Единая коллекция
Цифровых образовательных ресурсов

Ресурсы по физике заочной физико-математической школы Томского государственного университета

Демонстрационные эксперименты по физике

Найдено документов - 40
1. Адиабатическое расширение газа

Адиабатический процесс протекает в молекулярной системе при ее термодинамической изоляции, то есть молекулярная система не может обмениваться с окружающей средой теплом. Осуществить в реальности такую изоляцию невозможно. Но если процесс в молекулярной системе будет протекать очень быстро, а изоляция обладает низкой теплоемкостью и теплопроводностью, то такой процесс можно считать почти адиабатическим. Внутри бутылки имеется жидкость, смесь паров воды и спирта, воздух. Соединяем бутылку и насос вакуумным шлангом и накачиваем в бутылку воздух. Когда силы давления газовой смеси превысят силы трения и атмосферного давления, пробка будет выбита из бутылки. Работу по выбиванию пробки совершила газовая смесь. Так как процесс выбивания пробки очень быстр, то газовая смесь не смогла обменяться теплом с окружающей средой и, следовательно, совершила работу за счет своей внутренней энергии. Но, уменьшив свою внутреннюю энергию, смесь охладилась, тогда часть молекул паров спирта и воды сконденсировалась, и в бутылке появился туман.


3. Второй закон внешнего фотоэффекта

"Сила фототока (количество выбитых из пластины электронов) пропорциональна интенсивности светового потока". Другими словами, чем ярче падающий свет, тем больше электронов выбивается из цинкового диска. Цинковый диск закреплен на стержне электроскопа. Между электроскопом и горящей дуговой лампой находится закрытая ирисовая диафрагма. Наэлектризуем при помощи стеклянной палочки цинковый диск так, чтобы на нем был отрицательный заряд. Открываем в ирисовой диафрагме небольшое отверстие и наблюдаем медленное уменьшение угла отклонения стрелки электроскопа - фотоэффект есть, но он протекает с малым значением фототока. Открываем ирисовую диафрагму на предельную величину отверстия. Угол отклонения стрелки электроскопа резко (быстро) падает до нуля. Большая интенсивность светового потока - большой фототок.


4. Гистерезис ферромагнетика и температура Кюри

Ферромагнетики, помещенные во внешнее магнитное поле, так же как и парамагнетики, увеличивают внутри себя это поле, но только в десятки тысяч раз. Это объясняется их специфическим внутренним строением. Ферромагнетики имеют так называемую доменную структуру. В силу своего строения они обладают рядом свойств, которые сильно отличают их от парамагнетиков. К таким свойствам относится гистерезис. Намагниченность парамагнетиков линейно зависит от величины внешнего магнитного поля, а у ферромагнетиков эта зависимость нелинейная. В переменном внешнем магнитном поле такая нелинейная зависимость будет выглядеть в виде петли, которая называется петлей гистерезиса. На горизонтальную развертку осциллографа подаем сигнал, пропорциональный индукции внешнего переменного магнитного поля, а на вертикальную - сигнал, пропорциональный внутреннему магнитному полю в ферромагнетике. При некоторой температуре домены ферромагнетика могут разрушиться, и ферромагнетик перейдет в парамагнитное состояние. Такая температура называется температурой Кюри. Подвесим никелевую пластину на нити вблизи ферромагнитного стержня электромагнита. Пластинка намагнитится и притянется к стержню. Будем нагревать пластину спиртовым факелом. По мере прогревания домены разрушаются. Пластина размагничивается. Угол отклонения нити от вертикали уменьшается. При переходе через температуру Кюри пластинка становится практически не намагниченной. Уберем факел. При остывании пластинка вновь приобрела свойства ферромагнетика, намагнитилась и притянулась к стержню электромагнита.


5. Давление внутри мыльного пузыря

Окунаем одну из воронок тройника в мыльный раствор и через шланг выдуваем мыльный пузырь. Пузырь имеет форму сферы, так как ее площадь наименьшая среди всех других геометрических фигур равного объема. Оставив шланг открытым, наблюдаем уменьшение объема пузыря. Это говорит о том, что под искривленной поверхностью пузыря давление повышенное (больше атмосферного). Окунаем попеременно обе воронки в мыльный раствор и выдуваем два разных по размерам пузыря, после чего шланг пережимаем. Наблюдаем за тем, как пузырь малого радиуса уменьшается, а большой увеличивается. Это объясняется тем, что под сферической мыльной пленкой давление P=2a/R, где a - коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора, R - радиус пузыря. Следовательно, в пузыре с большим радиусом давление меньше, чем в пузыре с меньшим радиусом, и воздух из маленького пузыря перетекает в большой.


