Laborationskurs i FYSIK A

Transkript

1 Laborationskurs i FYSIK A Labbkursen i fysik består av 6 laborationer. Vid varje labbtillfälle (3 stycken) utförs 2 laborationer. Till varje laboration finns förberedande uppgifter. Dessa skall lämnas senast dagen före labbtillfället till Birgitta Carlsson (Rum H?) eller e-postas till din lärare. Du som siktar mot ett högre betyg (VG eller MVG) vid prövningen måste ovillkorligen göra uppgifterna på ett tillfredställande sätt. Till vissa laborationer skall fullständiga laborationsrapport skrivas och lämnas till läraren på avtalad tid. Vid prövning tas hänsyn till labbkursen. OBS! Du får inget intyg om Du är frånvarande från ett eller fler labbtillfällen! Sidan 1 av 22

2 Innehåll: Sid Att skriva en laborationsrapport. 3 Att tänka på i samband med laborationerna. 3 Förberedande uppgifter till OPTIK. 4 Laborationen OPTIK. 5 Förberedande uppgifter till DENSITET. 6 Laborationen DENSITET. 7 Förberedande uppgifter till ARKIMEDES PRINCIP. 10 Laborationen ARKIMEDES PRINCIP. 11 Förberedande uppgifter till ENERGIPRINCIPEN. 13 Laborationen ENERGIPRINCIPEN. 14 Förberedande uppgifter till ELLÄRA. 17 Laborationen ELLÄRA. 18 Förberedande uppgifter till FRITT FALL. 20 Laborationen FRITT FALL. 21 Sidan 2 av 22

3 Att skriva en laborationsrapport Ett genomfört experiment bör alltid redovisas. Ofta sker det i skriftlig form som en laborationsrapport. Av rapporten bör framgå syftet med experimentet och vilka resultat och slutsatser som Du fått fram. När Du skriver Din rapport kan Du tänka Dig att Du skriver den för en kamrat som har ungefär samma kunskaper som Du men som inte deltog i laborationen. En rapport brukar innehålla nedanstående punkter. 1. En tydlig rubrik som säger något om vad experimentet handlar om. Datum för genomförandet. Eget namn samt namn på eventuella medlaboranter. 2. Syfte dvs en kort sammanfattning som beskriver vad det hela går ut på. 3. Materielförteckning kan ibland uteslutas. Utrustningen kan anges i samband med beskrivningen av experimentet. 4. Utförandet av undersökningen, metoden skall vara klart och tydligt presenterad och vara lätt att följa. 5. Resultat och observationer skall vara klart och tydligt presenterade med diagram/tabeller där så krävs. Enheter och annan viktig information skall vara med. 6. Diskussion: tolkning av data, resultat eller observationer bör komma efter att resultat presenteras. 7. Bedömning av resultatens tillförlitlighet innefattande tänkbara felkällor och en bedömning av vilka som kan tänkas ha något större inverkan på resultaten. Att tänka på i samband med laborationerna. Läs labbinstruktionen i förväg! Glöm inte labbinstruktionen hemma! Lämna tillbaka materialet på rätt ställe! Ett instrument som inte fungera lämnas till läraren! Tänk först, fråga sist! Utnyttja minnena i Din räknare! Sidan 3 av 22

4 Förberedande uppgifter inför laboration optik. Läs igenom labbinstruktionerna noga och svara på uppgifterna nedan! 1. Konstruera den bild av föremålet (den vertikala pilen) som alstras av den konvexa linsen i figuren nedan. Fokus F är markerat i figuren. + F 2. Ett föremål befinner sig 60 cm framför en positiv lins med brännvidden 15 cm. Hur långt bakom linsen hamnar bilden? 3. Vid avbildning i en konvex lins var föremålets avstånd från linsen 48 cm. En skarp bild kunde uppfångas på en skärm 18 cm från linsen. a) Bestäm linsens brännvidd. b) Bestäm linsens dioptrital. 4. Ett föremål befinner sig 68 cm framför en positiv lins, som har brännvidden 17 cm. Beräkna bildens höjd då man vet att föremålets höjd är 15 cm. Sidan 4 av 22

