НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ

Установка "Скорость звука в воздухе"

Назначение

• Изучение явлений, связанных с распространением звуковых волн в воздушной среде;
• Определение скорости звука в воздухе на основе измерения длины бегущей волны;
• Измерение скорости звука на основе регистрации времени его распространения на определенное расстояние.

Устройство

На каркасе из металлических труб установлена звуковая труба, в которой реализуется распространение звуковой волны и обеспечивается измерение скорости звука двумя методами. Контроль параметров звуковой волны в двух точках пространства осуществляется с помощью двухканального датчика звука, имеющего два микрофона. Конструкция установки позволяет перемещать одиниз микрофонов вдоль трубы и определять его координату по специальной шкале. Источником звука служит динамик, который под ключается к USB-порту компьютера и управляется с помощью программного обеспечения.

Описание

Представление данных на экране компьютера осуществляется в виде двухканальной осциллограммы звуковых колебаний. Вид осциллограммы подстраивается изменением взаимного расположения датчиков. Необходимые интервалы времени измеряются с помощью маркеров и вносятся в таблицу. Обработка данных осуществляется как в таблице ,так и с помощью графика , что позволяет определять скорость звука в воздухе с точностью 0.3%.

Осциллограммы звуковых колебаний в двух точках трубы

Окно обработка данных.

Установка "Определение скорости звуковых волн в жидкости"

Назначение

• Изучение распространения звуковых волн;
• Определение скорости распространения ультразвуковых колебаний в воде методом резонанса.

Устройство

Лабораторная установка смонтирована в виде настольного металлического стенда и включает в себя сборку акустического резонатора, резервуар для жидкости, генератор с блоком питания и осциллограф. Конструкция установки обеспечивает контролируемое изменение длины акустического резонатора за счет перемещения одного из отражателей. Питание излучателя осуществляется от генератора синусоидального сигнала. В состав установки входит цифровой двухканальный запоминающий осциллограф с функциями вывода на экран амплитуды сигналов и частоты в цифровом виде.

Описание

Процесс измерений состоит в фиксации (вводе в таблицу на экране компьютера) координат подвижного отражения резонатора, при которых амплитуда акустических колебаний в резонаторе принимает максимальные значения. Согласно теории, это происходит каждый раз, когда длина резонатора составляет целое число полуволн. На основании данных таблицы строится график зависимости координаты от номера максимума, он аппроксимируется прямой линией, тангенс угла наклона которой позволяет с высокой точностью определить длину волны. Скорость звука в воде рассчитывается на основании длины волны и частоты сигнала, которая высвечивается на экране осциллографа.

Установка "Определение зависимости скорости звука в воде от температуры"

Назначение

• Изучение распространения звуковых волн;
• Определение скорости распространения ультразвуковых колебаний в воде методом резонанса;
• Построение зависимости скорости звука в воде от температуры.

Устройство

Лабораторная установка смонтирована в виде настольного металлического стенда и включает в себя сборку акустического резонатора с излучателем и приемником звука, резервуар для жидкости, генератор с блоком питания и осциллограф. Конструкция установки обеспечивает контролируемое изменение длины акустического резонатора и поддержание температуры в объеме резонатора на заданном уровне. Питание излучателя осуществляется от генератора синусоидального сигнала. В состав установки входит цифровой двухканальный запоминающий осциллограф с функциями вывода на экран амплитуды сигналов и частоты в цифровом виде.

Описание

Выполнение работы включает задание на экране компьютера температуры воды в резервуаре, а после ее достижения — фиксацию длин резонатора, при которых амплитуда акустических колебаний принимает максимальные значения. На основании полученных данных строится график зависимости координаты подвижного отражателя от номера максимума, он аппроксимируется прямой линией, по тангенсу угла наклона которой определяется длина волны. Скорость звука, рассчитанная на основании длины волны и частоты сигнала, вместе с температурой воды вводится в таблицу для построения графика зависимости скорости звука от температуры.

Зависимость скорости звука в воде от температуры.

Установка "Спектр испускания ртутной лампы"

Изучение оптических спектров двух электронных систем на примере атома ртути;
Экспериментальное определение длин волн наиболее интенсивных линий спектра.

