- LABORATORIJSKE VAJE

Transcript

1 FIZIKA - LABORATORIJSKE VAJE - 3. letnik Ime in priimek: Razred: Šolsko leto: 2015/2016

2 1

3 Št. vaje Ocena Podpis Povprečna ocena: Končna ocena: Opombe: 2

4 1. OSVETLJENOST IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: FIZIKA - VAJE Naloga: Izmeri kako se spreminja osvetljenost ploskve glede na oddaljenost od svetila. Pripomočki: računalnik s programom LoggerPro, vmesnik Vernier, svetlobni senzor, žarnica, ravnilo. Osvetljenost ploskve izrazimo s svetlobnim tokom, ki pada na enoto površine osvetljene ploskve. Če na ploskvico S pada svetlobni tok P s, je gostota svetlobnega toka definirana s kvocientom: j s = P s S. Na oddaljenosti r od točkastega svetila, ki oddaja svetlobni tok P s enakomerno v vse smeri (izotropno), je gostota svetlobnega toka dana : j s = Navodilo: P s 4πr 2. Žarnico priključi na izmenični vir napetosti 12 V. Svetlobni senzor priključi na vmesnik, ki ga preko USB vhoda povežeš z računalnikom. Poženi program LoggerPro. V programu pripravi nastavitve v možnosti Data Collection. Pri načinu Mode izberi zajemanje meritev na povelje (Events With Entry). Določi Column Name: Oddaljenost, Short Name: r ter Units: cm. To pomeni, da bo računalnik preko vmesnika meril osvetljenost ploskve, ti pa boš vsakič vnesel pripadajočo oddaljenost od svetila. Z dvojnim klikom na območju grafa prikličemo okno v katerem lahko vpišemo naslov, s katerim želimo opremiti graf (Graph Options, Title). Če je potrebno, spremeni enote na oseh. Z možnostjo Analyze (Curve Fit) primerjaj tvojo krivuljo v grafu s teoretično inverzno kvadratno funkcijo. Z miško označi območje na grafu, ki ga želiš primerjati, pri General Equation izberi A/x^2 (Inverse square) ter klikni na gumba Try Fit ter OK. Meritve (datoteko) shrani in natisni. 3

5 Graf osvetljenosti v odvisnosti od razdalje: Komentar in ugotovitve: 4 Pregledal:

6 2. KARAKTERISTIKA DIODE IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: FIZIKA - VAJE Naloga: Izmeri karakteristiko germanijeve in silicijeve diode. Pripomočki: dve polprevodniški diodi (germanijeva in silicijeva), dva merilna instrumenta, vir enosmerne napetosti, povezovalne žice. Dioda je najstarejši polprevodniški element. Narejena je kot spoj p in n-tipa polprevodnika. Ima dva priključka, ki ju imenujemo anoda in katoda. Diodo si lahko predstavljamo kot ventil, ki prepušča tok samo v eno smer, zato lahko nanjo priključimo napetost v prevodni ali zaporni smeri. Za polprevodniško diodo Ohmov zakon ne velja! Zvezo med tokom in napetostjo približno daje enačba U I=I U t s e /. I s se imenuje reverzni tok nasičenja (tok v zaporni smeri) in ima velikostni red od do A. U t se imenuje temperaturna napetost in pri sobni temperaturi znaša okoli 0,025 V. Navodilo: Sestavi električni krog po zgornji skici. Za voltmeter uporabi digitalni merilni instrument, ker ima zelo veliko vhodno upornost, za merjenje tokov pa analogni merilni instrument. Pri voltmetru izberi obseg 20 V (DCV), na ampermetru pa 60 ma. Obsegov med merjenjem ne spreminjaj. Pri merjenju karakteristike začni z napetostjo 0 V in jo povišuj po majhnih korakih do največ 20 V (to napetost kaže vir napetosti, voltmeter bo pokazal pod 3 V), vsakič odčitaj napetost in tok skozi diodo. Rezultate meritev vpiši v tabelo in vnesi v graf odvisnosti toka skozi diodo v odvisnosti od napetosti na diodi. Nariši karakteristično krivuljo za obe diodi. U I Silicijeva dioda: U I Germanijeva dioda: 5

