nebo s pomocí pravítka, ale ne nutně s půlmilimetrovou přesností. Zvolte si vhodné měřítko, nezapomeňte na popis os včetně jednotek. Do grafu vyneste jednotlivé naměřené body, kterými pak proložíte křivku. Proložíte znamená, že křivka bude „hladkáÿ a „pěknáÿ i za tu cenu, že nebude procházet přesně všemi body, ale bude některé (podle situace) těsně míjet. V případě potřeby se poraďte s vyučujícím.
3.2
Odhad chyb fyzikálních měření
Viz samostatné listy.
16
Obsah 1 Laboratorní práce I. ročník 1.1 Měření rychlosti a zrychlení . . . . 1.2 Měření součinitele smykového tření 1.3 Valivý odpor . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Odporová síla . . . . . . . . 1.3.2 Rameno valivého odporu . . 1.4 Měření ve strojírenství . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
1 2 3 4 4 4 5
2 Laboratorní práce III. ročník 2.1 Paprsková optika . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Zrcadla . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Spojka klasická . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Rozptylka . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Spojka Fresnelova . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Ostatní . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Vlnová optika . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Zákon odrazu a lomu . . . . . . . . . . 2.2.2 Difrakce (ohyb světla) . . . . . . . . . 2.2.3 Polarizace světla . . . . . . . . . . . . 2.3 Tepelná kapacita . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Tepelná kapacita kalorimetru . . . . . 2.3.2 Měrná tepelná kapacita tělesa . . . . . 2.3.3 Měrné skupenské teplo tání ledu . . . . 2.3.4 Měrné skupenské teplo varu vody . . . 2.4 Přibližné stanovení průměru molekuly kyseliny 2.5 Vlastnosti látek . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Kondenzace vodních par . . . . . . . . 2.5.2 Roztažnost vzduchu . . . . . . . . . . 2.5.3 Var vody za sníženého tlaku . . . . . . 2.5.4 Desublimace CO2 . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . olejové . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 7 7 7 7 8 8 9 9 9 10 11 11 11 12 12 13 13 13 13 14 14
3 Všeobecné pokyny 3.1 Pokyny k protokolům . . . . . . 3.1.1 Osnova protokolu . . . . 3.1.2 Hodnocení protokolu . . 3.1.3 Tvorba grafů . . . . . . 3.2 Odhad chyb fyzikálních měření
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
14 14 14 15 16 16
17
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