Представление данных на экране компьютера осуществляется в виде спектра – зависимости интенсивности излучения от длины волны. В задачи лабораторной работы входит регистрация наиболее сильных линий (в программе устанавливается малое время накопления данных) и измерение положения слабых линий (время накопления данных увеличивается в 30 – 40 раз). В то и другом случае проводится вычитание темнового спектра (спектра, записанного без включения ртутной лампы). Длины волн всех полученных линий сравниваются с табличными данными.

Установка "Спектр водорода"

Измерение длин волн спектра атомарного водорода;
Сопоставление полученного спектра с предсказаниями полуклассической и квантовой теории строения атома водорода;
Определение неизвестного газа по его спектру.

Представление данных на экране компьютера осуществляется в виде спектра – зависимости интенсивности излучения от длины волны. Программа имеет необходимый инструментарий для анализа спектров, в т. ч. возможность вычитания теневого спектра. Регулирование чувствительности спектрометра выполняется в работающей с ним компьютерной программе путем изменения времени воздействия излучения на ПЗС-матрицу. Имеющиеся в комплекте газоразрядные трубки (кроме водородной) позволяют проверить калибровку спектрометра (по спектру ртути) и поставить спектроскопическую задачу по определению неизвестного газа по его спектру.

Установка "Спектра испускания натриевой лампы"

Изучение оптического спектра водородоподобных систем на примере атома натрия;
Экспериментальное определение длин волн линий спектра натрия;
Наблюдение желтой линии натрия в виде дублета (отдельно регистрируемых линий с длинами волн 589.0нм и 589.6нм).

Представление данных на экране компьютера осуществляется в виде спектра — зависимости интенсивности излучения от длины волны. В задачи лабораторный работы входит регистрация наиболее сильных линий – желтого дублета натрия (в программе устанавливается малое время накопления данных) и измерение положения остальных линий (время накопления данных увеличивается в 30-40 раз). В том и другом случае проводится вычитание темнового спектра (спектра, записанного без включения натриевой лампы). Длины волн всех полученных линий сравниваются с табличными данными.

Спектр натрия

Спектр желтой линии натрия

Установка "Космическое излучение (со счетчиком Мюллера-Гейгера)"

Экспериментальное изучение интенсивности космического излучения, как составляющей радиационного фона в лаборатории;

Изучение основ статистической обработки результатов измерений.

Программное окно регистрации данных разделено на две части. В верхней половине окна выводятся импульсы срабатывания счетчика при регистрации частоты космического излучения. В нижней части окна на графике представляются количества частиц, зарегистрированных за последовательные интервалы времени, величина которых задается перед началом регистрации данных. Выполнение работы включает проведение измерений и статистическую обработку результатов включающую построение гистограмм на экране компьютера при двух существенно отличающихся периодах накопления числа отсчетов, а также выяснение влияния одного и двух поглотителей на результаты измерения радиационного фона.

Установка "Удельный заряд электрона"

Назначение

• Изучение движения заряженных частиц в магнитном поле;
• Экспериментальное определение удельного заряда электрона.

Для определения удельного заряда электрона экспериментальные точки выводятся на график, построение которого выполняется в координатах (B2/2U, 1/R2). Радиус траектории электронов определяется с учетом масштаба по фотографии путем наложения на изображение траектории окружности. В выбранных таким образом координатах зависимость имеет линейный характер с угловым коэффициентом, численно равным удельному заряду электрона. Для получения усредненного значения удельного заряда электрона на графике с использованием метода наименьших квадратов проводится прямая линия, наилучшим образом аппроксимирующая экспериментальные точки.

Установка "Опыт Франка-Герца"

Изучение строения атома;
Изучение столкновений свободных электронов с нейтральными атомами при протекании электрического тока в разреженном газе;
Экспериментальное определение первого потенциала возбуждения атомов аргона.

Зависимость тока коллектора от ускоряющего напряжения регистрируется на экране компьютера при плавном увеличении подаваемого на анод напряжения. При обработке полученной кривой значения ускоряющего напряжения (энергии электронов), при которых ток коллектора достигает максимальных значений, считывается с помощью маркера. Значение потенциала возбуждения аргона рассчитывается как среднее значение разности напряжений двух соседних максимумов на кривой.