5 Laboration, optik Uppgift: Att bestämma brännvidden för några linser m h a linsformeln. Materiel: Optisk bänk med tillbehör (bl a lampa och vit skärm) och några omärkta linser. Utförande: a) Tänk först ut en strategi för att lösa uppgiften. b) Gör därefter nödvändiga mätningar och för in erhållna värden i en tabell. c) Gör till sist nödvändiga beräkningar. Resultat: Linsernas brännvidder blev f 1 f 2 f 3 f 4 Sidan 5 av 22

6 Förberedande uppgifter inför laboration densitet. Läs igenom labbinstruktionerna noga och svara på uppgifterna nedan! 1. Beräkna volymen av en guldsmycke som väger Densiteten för guld finner du i en tabell! 6, kg. 2. En bägare vägde tom 75,0 g. När man hällt i 8,5 cl av en vätska, visade vågen 182,9 g. Beräkna vätskans densitet. Svara i enheten kg/m 3! 3. I diagrammet nedan representerar y-axeln ett materials massa (m) och x-axeln materialets volym (V). a) Vilka linjer i diagrammet kan inte vara ett samband mellan massa och tillhörande volym för ett material? b) Vilken linje svarar mot materialet med lägst densitet? m V Sidan 6 av 22

7 Densitet1-laboration Uppgift: Materiel: Att bestämma densiteten för trä. Träklotsar, våg, skjutmått, mm-papper. Utförande: a) Gör erforderliga mätningar och beräkningar och fyll i tabellen nedan. klots längd (cm) bredd (cm) höjd (cm) volym (cm3) massa (g) I II III IV V b) Pricka in massan (m) som funktion av volymen (V) i ett koordinatsystem. c) Rita grafen. d) Bestäm densiteten ( ρ ) ur det erhållna diagrammet! Sidan 7 av 22

8 Densitet 2-laboration Uppgift: Materiel: Utförande: Att bestämma densiteten för en okänd vätska. Den okända vätskan, vatten, pyknometer, våg. Väg den tomma pyknometern (inklusive propp) och för in resultatet i protokollet nedan. Fyll pyknometern med kallt vatten, sätt i proppen och torka därefter av pyknometern. Väg pyknometern med vattnet och för in resultatet protokollet. Vad väger vattnet? För in värdet i protokollet. Ta reda på vattnets densitet (m.hj.a. tabell) och för in värdet i protokollet. Beräkna vattnets volym och för in värdet i protokollet. Hur stor volym har pyknometern? För in värdet i protokollet. Skölj pyknometern med lite av den okända vätskan. Fyll pyknometern med den okända vätskan, sätt i proppen och torka av pyknometern. Väg pyknometern med den okända vätskan och för in resultatet i protokollet. Hur stor massa har den okända vätskan? För in värdet i protokollet. Hur stor volym har den okända vätskan? För in värdet i protokollet. Beräkna densiteten för den okända vätskan med två värdesiffror och för in resultatet i protokollet! Sidan 8 av 22

9 Protokoll: massa (pyknometern): massa (pyknometern + vattnet): massa (vattnet): densitet (vatten): volym (vattnet): volym (pyknometern): massa (pyknometern + okända vätskan): massa (okända vätskan): volym (okända vätskan): densiteten för den okända vätskan: Uppgift: Bestäm luftens densitet Materiel: Flaska, vakumpump, våg Densitet 3 laboration Sidan 9 av 22

10 Förberedande uppgifter inför laboration Arkimedes princip. Läs igenom labbinstruktionerna noga och svara på uppgifterna nedan! 1. Ett metallstycke som väger 715 g hängs upp i en dynamometer. Då metallstycket sänks ned i en vätska visar dynamometern 5,4 N. Hur stor är vätskans lyftkraft vid detta tillfälle? 2. En sten med massan 77 gram och volymen 25,8 cm 3 hänger i en tråd. a) Hur stor är då spännkraften i tråden? Stenen sänks nu ned (helt och hållet) i en bägare med ren etanol. b) Vilken lyftkraft utövar etanolen på stenen? c) Hur stor är nu spännkraften i tråden? 3. En träbit flyter i havsvatten (densitet 1,3 kg/dm 3 ) med 38 % av sin volym ovanför vattenytan. Beräkna träbitens densitet. Sidan 10 av 22