7 Graf I = I (U) za polprevodniški diodi. Pri silicijevi diodi je tok pod napetostjo praktično zanemarljiv; pod to napetostjo silicijeva dioda ne»deluje«(prag diode), pri germanijevi diodi pa je prag. Komentar in ugotovitve: Pregledal: 6

8 3. ZEMELJSKO MAGNETNO POLJE IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: FIZIKA - VAJE Naloga: Izmeri vodoravno komponento zemeljskega magnetnega polja. Pripomočki: tuljave, magnetna igla (kompas), vir enosmerne napetosti, ampermeter, povezovalne žice. N W S Skica 1 E Navodilo: Tuljavo, v katero si vstavil kompas (skica 1), orientiraj tako, da bo ß W 270 E 90 njena os v smeri vzhod zahod (magnetna igla mora biti pravokotna na os tuljave). Dokler skozi tuljavo ne teče električni tok, kaže magnetna igla točno proti severu. Ko vključiš električni tok skozi tuljavo, bo magnetna igla kazala v smeri rezultante zemeljskega 270 S magnetnega polja in polja tuljave. Ker sta polji med seboj pravokotni, lahko izračunamo B zemeljskega magnetnega polja (vodoravno komponento) iz enačbe: tan(β) = B tuljave B Zemlje, kjer je ß kot med smerjo vzhod-zahod in rezultanto obeh polj. Velja tudi: B tuljave = μ 0NI, l kjer je N število ovojev tuljave, I električni tok skozi tuljavo, l dolžina tuljave in µ 0 indukcijska konstanta, ki znaša Vs 7 μ 0 = 4π 10 Am. 340 N 0 30 Bodi pozoren: da bo magnetna igla vrtljiva (se ne bo zatikala), da tok skozi tuljavo ne bo presegel 1 A, da boš čim bolj oddaljen od drugih skupin, sicer bodo motnje magnetnega polja prevelike, da boš čim bolj oddaljen od večjih kosov železa, da boš ampermeter vezal zaporedno in da boš na začetku izbral največji obseg. W N S E A ŠMI-3 7

9 Opravi meritev pri treh različnih vrednostih kota ß in pri treh različnih tuljavah. T u l j a v a 1 I N l B tuljave ß B Zemlje T u l j a v a 2 I N l B tuljave ß B Zemlje T u l j a v a 3 I N l B tuljave ß B Zemlje Izračuni: 8

10 Komentar in ugotovitve: Pregledal: 9

11 10

12 4. NIHAJNI ČAS NIHALA FIZIKA - VAJE IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: Naloga: Izmeri in izračunaj nihajni čas težnega ter vzmetnega nihala. Pripomočki: uteži, vrvica, vzmet, štoparica, meter. Navodilo: a) Težno nihalo: Na stativ pričvrsti obeso za nihalo, na katerega nato obesi vrvico z utežjo. Izmeri čas 10 ali 20 nihajev in ga razdeli s številom nihajev ( merjenje nihajnega časa je tako natančnejše). Nihajni čas izračunaj tudi po enačbi: t 0 = 2π l g, kjer je l dolžina vrvice od obese do težišča uteži, g pa težni pospešek, ki znaša 9,8 m/s 2. Primerjaj izračunani nihajni čas z izmerjenim. Merjenje ponovi pri 5 različnih dolžinah vrvice. dolžina vrvice l čas 10 nihajev enaka masa izmerjeni t o1 izračunani t o2 enaka dolžina vrvice masa uteži čas 10 nihajev izmerjeni t o Kako je nihajni čas težnega nihala odvisen od mase? 11

13 b) Vzmetno nihalo: Na stativ obesimo vzmet, ki ji določimo koeficient prožnosti vzmeti k iz enačbe F k x. k = Izmeri čas 10 ali 20 nihajev in ga razdeli s številom nihajev ( merjenje nihajnega časa je tako natančnejše). Nihajni čas izračunaj tudi po enačbi: t 0 = 2π m k, kjer je m masa uteži in k prožnostni koeficient uporabljene vzmeti. Merjenje ponovi pri 5 različnih masah uteži. enaka masa masa uteži čas 10 nihajev izmerjeni t o1 izračunani t o2 amplituda čas 10 nihajev Izmerjeni t o Kako je nihajni čas nihala odvisen od amplitude nihanja? Izračuni: 12