Установка "Индуктивность соленоидов"

Назначение

• Выявление закономерностей протекания тока в цепи, содержащей последовательно соединенные соленоид и резистор при подключении и после отключения соленоида от источника постоянного тока и оценка индуктивности соленоида на основе полученных данных;
• Измерение соотношений амплитуд и сдвигов фаз на соленоиде и резисторе при протекании по ним синусоидального тока;
• Измерение значений индуктивности двух разных соленоидов различными способами, сравнение измеренных величин индуктивности соленоидов с расчетными.

Устройство

Лабораторная установка состоит из настольного металлического стенда, на котором собирается изучаемая электрическая цепь, осциллографического датчика напряжения, источников питания и элементов электрической цепи. Элементы электрической цепи смонтированы в специальных боксах, на лицевой стороне которых находится обозначение элемента. Источник постоянного тока подключается к содержащей соленоид электрической цепи через кнопочный выключатель. Регистрация данных осуществляется с помощью осциллографического датчика напряжения, который фиксирует напряжение на двух выбранных элементах электрической цепи.

Описание

Решение измерительных задач, поставленных в лабораторной работе, обеспечивается тремя компьютерными сценариями получения и обработки данных. Для нахождения характерного времени нарастания или спада тока в цепи, определяемого величиной индуктивности, экспериментальные кривые аппроксимируются экспоненциальными зависимостями.

В цепи переменного тока индуктивность определяется на основе углового коэффициента прямой, аппроксимирующей зависимость UL / UR = F(ω). Данные для ее построения снимаются с экрана и вносятся в таблицу с помощью аппарата вертикальные (временные характеристики) и горизонтальных (амплитуда синусоиды) маркеров.

Установка "Магнитное поле в катушках Гельмгольца"

Назначение

• Измерение распределения продольной и радиальной составляющих индукции магнитного поля в области катушек Гельмгольца;
• Изучение магнитного поля плоской катушки.

Устройство

Установка смонтирована на горизонтальном основании, обеспечивающем закрепление всех элементов. Устройство перемещения датчика магнитного поля обеспечивает его перемещение по двум координатам (продольной и радиальной), причем движением датчика в радиальном направлении управляет компьютерная программа сбора и обработки данных. Конструкция датчика магнитного поля позволяет поворачивать чувствительный элемент на 90°, что дает возможность регистрировать как радиальную, так и продольную составляющие магнитного поля в пространстве между катушками Гельмгольца.

Описание

При проведении опыта снимаются распределения продольной и радиальной компонент индукции магнитного поля (значения B и R измеряются датчиками, продольная координата датчика вводится с клавиатуры компьютера). Вывод полученных данных на экран, осуществляемый с выбором своего цвета для каждой из кривых, позволяет определить границы области, в которых неоднородность поля не превышает заданного значения.

Установка "Исследование резонанса в цепи переменного тока"

Назначение

• Измерение амплитудно-частотных характеристик колебательного контура;
• Построение на экране компьютера резонансных кривых для трех значений активного сопротивления;
• Определение резонансной частоты, расчет добротности, измерение ширины резонансных кривых.

Устройство

Последовательный колебательный контур собран на металлической платформе с магнитным закреплением элементов и использованием жестких соединителей для объединения элементов в электрическую цепь. Обозначения элементов нанесены на их лицевой (верхней) поверхности.
Питание контура осуществляется от функционального генератора с выходным напряжением не более 10В, обеспечивающего максимальный ток в цепи не менее 1А.

Описание

При обработке сигнала напряжения на резисторе используются горизонтальные и вертикальные маркеры. С их помощью в таблицу на экране персонального компьютера вводятся значения амплитуды колебаний и время, за которое совершается несколько колебаний. По этим данным в таблице рассчитываются значение тока в цепи и частота колебаний. Полученные при этом пары чисел (частота, амплитуда) выводятся на экран в виде графика зависимости амплитуды колебаний от частоты (резонансная кривая). По графику определяется резонансная частота и добротность контура. Эксперимент проводится несколько раз при существенно отличающихся значениях активного сопротивления контура.

