LABORATORNIJ_PRAKTIKUM_Z_FIZIKI

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ФІЗИКИ

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

Частина 1

ЛАБОРАТОРІЯ МЕХАНІКИ ТА МОЛЕКУЛЯРНОЇ ФІЗИКИ

Видання друге, виправлене і доповнене

Рекомендовано до друку Науково-методичною радою Національного університету «Львівська політехніка»

як навчальний посібник для всіх форм навчання

Львів Видавництво Національного університету «Львівська політехніка»

2008

ББК 22.3я 73 3-153

УДК 53 (076.5)

Рекомендовано до друку Науково-методичною радою Національного університету “Львівська політехніка” як навчальний посібник для всіх форм навчання (протокол № 8/2008 від 15 вересня 2008 року)

Рецензенти:

Скульський М.Ю., д-р фіз.-мат. наук, проф. Національного університету “Львівська політехніка”;

Чорній З.П., д-р фіз.-мат. наук, проф. Національного лісотехнічного університету України

Головний науковий редактор проф. Лопатинський І.Є., наукові редактори: доц. Бандрівчак І.В.,

доц. Крушельницька Т.Д., доц. Гончар Ф.М.

Бандрівчак І.В. та ін.

3-153 Лабораторний практикум з фізики. Ч. 1. Лабораторія механіки та молекулярної фізики: Навчальний посібник / І.В. Бандрівчак, С.Р. Баран, І.М. Бордун, В.М. Габа, Ф.М. Гончар, О.М. Горіна, С.П. Дубельт, О.С. Захар’яш, І.Р. Зачек, Г.А. Ільчук, І.М. Кравчук, Т.Д. Крушельницька, В.І. Лобойко, І.Є. Лопатинський, М.М. Романюк, Н.А. Українець, О.В. Франів, С.Б. Харамбура, В.І. Чіх. – 2-ге вид., випр. і доп. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. – 188 с.

ISBN 978-966-553-746-5

У посібнику подано інструкції до виконання лабораторних робіт у лабораторії механіки і молекулярної фізики Національного університету “Львівська політехніка”. Окремо виділена загальна теоретична частина, що містить сім розділів та два додатки.

Для студентів очної, заочної, дистанційної форм навчання та екстернату.

ББК 22.3я 73

З М І С Т

Вступ……………………………………………………………… 4

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Розділ 1. Динаміка обертального руху………………………. 7 Розділ 2. Пружні властивості твердих тіл.…………………... 14 Розділ 3. Механічні коливання і хвилі………………………. 20 Розділ 4. Елементи гідродинаміки.…………………………... 33 Розділ 5. Теплове розширення твердих тіл………………….. 38 Розділ 6. Явища перенесення………………………………… 41 Розділ 7. Термодинаміка……………………………………… 47 Додаток 1. Елементи теорії похибок.……………………….…. 54 Додаток 2. Деякі вимірювальні прилади………………………. 61

ІНСТРУКЦІЇ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Лабораторна робота № 2.……………………………...………. 69 Лабораторна робота № 5.………...……………………………. 75 Лабораторна робота № 7.…………………………………...…. 81 Лабораторна робота № 8.……………...………………………. 89 Лабораторна робота № 9.…………………………………...…. 95 Лабораторна робота № 11.……………………………..………. 99 Лабораторна робота № 13……………………………………… 105 Лабораторна робота № 14……………………………………… 111 Лабораторна робота № 15……………………………………… 115 Лабораторна робота № 16.……………………………………... 121 Лабораторна робота № 17.……………………………………... 127 Лабораторна робота № 18.……………………………………... 135 Лабораторна робота № 19.……………………………………... 141 Лабораторна робота № 20……………………………………… 147 Лабораторна робота № 23.……………………………………... 151 Лабораторна робота № 24.……………………………………... 157 Лабораторна робота № 25.……………………………………... 163 Лабораторна робота № 26.……………………………………... 167 Лабораторна робота № 30.……………………………………... 171 Лабораторна робота № 31.……………………………………... 177

Додаток 3. Використання комп’ютера для графічного оформлення результатів вимірювань……………… 181

Додаток 4……………………………………………………….... 185

3

ВСТУП

Посібник «Лабораторний практикум з фізики» призначений для студентів інженерно-технічних спеціальностей Національного університету «Львівська політехніка».