14 Komentar in ugotovitve: Pregledal: 13

15 14

16 5. LOMNI KOLIČNIK SNOVI FIZIKA - VAJE IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: Naloga: Izmeri lomni količnik za dve telesi iz optične plastike. Pripomočki: dve telesi iz optične plastike, kotomer, papir, risalni pribor. Navodilo: Lomni zakon za prehod svetlobe iz vakuuma (v našem primeru zraka) v neko sredstvo zapišemo kot: sin (α) sin (β) = c 0 c = n, kjer je c o hitrost svetlobe v vakuumu (v prvem približku v zraku), c hitrost svetlobe v sredstvu, n pa lomni količnik sredstva. Le-tega boš izmeril na dva načina. V prvem primeru vzemi polkrožno prozorno telo, recimo mu kar telo, ga postavi na papir in ga z ostro ošiljenim svinčnikom očrtaj. Z ravne strani telesa (na Skici 1 z zgornje strani) nariši črto pod kotom 45 o glede na vpadno pravokotnico. Paziti moraš, da se črta dotakne ravne stranice telesa točno na sredini stranice. Nato viziraj z nasprotne strani (na skici s spodnje), s pomočjo trikotnika nariši»podaljšek«črte na nasprotno stran telesa in s kotomerom izmeri lomni kot ß. Postopek ponovi še za črti pod vpadnima kotoma 30 o in 60 o in tako dobiš Skico 2. Za vse tri žarke izračunaj lomni količnik. S k i c a 1 S k i c a 2 smer viziranja 15

17 Skica: Izračuni in rezultati: O O O n 16

18 V drugem primeru vzemi pravokotno telo iz enake optične plastike in postopke ponovi za kote 30 o, 45 o in 60 0 (Skica 3). Dobil boš izdelek, kot ga kaže Skica 4. A ß smer viziranja S k ic a 3 Skica 4 B C D Skica 5 S Skice 5 lahko izračunaš lomni količnik: n = sin(α) BD = BA CD sin(β) CA = BD CA BA CD, kjer je BD razdalja med točkama B in D itd. Izmerjene razdalje vnesi v spodnjo tabelo, izračunaj lomne količnike in jih primerjaj s tistimi iz zgornje tabele (ista optična plastika). Skica: 17

19 Izračuni in rezultati: BD BA CD CA n Komentar in ugotovitve: Pregledal: 18

20 Zvočni tlak j 6. ANALIZA ZVOKA FIZIKA - VAJE IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: Naloga: Posnemi in analiziraj zvok danih zvočil, samoglasnikov in glasov S ter Š. Pripomočki: računalnik s programom LoggerPro, vmesnik Vernier, glasbene vilice, piščali, mikrofon. Zvok je mehansko valovanje, ki se širi v dani snovi, največkrat zraku. V kapljevinah in plinih je zvok logitudinalno (vzdolžno) valovanje in ga lahko opredelimo s frekvenco in amplitudo zvočnega tlaka. Prva je povezana z višino tona, druga z glasnostjo. Slišno območje človeškega ušesa je približno 20 Hz Hz. Zvok z nižjimi frekvencami imenujemo infrazvok, z višjimi pa ultrazvok. Glede na to, koliko sinusnih sestavin (valovanj) sestavlja nek zvok, ločimo ton, zven in šum. Če zvok posnamemo z mikrofonom, lahko na računalniku opazujemo nihanje zračnega tlaka, ki ga ustvarja ta zvok fonogram. S fonograma lahko razberemo ali gre za pravilno sinusno nihanje (ton), periodično a nesinusno nihanje (zven) ali neperiodično nihanje (šum). Če želimo izvedeti katere frekvence so zajete v zvoku, pa to storimo z matematičnim postopkom, ki se imenuje Fourierjeva analiza (FFT). Na ta način dobimo frekvenčni spekter zvoka. Navodilo: Mikrofon priključi na vmesnik, ki ga preko USB vhoda povežeš z računalnikom. Zaženi program LoggerPro. Z mikrofonom zajemi zvok (gumb Collect). Na zaslonu dobiš krivuljo, ki prikazuje nihanje zraka - fonogram. Da dobiš graf, ki prikazuje, katere frekvence so zajete v zvoku (frekvenčni spekter), označi dobljeni fonogram in v meniju klikni Insert. Izberi Additional Graphs FFT Graph. a) Glasbene vilice: Na fonogramu odčitaj nihajni čas t 0 in izračunaj frekvenco glasbenih vilic. t 0 = ν = Nariši fonogram in frekvenčni spekter glasbenih vilic. t 1000 ν (Hz) 19