6. Движение заряженной частицы в магнитном поле

В чашке Петри по внутреннему периметру краев размещаем большой кольцевой электрод, а в центре помещаем магнит, охваченный малым кольцевым электродом. Затем в чашку наливаем электролит и устанавливаем ее на кодоскоп. Электроды через переключатель соединяем с источником постоянного тока. Объективом кодоскопа формируем на экране наблюдения резкое изображение поверхности электролита. На поверхность электролита насыпаем древесные опилки. При замыкании переключателя между электродами в радиальных направлениях начнет протекать ток. На движущиеся во внешнем магнитном поле электрические заряды начнет действовать сила, которую называют магнитной составляющей силы Лоренца и которую можно рассчитать по формуле Fm=q*v*B*Sin(a), где q - движущийся электрический заряд, v - скорость движения заряда q, В - индукция магнитного поля, a - угол между направлением вектора скорости и вектора магнитной индукции. Направление силы определяется правилом левой руки. В нашем случае поле магнита вертикальное, что соответствует a = 90 и, следовательно, Sin(a) = 1. Тогда под действием магнитной силы Fm ионы электролита придут в круговое движение, что хорошо видно на экране. Изменив направление тока в электролите, получим вращение жидкости в обратном направлении.


7. Диа- и парамагнетики

Все вещества во внешнем магнитном поле намагничиваются, изменяют внутри себя магнитное поле и ориентируются во внешнем поле. Диамагнетики уменьшают внутри себя магнитное поле и ориентируются перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля. Висмутовый стержень подвесим на нити между полюсами электромагнита. Ориентируем стержень вдоль силовых линий магнитного поля. Магнит через ключ соединяем с источником постоянного тока. При замыкании ключа возникает магнитное поле в зазоре между полюсами электромагнита, и висмутовый стержень поворачивается на 90 , устанавливаясь перпендикулярно силовым линиям поля. Парамагнетики увеличивают внутри себя магнитное поле и ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. Пластинку хрома подвесим на нити между полюсами электромагнита так, что она располагается поперек магнитного поля. При замыкании ключа пластинка ориентируется вдоль силовых линий поля (поворачивается на 90 ) и втягивается в область более сильного поля (притягивается к ближайшему полюсу магнита).


8. Дисперсионные спектры призм

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления среды от частоты (или длины волны) падающего света. Ньютон пропустил белый свет сквозь призму и получил на выходе многоцветный спектр. Оптическая скамья формирует на экране наблюдения резкое изображение щели-диафрагмы, освещаемой дуговой лампой белого света. В сформированный дуговой поток помещают призмы из различного материала и наблюдают дисперсионные спектры призм. "Водяная призма" (n = 1,33) с преломляющим углом 60? отклоняет узкий спектр на угол 20? от первоначального направления светового пучка. Призмы из легкого стекла-крона (n = 1,5) с преломляющим углом 60? разлагают белый свет в спектр, который отклоняют примерно на 30? от первоначального направления. При этом ширина спектра от стеклянной призмы примерно в 1,5 раза больше спектра от "водяной призмы". Призма с преломляющим углом в 60?, выполненная из тяжелого стекла - флинта (n = 1,75), отклоняет спектр почти на 45? от первоначального направления светового пучка, а ширина спектра увеличивается примерно в пять раз. Призма из кварцевого стекла (n = 1,46) отклоняет спектр примерно так же, как и призма из кроны, но ее спектр имеет более широкую сине-фиолетовую часть спектра.


9. Дифракционные решетки

Система одинаковых, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу и на равных расстояниях щелей называется дифракционной решеткой. Оптическая скамья формирует на экране резкое изображение диафрагмы-щели, освещенной дуговой лампой. На пути этого светового потока помещаем дифракционную решетку. Теперь на экране наблюдаем размытое изображение диафрагмы-щели и многоцветные полосы (максимумы дифракционной картины), разделенные темными промежутками (минимумы дифракционной картины) и расположенные с обеих сторон от изображения щели. Размытое изображение диафрагмы-щели имеет белый цвет - это центральный или нулевой максимум. Цветные полосы - это дифракционные максимумы разных порядков. У решеток с разными периодами дифракционные спектры имеют разную ширину. Чем больше период, тем уже спектр. В спектральных приборах используются решетки с большим числом щелей на единицу длины решетки (до 3000 тысяч щелей на 1 мм).