Установка "Затухающие колебания в колебательном контуре"

Назначение

• Изучение свойств колебательного контура и различных режимов его работы: свободных колебаний и апериодического разряда емкости;
• Измерение основных характеристик затухающих колебаний: периода, коэффициента и декремента затухания, добротности контура;
• Определение критического сопротивления контура;
• Построение картины колебаний в фазовой плоскости.

Устройство

Элементы электрической цепи смонтированы в специальных боксах, на лицевой стороне которых находится обозначение элементы. Для объединения элементов в электрическую цепь используются жесткие соединители. Зарядка конденсатора осуществляется от источника постоянного тока при включении первого кнопочного выключателя. Разрядка конденсатора через элементы контура происходит при замыкании второго кнопочного выключателя. Регистрация данных осуществляется с помощью осциллографического датчика напряжения, который фиксирует напряжения на одном или двух выбранных элементах электрической цепи.

Описание

Разноплановый характер задач данной работы на программном уровне решается в рамках нескольких компьютерных сценариев получения и сборки данных. Ввод данных в таблицы производится с использованием аппарата маркеров. Коэффициент затухания определяется путем вычисления по методу наименьших квадратов углового коэффициента зависимости логарифма амплитуды колебаний тока от времени. Периоды колебаний и критические сопротивления при различных значениях емкости конденсатора сравниваются с расчетными значениями этих параметров. Фазовая диаграмма строится как зависимость данных, полученных по одному из каналов осциллографического датчика, от сигнала в другом канале.

Установка "Силы действующие на проводник с током в магнитном поле"

Назначение

• Исследование магнитного поля, создаваемого в определенной области пространства с помощью датчика магнитного поля;
• Получение зависимости магнитного поля от силы тока;
• Изучение зависимости силы, действующей на катушку с током в магнитном поле от индукции магнитного поля, в котором она находится, и силы тока в самой катушке.

Устройство

Лабораторная установка включает измерительную катушку, магнитную систему для создания магнитного поля, систему питания и комплект датчиков для измерения силы тока, индукции магнитного поля и силы. Принцип работы установки состоит в измерении силы, действующей на катушку с током, помещенную в магнитное поле соответствующей конфигурации. Система питания, включающая два источника питания и два датчика тока, смонтирована на отдельной платформе. Двухкоординатное перемещение датчика магнитного поля, необходимое для регистрации пространственной картины поля, осуществляется с помощью ручных винтовых механизмов.

Описание

Решение задач лабораторной работы реализовано в виде четырех выполняемых последовательно друг за другом блоков, каждому из которых соответствует свой компьютерный сценарий. Блок 1 предусматривает исследование степени однородности поля в области расположения измерительной катушки. Выполняя блок 2, студенты поучают зависимость индукции магнитного поля в центре сечения измерительной катушки. Выполняя блок 2, студенты получают зависимость индукции магнитного поля в центре сечения измерительной катушки от силы тока. Программный сценарий блока 3 позволяет получить зависимость силы, действующей на измерительную катушку, от индукции магнитного поля, а в блоке 4 формируется зависимость силы от силы тока в самой измерительной катушке. Там, где это необходимо, полученные данные аппроксимируются линейными функциями.

Установка "Магнитное поле Земли"

Назначение

• Измерение горизонтальной составляющей магнитного поля;
• Определение абсолютной величины и направления вектора магнитной индукции в данной точке Земной поверхности.

Устройство

Установка представляет собой конструкцию из немагнитных материалов, которая обеспечивает поворот оси чувствительности датчика магнитного поля в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Измерение угловой координаты оси чувствительности датчика магнитного поля в вертикальной плоскости осуществляется датчиком угла поворота.

Описание

Измерение горизонтальной составляющей магнитного поля осуществляется при повороте оси чувствительности датчика в горизонтальной плоскости (выбор максимального значения индукции и фиксация горизонтальной платформы). После этого датчик магнитного поля поворачивается в вертикальной плоскости и измеряется угловая координата оси чувствительности датчика и соответствующее ей значение модуля магнитной индукции. Максимальные показания датчика магнитного поля возникают при совпадении угла наклона его оси чувствительности с углом магнитного наклонения.