Посібник містить теоретичну частину та інструкції до лабораторних робіт з окремих розділів механіки і молекулярної фізики.

В інструкціях до лабораторних робіт подані: детальний опис вимірювальних пристроїв, послідовність виконання робіт, форми таблиць для записів результатів вимірювань і розрахунків, контрольні запитання. Інструкції містять також доведення основних розрахункових формул, але без загальних теоретичних відомостей і обґрунтувань.

Щоб підготуватися до виконання роботи і знайти відповіді на контрольні запитання, які можуть бути поставлені викладачами при допуску до роботи або зарахуванню звітів про роботу, необхідно

ґрунтовно опрацювати відповідні розділи з теоретичної частини. У матеріалі теоретичної частини є відповіді на всі теоретичні запитання, що стосуються тієї чи іншої лабораторної роботи.

Для глибшого засвоєння фізичної суті явища, яке досліджується при виконанні лабораторної роботи, в кожній інструкції додатково подається список рекомендованої літератури.

Враховуючи широке використання посібника студентами і обмежений тираж першого видання, колектив авторів підготував до друку друге видання, в якому враховані побажання і рекомендації співробітників кафедри, усунено зауважені неточності та помилки друку, а також дещо змінено структуру таблиць для запису результатів.

Крім того, друге видання посібника доповнене методичними вказівками про використання комп’ютера для графічного оформлення експериментальних результатів, одержаних під час виконання лабораторних робіт.

4

Теоретична частина

6

Розділ 1. Динаміка обертального руху

Розділ 1. ДИНАМІКА ОБЕРТАЛЬНОГО РУХУ

1.1. Момент інерції

На відміну від поступального руху, де мірою інертності тіла є тільки його маса, у випадку обертального руху інертність тіла визначається як масою тіла так і розподілом маси відносно осі обертання. Тому для кількісної характеристики інертності тіл при їх обертальному русі вводиться фізична величина – момент інерції.

Моментом інерції тіла відносно деякої нерухомої осі OZ є величина J Z , що визначається рівністю.

N

JZ = åmiri2 , (1.1)

i=1

де mі – маса і-ї частинки тіла, яке умовно “розбивається” на N частинок, настільки малих, що для кожної з них можна однозначно вказати ri – відстань частинки від осі OZ

Момент інерції тіла відносно осі дорівнює сумі добутків елементарних мас тіла на квадрати їх віддалей від осі обертання.

Зауважимо, що момент інерції існує незалежно від того, обертається тіло навколо деякої осі чи перебуває відносно цієї осі у стані спокою.

Момент інерції - величина скалярна, вимірюється в кг×м2. Від (1.1) можна перейти до розрахунку інтеґралу:

Використовуючи (1.3), можна розрахувати моменти інерції тіл правильної ґеометричної форми, зокрема:

7

Теоретична частина

∙Момент інерції тонкостінного кільця товщиною b і радіусом основи R (R>>b) відносно його осі симетрії (ґеометричної осі):

∙Момент інерції суцільної кулі радіусом R відносно осі, що проходить через її центр:

∙Момент інерції тонкого стрижня з перерізом довільної форми відносно осі, що проходить через середину стрижня перпендикулярно до нього:

∙Момент інерції суцільного однорідного циліндра відносно його ґеометричної осі:

Рис. 1.1

Розділимо циліндр на окремі кільця безмежно малої товщини dr з внутрішнім радіусом r . Елементарний об’єм такого кільця:

8

Теоретична частина

1.3. Момент сили

Важливим поняттям динаміки обертального руху є фізична величина, що називається моментом сили.

Моментом сили відносно нерухомого центра О називається векторна величина , що дорівнює векторному

добутку радіуса − вектора r , проведеного з точки О до

точки прикладання сили, на вектор сили F.

Вектор M напрямлений перпендикулярно до площини, у якій лежать вектори r і F, таким чином, що з його кінця найкоротший

поворот від вектора r до вектора F видно проти напряму руху годинникової стрілки (рис. 3).

Рис. 1.3

Модуль моменту сили можна подати у вигляді:

де l = rsin α − плече сили відносно точки О

(довжина перпендикуляра, опущеного з точки О на лінію дії сили).

При обертанні твердого тіла навколо нерухомої осі OZ сила, що діє на тіло, створює момент сили відносно осі – Mz , що є

проекцією вектора M на вісь OZ:

10