Школьный физический практикум в УНЦ

В лаборатории физического практикума УНЦ школьники имеют возможность самостоятельно воспроизвести основные физические явления, знакомятся с различными методиками измерений, приобретают навыки работы с измерительными приборами, учатся обрабатывать результаты измерений.

 

Практические работы

На основе имеющегося оборудования и разработанных методик осуществлена постановка ряда практических работ по базисным разделам курса физики:

1. Практические работы по разделу “Механика”
  1. Изучение прямолинейного движения тел в поле тяжести на машине Атвуда.
  2. Измерение скорости полета пули методом баллистического маятника.
  3. Изучение гармонических колебаний пружинного и математического маятников.
  4. Изучение колебаний маятника Максвелла.
  5. Изучение колебаний физического маятника.
  6. Определение к.п.д. наклонной плоскости.
  7. Измерение ускорения свободного падения с помощью математического маятника.
  8. Измерение ускорения свободного падения на машине Атвуда.
  9. Изучение законов вращательного движения на маятнике Обербека.
  10. Определение моментов инерции тел методом крутильных колебаний. 
2. Практические работы по разделу “Молекулярная физика и термодинамика” 
  1. Измерение атмосферного давления гидростатическим методом.
  2. Опытная проверка уравнения состояния газа.
  3. Измерение удельной теплоты плавления льда.
  4. Измерение коэффициента поверхностного натяжения неизвестной жидкости. 
3. Практические работы по разделу “Электричество” 
  1. Измерение токов и напряжений в электрической цепи. Опытная проверка закона Ома.
  2. Измерение э.д.с. и внутреннего сопротивления источника тока.
  3. Измерение температуры нити накаливания электролампочки.
  4. Изучение в/a характеристики полупроводникового диода.
  5. Изучение цепей переменного тока с помощью осциллографа. 
4. Практические работы по разделу “Оптика” 
  1. Изучение законов отражения и преломления света. Явление полного отражения.
  2. Определение фокусных расстояний собирающей и рассеивающей линз.
  3. Измерение длины волны света в интерференционном опыте с бипризмой Френеля.
  4. Изучение дифракции света на щели.
  5. Изучение дифракции света на дифракционной решетке.
  6. Исследование поляризованного света.

 

Физические демонстрации

Указанные ниже опыты способствуют развитию физического мышления школьников и закладывают основы для научного мировоззрения:

  1. Опыты, в основе которых лежит проявление сил поверхностного натяжения жидкости (“плавающее решето”, взаимодействие стеклянных пластин и др.). Видеодемонстрации: плывущее лезвие (9Мб), решето (21Мб).
  2. Тепловой автогенератор звуковых колебаний. Демонстрация структуры водяной струи в условиях стробоскопического освещения.
  3. Демонстрация явления полного отражения в эксперименте “Черный шар”.  Видеодемонстрация (15Мб).
  4. Демонстрация эксперимента “Вращение электролита в магнитном поле”. Видеодемонстрация (14Мб).
  5. Опыты с использованием вакуумной установки (демонстрация проявления сил атмосферного давления, кипение холодной воды и др.).
  6. Опыты по демонстрации особенностей преломления света в средах. Видеодемонстрация (25Мб).
  7. Опыты по изучению процесса дуффузии воздуха через стенки мыльного пузыря.
  8. Демонстрация явления потери плавучести тела (“Aнтиархимедово устройство”). Видеодемонстрация (11Мб).
  9. Опыт по модуляции стоячей волны на металлической струне в поле постоянного магнита. Видеодемонстрация (14Мб).
  10. Опыты по наблюдению интерференции света на тонких пленках.
  11. Опыты по наблюдению дифракции света на капельках тумана в колбе.
  12. Демонстрация явления резонанса с использованием звуковой трубы.
  13. Изучение движения мыльных корабликов. Видеодемонстрация (7Мб).