Установка "Ёмкость конденсатора (по осциллограмме его разряда через резистор)"

Назначение

• Изучение процесса разряда конденсатора;
• измерение постоянной времени цепи разряда конденсатора и емкости конденсатора

Устройство

Установка, включающая цепь разряда конденсатора через резистор и цепь его зарядки, собрана на металлической платформе с магнитным закреплением элементов и использованием жестких соединителей для объединения элементов в электрическую цепь. Обозначения элементов нанесены на их лицевой (верхней) поверхности. Кнопочный выключатель обеспечивает отключение конденсатора от источника питания на время разряда через резистор.

Описание

Измерение напряжений на элементах электрической цепи осуществляется с помощью цифрового осциллографического датчика напряжения. Компьютерный сценарий получения и обработки данных обеспечивает вычисление тока в цепи и интегрировании тока разряда по времени. Емкость конденсатора вычисляется на основе формулы: 

C = ∆q / ∆U = t1∫t2 I * dt / U1 – U2

Для вычисления заряда программа определяет площадь под кривой тока в интервале времени, выбираемом с помощью маркеров, при этом значения напряжения на границах интервала считываются с экрана и вводятся в таблицу.

Установка "Характеристики источника постоянного тока"

Назначение

• Измерение ЭДС источника постоянного тока;
• Определение внутреннего сопротивления источника постоянного тока;
• Определение оптимального сопротивления нагрузки.

Устройство

Лабораторная установка состоит из настольного металлического стенда, на котором собирается изучаемая электрическая цепь, датчика напряжения, датчика тока, двух источников постоянного тока и элементов электрической цепи. Элементы электрической цепи смонтированы в специальных боксах, на лицевой стороне которых находится обозначение элемента. Соединение цепи нагрузки с источником постоянного тока осуществляется на короткое время при включении кнопочного выключателя. Регистрация данных осуществляется с помощью датчика напряжения, который фиксирует напряжение на сопротивлении нагрузки, и датчика тока, измеряющего силу тока в цепи.

Описание

После ввода в таблицу значений напряжения на нагрузке и тока в цепи при различных сопротивлениях нагрузки в ней проводится расчет полезной мощности. Далее на экран выводится график зависимости напряжения на нагрузке от силы тока в цепи, который аппроксимируется линейной зависимостью. На основе полученных коэффициентов линейной зависимости определяется ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.
Следующий этап работы заключается в выводе на экран зависимости мощности от сопротивления нагрузки и в сопоставлении положения максимума этой зависимости с внутренним сопротивлением источника питания.
Завершающий этап работы состоит в сравнении между собой характеристик двух источников питания.

Зависимость напряжения на нагрузке от силы тока в цепи.

Установка "Длина волны лазерного излучения (интерференционный метод)"

• изучение интерференции света и, в частности, наблюдение интерференции в схеме Юнга
• определение длины волны источника когерентного излучения

Выполнение работы включает фотографирование интерференционной картины с помощью видеорегистратора и определение длины волны источника когерентного излучения на основе анализа изображения, полученного на экране.
Обработка фотографий интерференционной картины проводится на персональном компьютере и заключается в определении расстояния между максимумами различных порядков с помощью программного измерителя расстояния. Калибровка измерителя расстояния и совмещение его оси ОX с направлением формирования интерференционной картины осуществляется непосредственно перед началом обработки интерференционной картины.

Обработка результатов

Установка "Поляризация света. Закон Малюса"

• изучение поляризации света и методов получения плоскополяризованного света
• исследование зависимости интенсивности плоскополяризованного света от угла между плоскостью колебаний и плоскостью анализатора

Компьютерный сценарий выполнения работы предусматривает регистрацию интенсивности света, прошедшего через оптическую систему, при различных углах поворота анализатора. Полученные данные строятся в координатах (угол поворота, интенсивность света) и аппроксимируются зависимостью Y = A cos2Φ. Для большей наглядности при проверке закона Малюса экспериментальная зависимость перестраивается в координатах (cos2Φ, I), после чего на основе метода наименьших квадратов на графике строится прямая линия.