21 Zvočni tlak Zvočni tlak Zvočni tlak Zvočni tlak Zvočni tlak Zvočni tlak Zvočni tlak j Zvočni tlak j b) Orgelska piščal: Nariši fonogram in frekvenčni spekter orgelske piščali. t 1000 ν (Hz) c) Piščal na pero: Nariši fonogram in frekvenčni spekter piščali na pero. t 1000 ν (Hz) d) Samoglasniki: Nariši fonograme samoglasnikov A, E, I in O. A E I t O t t t e) Glasova S in Š: Nariši fonograma za glasova S in Š. S Š t t 20

22 f) Odgovori: 1. Kaj je značilno za ton? 2. Kaj je značilno za zven? 3. Kaj je značilno za šum? 4. Za kakšno vrsto zvoka gre pri glasbenih vilicah? 5. Za kakšno vrsto zvoka gre pri orgelski piščali? 6. Za kakšno vrsto zvoka gre pri piščalki na kovinsko pero? 7. Za kakšno vrsto zvoka gre pri glasu S in Š? 8. Kakšno razliko opaziš, če primerjaš fonograme svojih samoglasnikov in šumnikov? 9. * Poskusi razložiti zakaj je tako težko postati glasbeni virtuoz na instrumentalnem oziroma na vokalnem področju. Pregledal: 21

23 22

24 mrezica FIZIKA - VAJE 7. VALOVNA DOLŽINA VIDNE SVETLOBE IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: Naloga: Izmeri valovne dolžine spektra vidne svetlobe. Pripomočki: žarnica na podstavku, izvor izmenične napetosti 10 V, uklonska mrežica z držalom, ravnilo, 2 žična jahača. Navodilo: Po skici 2 sestavi pripomočke, pri tem naj bo razdalja x vsaj 40 cm. Ko gledaš skozi uklonsko mrežico proti svetleči žarnici, vidiš uklonsko sliko bele svetlobe. Ojačana smer reda N=0 je v smeri žarnice, višji redi pa so odmaknjeni za nek kot od neuklonjene smeri. Na ravnilu, ki je postavljeno pred žarnico, lahko odčitaš razmik med N=0 in N=1 (razdalja y) za izbrano barvo svetlobe, npr. rumeno. Razdaljo x meri med ravnilom in mrežico, za razdaljo y pri npr. rumeni svetlobi pa vzemi polovično razdaljo med rumeno svetlobo v smeri N=1 in rumeno svetlobo v smeri N=-1 (glej skico 1). Razdaljo y dobimo tako, da na vsako stran žarnice postavimo jahača na sredino izbrane svetlobe(n = 1 in N = -1). Razdalja y je potem polovična razdalja med obema jahačema. Valovno dolžino lahko izračunamo iz pogoja za interferenco: a sin (β) = N λ. Pri tem lahko v prvem približku (glej skico 1) vzamemo, da je sin (β) tan (β) = y x Velja torej: λ = a y x, pri N=1. Količina a pri tem pomeni razmik med sosednjima režicama (npr. če na mrežici piše, da ima 300 rež na mm, bo a=1/300 mm) N= 1 svetloba ß X Y N= 0 N= -1 Skica 1 23