 

Физические проекты

Особенностью рассматриваемых проектов является то обстоятельство, что все они основаны на реальных и наблюдаемых явлениях из окружающего нас мира. Предполагается, что базовый уровень знаний участников проекта соответствует программе 10-11 класса.
 
Изучение обсуждающихся ниже физических явлений не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При наличии определенной доли упорства и трудолюбия все они могут быть воспроизведены на базе оборудования обычного школьного кабинета физики. Вместе с тем, каждый из проектов далеко не исчерпывает круг рассматриваемых явлений. Например, в рамках проекта “Жизнь мыльного пузыря” представляет интерес исследование трехпузырьковой системы, объединяющей три мыльных пузыря, соединенных воедино посредством коротких трубочек. Каков характер динамики указанной системы? Можно ли выявить какие-либо закономерности процесса, и их зависимость от параметров пузырей? Решение этой конкретной задачи, в отличие от двухпузырьковой системы, представляется далеко не очевидным.
 
Приведенные ниже примеры исследовательской деятельности учащихся могут рассматриваться лишь в качестве некоторого ориентира. На самом деле круг возможных задач много шире.
 
Проект “Жизнь мыльного пузыря”

О пузырях, в том числе мыльных, написано немало. И только на первый взгляд обычный мыльный пузырь представляется весьма незамысловатым объектом.

Например, можно сформулировать такую задачу: если выдуть пузырь через соломинку или тонкую трубочку, то, как показывает опыт, спустя некоторое время пузырь сдуется, поскольку давление воздуха внутри пузыря превышает наружное давление. Как зависит время сдувания пузыря от геометрических размеров трубки, а также от параметров самого пузыря, именно, от его радиуса и свойств мыльной пленки? Чтобы ответить на поставленные вопросы, необходимо сформулировать физическую модель явления, и на ее основе получить теоретическую оценку времени сдувания. Уровень согласия результатов расчета с опытными данными позволяет сделать вывод об адекватности используемой модели. Строгое решение данной задачи достаточно трудоемко. Однако для оценочных расчетов можно поступить проще, а именно, применить метод размерностей. Наиболее просто решение получается в случае, если длиной трубочки, через которую выходит воздух, можно пренебречь. Вместе с тем, как показали опыты, указанную длину не удается сделать менее 1-1,5 см. Решение данной проблемы было получено следующим способом: выдутый через трубочку пузырь подцепливался на проволочную петлю в виде кольца заданного радиуса, после чего трубочка осторожно отсоединялась от пузыря. Затем пленка на кольце протыкалась сухой бумажной иглой, т.е. получался мыльной пузырь с отверстием. Одновременно с протыканием пузыря включался секундомер, и измерялось время его сдувания. Метод размерностей позволяет установить зависимость искомой величины от главных параметров модели: радиуса пузыря, радиуса отверстия (кольца), плотности воздуха, коэффициента поверхностного натяжения мыльной пленки.
 
Вторая задача, поставленная в рамках данного проекта, заключалась в изучении зависимости времени “жизни” мыльного пузыря (шире, мыльных пленок вообще), от влажности окружающего воздуха. Для изучения указанной зависимости была изготовлена труба из прозрачной полиэтиленовой пленки, в основании которой помещался цилиндрический сосуд с водой. Высота трубы составляла примерно 2 м, диаметр – около 30 см. Внутрь трубы опускался психрометр, что позволяло оценивать влажность воздуха на разных высотах, начиная от поверхности воды в сосуде. Затем внутрь трубы на нити опускалось кольцо с мыльной пленкой, и измерялось время существования пленки на заданной высоте с фиксированной влажностью.
 
Как показали наблюдения, с увеличением влажности воздуха время существования мыльной пленки возрастает. В этой связи интересны опыты по созданию долгоживущих мыльных пузырей в замкнутых сосудах со 100% влажностью. В отдельных случаях время существования пузыря превышало 5 суток!
 