Зависимость интенсивности от cos2Φ и прямая, аппроксимирующая экспериментальные данные.

Зависимость интенсивности от угла поворота

Установка "Дифракция света на одной щели (дифракция Фраунгофера)"

• изучение дифракции Фраунгофера на одной щели
• определение длины волны излучения на основе параметров дифракционной картины
• определение ширины щели на основе параметров дифракционной картины

Выполнение работы включает получение на экране и фотографирование дифракционной картины, а также определение длины волны источника когерентного излучения на основе анализа изображений, получаемых при прохождении света через щели известной ширины. При обработке фотографий используется программный измеритель расстояний, позволяющий фиксировать в таблице измеренные расстояния между дифракционными максимумами. После этого решается обратная задача — определяется ширина двух других щелей с металлическими кромками, входящих в комплект.

Дифракция на щели (обработка)

Установка "Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке"

• Изучение дифракции на одномерной периодической структуре;
• Определение длины волны монохроматического света с помощью дифракционной решетки.

Выполнение работы включает получение на экране и фотографирование дифракционной картины с целью определения длины волны источника когерентного излучения. При обработке фотографий используется программный измеритель расстояний, позволяющий фиксировать в таблице измеренные расстояния между дифракционными максимумами. Измерения проводятся для трех дифракционных решеток, полученные при этом значения длины волны усредняются.

Установка "Оптические характеристики собирающей и рассеивающей линз"

• Изучение основных понятий и законов геометрической оптики;
• Определение фокусного расстояния собирающей линзы;
• Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

Выполнение работы включает получение изображения при различных расстояниях между объектом и линзой и определение фокусного расстояния линзы на основе полученных данных.
Для нахождения увеличения оптической системы объект и его изображение фотографируется с помощью видеорегистратора.
Обработка фотографий средствами программы позволяет получить геометрические размеры объекта и изображения, после чего сравнить отношение характерных размеров на фотографиях с отношением расстояний между объектом и линзой и линзой и экраном.

Объект и его изображение

Установка "Формула Френеля (коэффициенты отражения и пропускания от поверхности диэлектрика под различными углами)"

• Изучение отражения световой волны с различной поляризацией от поверхности диэлектрика;
• Регистрация зависимостей коэффициента отражения от угла падения для s- и p- поляризованных волн;
• Определение показателя преломления диэлектрика (оптического стекла).

Компьютерный сценарий проведения эксперимента предусматривает измерение интенсивности падающего излучения (в начале опыта) и заполнение таблицы со столбцами «угол падения» и «интенсивность отраженного света» (в процессе выполнения эксперимента) с одновременным расчетом коэффициента отражения.
После окончания эксперимента данные отображаются в виде графика, и полученные результаты можно сравнить с литературными данными или расчетом на основе формул Френеля. Эксперимент проводится для s- и p- поляризованных волн в диапазоне углов падения 5⁰ - 85⁰.

Коэффициент отражения в зависимости от угла падения ( p- поляризация)

Коэффициент отражения в зависимости от угла падения ( s- поляризация)

Установка "Длина световой волны с помощью колец Ньютона"

• Изучение явления интерференции света при отражении от плоской и сферической поверхности;
• Наблюдение колец Ньютона;
• Определение радиуса кривизны поверхности линзы и длины волны света.

В основу методики обработки данных положено построение на экране зависимости квадрата радиуса кольца от его номера rk2 = Rλk — 2Ra, аппроксимация экспериментальных точек функцией вида Y=AX+B и определение на основе вычисленных значений A и B параметров, требуемых по заданию лабораторной работы (радиуса кривизны линзы с использованием известной длины волны одного источника и после этого длины волны второго источника света, а также размера «пылинки», которая не дает оптическим элементам подойти вплотную друг к другу). Радиусы темных колец определяются путем совмещения построенных в программе обработки окружностей с темными кольцами на фотографии интерференционной картины и пересчета радиусов с учетом масштаба съемки.

Обработка экспериментальных данных «Кольца Ньютона»

Зависимость квадрата радиуса кольца от его номера

Установка "Поверхностного натяжения жидкости (метод отрыва петли)"

• Изучение явления аоверхностного натяжения;
• Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды.