10. Дифракция света на щели

Когда световая волна встречает на своем пути резкие неоднородности (например, край непрозрачного объекта, щель в непрозрачном экране и т.д.), то она в своем поведении перестает подчиняться законам геометрической оптики. Такие эффекты называются дифракционными эффектами, или просто дифракцией. Лазерный источник формирует на экране наблюдения световое пятно. Поместим на пути светового пучка щель. На экране теперь наблюдается система световых пятен. Говорят, свет дифрагирует на щели, и на экране наблюдаются дифракционные спектры (максимумы), разделенные темными промежутками (минимумами). При увеличении ширины щели дифракционная картина уменьшается. Ее максимумы и минимумы сближаются и смещаются к центральному максимуму. При уменьшении ширины щели дифракционная картина увеличивается. Максимумы и минимумы разбегаются. Центральный максимум занимает практически всю видимую часть дифракционной картины.


11. Доска Гальтона

Доска Гальтона представляет собой ящик, на задней стенке которого укреплены: вверху две наклонные планки, образующие воронку; в середине несколько рядов вбитых в стенку и расположенных в шахматном порядке гвоздей; внизу система одинаковых вертикальных ячеек. Передняя стенка ящика стеклянная. Бросим в воронку одну горошину и проследим за ее движением. Горошина, претерпев ряд столкновений с гвоздями, попадет в какую-то ячейку. Предсказать заранее, с какими гвоздями столкнется горошина и в какую ячейку попадет, невозможно. Это случайные процессы. Так будет происходить с любой другой горошиной. Будем сыпать в воронку горох непрерывным потоком. Заранее можно быть уверенным в том, что в центральные ячейки попадет большее число горошин, чем в периферийные. Такое распределение горошин мы и наблюдаем в опыте. Результаты опыта можно обсудить следующим образом. Мы не знаем, как будет вести себя любая отдельная частица-горошина, но мы знаем, как будет себя вести большое множество частиц-горошин. Такой вывод и характеризует статистический подход к изучению молекулярных систем.


12. Закон Брюстера

Получить линейно поляризованную световую волну можно и методом отражения естественного света от диэлектрической плоскости. Естественный свет падает на пирамиду и отражается в виде четырех пятен - "зеркальных зайчиков". Грани пирамиды установлены к падающему свету под углами Брюстера, следовательно, отраженные световые пучки линейно поляризованы. Поляризация пучков такая, что вектор напряженности электрического поля в них параллелен граням. Таким образом, "зайчики" от соседних граней поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это легко проверить, если ввести между источником света и пирамидой поляроид. Поворачивая поляроид вокруг светового пучка, отмечаем, что когда флажок параллелен плоскости грани, от нее свет отражается максимально ярко, когда перпендикулярен - "зайчик" пропадает (его интенсивность равна нулю). Это находится в полном соответствии с законом Малюса.


17. Камера Вильсона

Камера Вильсона представляет собой цилиндр с прозрачными торцами. Внутрь цилиндра введен источник ионизированных частиц. Для удаления ионов газа, которые образуются в результате столкновений с ионизирующими частицами, стеклянные окна покрыты изнутри токопроводящей пленкой, на которую подается высокое напряжение от высоковольтного источника. Действие камеры основано на конденсации пересыщенных паров этилового спирта на ионах, которые образуются при столкновении молекул газа с ионизирующими частицами. Для создания пересыщенных паров спирта внутри камеры поступаем так: набираем немного спирта в грушу и ополаскиваем ее изнутри. Затем спирт сливаем, а грушу при помощи резиновой трубки соединяем с камерой Вильсона. Камеру помещаем на кодоскоп и проецируем на экран. Несколько раз медленно сжимаем и отпускаем грушу, создавая в камере состояние пересыщенных паров спирта. Затем сильно сжимаем грушу и после некоторой задержки резко отпускаем. На экране видны треки частиц в виде туманных следов конденсированных молекул спирта.


20. Контур с током во внешнем магнитном поле

Рамку помещаем между полюсами U-образного магнита и через переключатель подсоединяем к аккумулятору. При замыкании переключателя по рамке начинает протекать ток и на все стороны рамки действует сила Ампера. Действие этих сил таково, что на рамку в результате действует вращающий момент M = I*S*B*Sin(a), где I - сила тока в рамке, S - площадь рамки, В - магнитная индукция поля, a - угол между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали к плоскости рамки. Под действием момента М рамка поворачивается и устанавливается в магнитном поле так, что ее плоскость перпендикулярна силовым линиям поля. Если изменить направление тока в рамке или направление магнитного поля, то рамка переориентируется на 180 , но остановится в своем движении, когда ее плоскость будет вновь перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.


Всего документов: 40

Показывать ресурсов на странице 

Упорядочить по 


Поддержка ресурса