Файлы:
 
Проект “Тепловой автогенератор звука”
 
Внимательный взгляд на реальные физические ситуации из окружающего нас мира позволяет сформулировать целый ряд интересных задач, на которые мы зачастую не обращаем должного внимания. Например, всем ли известно, что гудение пламени в печи относится к явлениям термической генерации звука (эффект Рийке)? Наиболее просто и удобно данный эффект наблюдать с помощью стеклянной трубки, внутрь которой помещается небольшой нагреватель, изготовленный в виде спирали из нихромовой проволоки. На спираль от автотрансформатора подается напряжение порядка 40 В (до красного каления). Трубка Рийке с помещенным вовнутрь нагревателем представляет собой пример автоколебательной системы с положительной обратной связью. Положение нагревателя внутри, при котором возникало громкое гудение, определялось экспериментально.
 
Как показали опыты, нагреватель нужно помещать на расстоянии, равном одной четверти длины трубы от ее нижнего конца. Заметим, что этот результат согласуется с выводами работы.
 
Была изучена также зависимость эффекта от длины трубы. Как показали наблюдения, вероятность возбуждения незатухающих колебаний существенно зависит от отношения длины трубы к ее диаметру. Например, для трубки диаметром 35 мм эффект исчезает при длине трубки менее 48 см. Оказалось, что оптимальная длина для возбуждения звуковых колебаний составляет 80-100 см. Для трубки диаметром 24 мм максимальная длина, при которой еще наблюдается устойчивое звучание, составляет примерно 200 см. Для трубки же диаметром 35 мм на такой длине колебания возбудить не удалось.
 
Для всего набора трубок с помощью осциллографа были измерены соответствующие частоты звука: они составили диапазон от 90 до 350 Гц.
 
Файлы:
Генератор (1,5 Мб)
 
Проект “Сонолюминесценция”
 
Суть явления сонолюминесценции заключается в следующем: маленький пузырек воздуха, помещенный в колбу с водой (объемом около 100 мл), подвергается ультразвуковому воздействию. Если правильно подобрать частоту и интенсивность звука, то при определенных условиях пузырек начинает излучать свет, хорошо видимый невооруженным глазом в слегка затемненной комнате.
 
Для изучения некоторых характеристик наблюдаемого явления была изготовлена соответствующая экспериментальная установка. В общих чертах принцип действия устройства следующий: ультразвуковое поле внутри колбы (резонатор), представляющее собой сферическую стоячую волну, формируется с помощью пьезокерамических преобразователей, укрепленных на внешней поверхности колбы. На преобразователи подается переменное напряжение от задающего генератора, которое усиливается с помощью широкополостного аудиоусилителя с выходной мощностью около 200 Вт. В нашем случае в качестве акустического резонатора использовалась сферическая колба диаметром 60 мм. Необходимый уровень накачки ультразвукового поля достигался с помощью катушки с переменной индуктивностью, которая включалась в цепь последовательно с резистором. Для данного резонатора измеренное значение резонансной частоты оказалось близким к 27 кГц.
 
Основная задача данного проекта заключалась в изучении явления, называемого ультразвуковой левитацией: при определенной интенсивности звукового поля воздушный пузырек зависает в акустическом центре резонатора. При этом пузырек пульсирует /4/  с частотой акустического поля.
 
Определенный интерес представляет изучение влияния температурного режима на характер ультразвуковой левитации пузырька. Методика изучения заключалась в следующем: на колбу с водой направлялась струя теплого воздуха от электрофена, и с помощью термопары, помещенной в колбу, измерялся рост температуры воды в режиме реального времени. На основе полученных данных строилась соответствующая градуировочная кривая. Затем термопара удалялась из объема, и опыты по возбуждению левитации повторялись в режиме обдува колбы теплым воздухом.
 
Файлы
 
Проект “Изотермическая атмосфера”
 
Проект представлен на летней школе-конференции «Современная физика-2008».
 
 

Руководитель школьного физического практикума УНЦ ОИЯИ

ЛОМАЧЕНКОВ Иван Алексеевич

Телефон: +7 (49621) 64504

E-mail: lomach@dubna.ru