Методика определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости основана на измерении дополнительного (по сравнению с весом тела) усилия, необходимого для вытягивания тела из жидкости. Это дополнительное усилие возникает на границе соприкосновения тела с жидкостью, длина которой в случае тонкого обруча равна удвоенной длине окружности обруча. Расчет производится по формуле:

σ = F / 2I,

где F – величина дополнительного усилия, I – длина полосы, образующей обруч. Запись показаний датчика силы с временным разрешением 0,02с позволяет зарегистрировать силу, которая действовала на обруч в момент времени, непосредственно предшествующий его отрыву от поверхности.

Установка "Определение коэффициента вязкости воздуха"

• Изучение установившегося течения газа по трубке круглого сечения (течение Пуазейля);
• Определение коэффициента динамической вязкости воздуха.

Методика определения коэффициента динамической вязкости воздуха основана на регистрации экспериментальной зависимости расхода воздуха от разности давлений на концах тонкой трубки (капилляра). Согласно формуле Пуазейля, эта зависимость прямо пропорциональная. Снятые экспериментальные точки в программе обработки аппроксимируются прямой линией по методу наименьших квадратов. Полученный угловой коэффициент A, радиус капилляра R ти его длинна I позволяют рассчитать коэффициент динамической вязкости воздуха по формуле:

η = πR4 / 8Ãɭ

Установка "Измерение ускорения свободного падения с помощью математического и физического маятников"

• изучение свободных колебаний механической системы
• изучение колебаний математического маятника
• изучение колебаний физического (оборотного) маятника
• определение ускорения свободного падения

Программа работы с данными позволяет установить два маркера в точки, где происходило изменение состояния датчика, и определить интервал времени между этими событиями. За один период колебания оптоэлектрический датчик перекрывается 2 раза, и поскольку положение датчика может не совпадать с положением равновесия маятника, период колебания определяется по интервалу времени между соответствующими фронтами (передними или задними) ближайших четных или нечетных импульсов на экране.

Окно регистрации данных

Установка "Измерение скорости тела методом баллистического маятника"

• изучение закона сохранения момента импульса
• изучение закона сохранения механической энергии
• изучение методов определения скорости движущегося тела

При проведении эксперимента регистрируется угол отклонения баллистического маятника и время перекрывания оптической оси датчика шаром, вылетающим из трубки. Скорость шара определяется двумя независимыми методами: по углу отклонения баллистического маятника и по времени пролета шара через оптоэлектрический датчик. Полученные значения сравниваются между собой и с максимально возможной скоростью шара, рассчитанной с использованием длины трубки, в которой шар набирает скорость.

Зависимость угла отклонения маятника от времени

Установка "Изучение кинематики поступательного движения на машине Атвуда"

• Доказательство того, что движение грузов разной массы, связанных перекинутой через блок нитью, происходит по законам равноускоренного движения
• Изучение зависимости ускорения движения от массы грузов
• Определение на основании полученных данных ускорения свободного падения, момента инерции блока и момента силы трения

Работа с данными включает следующие этапы:

- Аппроксимация зависимости пути от времени функцией определенного вида с целью получения ускорения системы

- Построение зависимостей ускорения от массы перегрузка, построение прямых линий, наилучшим образом аппроксимирующих экспериментальные зависимости и определение угловых коэффициентов и свободных членов построенных прямых

- Определение ускорения свободного падения, момента инерции блока и момента силы трения на его оси путем решения системы уравнений, в которую входят определяемые величины, коэффициенты уравнений построенных прямых и массы системы.

Зависимость ускорения от массы перегрузка

Установка "Изучение механического резонанса"

• Изучение вынужденных механических колебаний;
• Изучение свободных колебаний при движении тела под действием силы упругости;
• Измерение частоты внешнего воздействия на систему;
• Непрерывное измерение координаты тела, совершающего колебания;
• Построение резонансной кривой;
• Определение резонансной частоты системы;
• Исследование зависимости характеристик колебательной системы от ее параметров (массы тела, жесткости пружин, сопротивления движению).