25 Svetloba x y a N valovna dolžina λ rdeča oranžna rumena zelena modra vijolična Izračuni: 24

26 Komentar in ugotovitve: Pregledal: 25

27 26

28 8. LEČE FIZIKA - VAJE IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: Naloga: Določi goriščne razdalje danih leč. Pripomočki: dve zbiralni in ena razpršilna leča, žarnica za 12 V, povezovalne žice, vir napetosti 12V, ročni zaslon, dva nosilca leč, merilni trak. Za preslikave z lečami velja 1 f = 1 a + 1 b, kjer je f goriščna razdalja leče, a razdalja od leče do predmeta, b razdalja od leče do slike. Za realne slike, ki jih dobimo pri preslikavah z zbiralnimi lečami, so vse količine (f, a in b) pozitivne. Postavi pripomočke po spodnji skici in prestavljaj lečo ter zaslon tako dolgo, da dobiš na zaslonu ostro sliko nitke žarnice. Goriščne razdalje razpršilne leče pa ne moremo dobiti na ta način, saj pri teh lečah nikoli ne dobimo realne slike, ki se da projicirati. Izkoristili bomo dejstvo, da se lomnosti (obratna vrednost goriščne razdalje) dveh zaporedno postavljenih leč seštevata. Postavimo torej zaporedno razpršilno lečo, katere f 1 računamo in zbiralno lečo, katere f že poznamo. Pomni: kadar postavljaš dve leči zapored, morata biti čim bolj skupaj, s čim manj presledka med lečama. S tem se izogneš dilemi, od kod meriti razdalji a in b. Velja: b zaslon leča a žarnica 1 f + 1 f 1 = 1 a + 1 b. Iz zgornje zveze lahko izračunamo lomnost razpršilne leče 1/f 1 in od tod goriščno razdaljo razpršilne leče f 1. Da bo slika realna in da a in b ne bosta prevelika, mora biti lomnost konveksne leče po velikosti precej večja kot lomnost konkavne leče. 27

29 In kako ugotoviš, katera leča je konveksna in katera konkavna? Konkavna leča (ko gledaš skoznjo) sliko vedno pomanjša in je nikoli ne obrne. Konveksna pa, nasprotno, sliko poveča in jo pri določeni razdalji obrne. številka leče a b f konveksna leča 1 konveksna leča 1 konveksna leča 2 konveksna leča 2 konveksna + konkavna leča Izračuni: 28

30 Komentar in ugotovitve: Pregledal: 29

31 30

32 9. LUNA IME IN PRIIMEK: DATUM: RAZRED: OCENA: FIZIKA - VAJE Naloga: Iz opazovanja gibanja Lune in Luninih men odgovori na zastavljena vprašanja. Pripomočki: računalniški program Stellarium Luna ne seva lastne svetlobe. Luno vidimo, ker odbija Sončevo svetlobo. Tudi Zemlja osvetljuje Luno. To je mogoče videti le ob začetku prvega krajca in ob koncu zadnjega krajca, ko Luna odbija le malo sončne svetlobe. a) Navidezno gibanje Lune med zvezdami V kolikšnem času pride Luna na isto mesto med zvezde? Ta čas imenujemo siderski obhodni čas Lune (glede na zvezde). V 24 urah se Luna premakne po nebu za stopinj. b) Lunine mene LUNINA MENA DATUM ŠČIP (polna Luna) ZADNJI KRAJEC (stara luna) MLAJ (prazna Luna) Kolikšen je čas med enakima menama Lune? Ta čas imenujemo sinodski obhodni čas Lune (glede na Sonce). PRVI KRAJEC (mlada Luna) ŠČIP (polna Luna) Kolikšen je kot med smerjo proti Luni in smerjo proti Soncu, ko vidimo na nebu prvi krajec? Kolikšen je kot med smerjo proti Luni in smerjo proti Soncu ob polni Luni? 31

33 c) Kulminacija Lune Izmerimo: višinski kot (h, kot med vodoravnico in smerjo proti Luni), azimut Lune (A, kot med smerjo proti severu in smerjo proti Luni, projicirani na vodoravno ravnino, v smeri urinega kazalca. Kulminacija je v astronomiji trenutek (čas), ko nebesno telo pri svojem gibanju po nebesni krogli doseže največjo (najnižjo) višino nad (pod) horizontom. Opazuj Luno v času med 19. oktobrom in 2. novembrom. Na kateri dan bo Luna ob 22. uri dosegla največji višinski kot? Ob kateri uri bo Luna kulminirala na današnji dan? Če je višinski kot majhen in azimut okoli 90 pomeni, da Luna. Če je višinski kot majhen in azimut okoli 270 pomeni, da Luna. d) Na zvezdno karto vriši položaj Lune, ki jo opazuješ v treh zaporednih nočeh ob isti uri. Podatke zapiši v tabelo. Datum in ura Azimut A Višinski kot h Osvetljenost Luninega površja 32

34 1. Zakaj Luna ne zaide oz. vzide vsak dan ob istem času? 2. Zakaj siderski in sinodski čas nista enaka? Komentar in ugotovitve: 33 Pregledal:

35 34