Измерение координаты тележки проводится с помощью датчика расстояния, что позволяет вывести на экран график зависимости координаты от времени и определить по нему амплитуду и частоту свободных колебаний (1-й этап работы).

На 2-ом этапе (получение резонансных кривых) амплитуда колебаний измеряется по показаниям датчика расстояния, а частота вынуждающей силы — на основе данных, приходящих от оптоэлектрического датчика. Полученные данные собираются в таблице и выводятся на экран в виде графика зависимости амплитуды колебаний от частоты (резонансная кривая). Это позволяет определить резонансную частоту и оценить добротность колебательной системы.

Построение резонансной кривой

Установка "Изучение колебаний связанных маятников"

• изучение свободных колебаний механической системы с двумя степенями свободы
• измерение периодов собственных колебаний маятников, периода синфазных и периода противофазных колебаний с точностью 10-3с
• определение нормальных частот
• изучение биений как результата сложения нормальных колебаний связанной системы двух маятников
• изучение влияния степени связи на частоты указанных колебаний

На экран компьютера выводятся зависимости угловых скоростей маятников от времени, которые позволяют определить частоты различных типов колебаний маятников.
Запись колебаний осуществляется с временным разрешением 5мс. Это позволяет по осциллограмме (10 — 15 колебаний) определять период колебаний с точностью до 1мс, а частоту – с точностью 0.001Гц
Установка обеспечивает не только возможность сопоставления частоты биений с разностью частот синфазных и антифазных колебаний, но и доказательство того, что «быстрые» колебания происходят на частоте, равной полусумме этих частот.

Зависимость сигналов с датчиков от времени

Установка "Колебания пружинного маятника"

• изучение колебаний пружинного маятника
• измерение зависимости периода колебаний от жесткости пружин и массы колеблющегося тела
• определение коэффициента жесткости пружин

Окно регистрации данных

Установка "Маятник Максвелла"

• Экспериментальное определение момента инерции осесимметричного твердого тела (диска);
• Определение доли механической энергии, теряемой за один цикл движения (период колебаний) маятника Максвелла.

Регистрация промежутков времени в работе осуществляется с помощью оптоэлектрических датчиков. Интервал времени между маркерами, установленными на соответствующие фронты изменения состояния датчиков, вводится в таблицу, где автоматически рассчитывается среднее значение времени движения маятника вниз и его среднеквадратичное отклонение. Полученные значения используются при расчете момента инерции маятника. Для расчета доли механической энергии, теряемой за один цикл движения, измеряются продолжительности первого и последующих «периодов» колебаний, для этого маркеры последовательно переставляются на точки срабатывания нижнего датчика.

Измерение продолжительности первого полного колебания

Установка "Проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера методом вращательных колебаний"

• изучение свободных вращательных колебаний механической системы
• изучение понятия момента инерции твердого тела
• проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера методом вращательных колебаний

Зависимость состояния датчика от времени

Установка "Изучение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса"

• Изучение движения шарика в жидкости;
• Освоение покадровой обработки видеоизображения
Экспериментальное определение вязкости жидкости методом Стокса.

В лабораторной работе реализуется методика покадровой обработки видеофрагмента движения шарика, когда в таблицу обработки данных с каждого кадра вводится координата шарика и время. Построение графика зависимости координаты от времени позволяет сделать вывод о характере движения и определить скорость движения и определить скорость движения на участке, где оно было равномерным в рамках точности эксперимента.

Зависимость координаты шарика от времени

Установка "Соударение шаров"

• изучение закона сохранения импульса
• изучение закона сохранения энергии
• изучение упругого соударения тел

Показания оптоэлектрических датчиков выводятся на экран компьютера в виде двух диаграмм, показывающих изменение состояния каждого датчика (открыт/перекрыт) от времени. Программа работы с данными позволяет установить два маркера в точки, где происходило изменение состояния датчика, и определить интервал времени между этими событиями. Скорости шаров после взаимодействия, рассчитанные по времени перекрытия оптоэлектрических датчиков (скорость шара определяется путем деления его диаметра на время, в течение которого он перекрывал оптическую ось датчика), сравниваются с расчетными значениями, полученными в предположении абсолютно упругого удара.

Определение интервалов времени