11 ARKIMEDES PRINCIP 1. Uppgift: Att verifiera Arkimedes princip. Materiel enligt figur 1. Utförande: Fyll mätglaset till ¾ med vatten. Häng cylindern i en lämplig dynamometer, och för ned cylindern i mätglaset helt under vattenytan, utan att den nuddar botten. Se figur 1. Bestäm: Cylinderns tyngd. Vattnets lyftkraft på cylindern. Volymen av vattnet som cylindern undantränger. Massan av vattnet som cylindern undantränger. Tyngden av vattnet som cylindern undantränger. Slutsats: Vilken slutsats kan du dra? Figur 1 2. Uppgift: Att bestämma massan för en boll med hjälp av Arkimedes princip. Materiel enligt figur 2. Utförande: Placera volymbägaren på en kloss enligt figur 2. Fyll med vatten så att överskottet rinner ned i bägaren nedanför. Töm bägaren. Placera försiktigt en boll i volymbägaren. Bestäm bollens massa. Jämför med våg. Volymbägaren Kloss Boll Bägare Figur 2 Sidan 11 av 22

12 3. Uppgift: Att bestämma den del av en flytande kloss som är under vattenytan. Materiel enligt figur 3. Utförande: Mät h och H enligt figuren. Bestäm klossens densitet. Visa dels experimentellt dels teoretiskt att: h = H ρ ρ trä vatten H h Figur 3 Sidan 12 av 22

13 Förberedande uppgifter inför laboration energiprincipen (mek.energi). Läs igenom labbinstruktionerna noga och svara på uppgifterna nedan! 1. Hur stor lägesenergi relativt vattenytan har en liten bil med massan 980 kg då den befinner sig på en bro 32 m över vattnet? 2. En lastbil som väger 2,4 ton kör med hastigheten 50 km/h. Hur stor rörelseenergi har bilen vid detta tillfälle? 3. Antag att man släpper en sten från bron i uppgift 1 ovan. Vilken fart har då stenen ögonblicket innan den slår i vattnet om man bortser från luftens friktion? 4. Vilken fart skulle stenen få (strax innan vattenytan) om den kastades rakt ner (från bron) med farten 10 m/s? Även här bortser vi från luftens inverkan! 5. Vilken fart skulle stenen få (strax innan vattenytan) om den kastades rakt ut (alltså horisontellt från bron) med farten 10 m/s? Även här bortser vi från luftens inverkan! Sidan 13 av 22

14 Laboration, energiprincipen Uppgift: Att verifiera energiprincipen genom att jämföra ett uppmätt värde (v prak ) på den maximala hastigheten hos en pendel med ett teoretiskt beräknat värde (v teor ). Materiel: Pendelstav, sytråd, stativ, tempograf (med pappersremsa), tejp, spänningskälla (och sladdar), linjal, skjutmått och sax. Teori: Figuren nedan visar en pendel i tre lägen: vändläget, ett mellanläge och lägsta läget. De två krafter som i varje läge påverkar pendeln är inritade i figuren. Fråga: Vilken av dessa två krafter uträttar ett arbete då pendeln rör sig nedåt i sin bana? Uppgift: Rita in resultanten till de två krafterna i de tre olika lägena! Frågor: Är pendelrörelsen accelererad? Hur stor är pendelns fart i vändläget? I vilket läge är farten som störst? Varför är farten störst i just detta läge? Sidan 14 av 22

15 Pendelrörelsen är tydligen komplicerad. Banan är inte linjär och kraftresultanten ändrar både storlek och riktning under rörelsens gång. Om man önskar studera hastigheten i någon punkt i banan kan man alltså inte använda några formler för likformigt accelererad rörelse. Däremot ger oss energiprincipen ett både enkelt och effektivt verktyg för att lösa detta problem. Betrakta energin dels i vändläget och dels i banans lägsta punkt (figuren till vänster). Använd figurens beteckningar och ställ upp ett samband mellan den mekaniska energin i de båda lägena (från förluster bortses). Härled ur detta samband formeln v teor = 2gh. Utförande: En pendelstav (ca 25 cm) hängs upp i två sytrådar (ca 80 cm) i ett stativ enligt figuren till vänster. Se till att staven hänger vågrätt! Tempografen placeras minst 1 m från stativet på sådan höjd att tempografremsan löper horisontellt när pendeln passerar lägsta läget. Tempografremsan fästes runt pendelstaven med lite tejp. Pendelstaven förs m h a remsan åt sidan (och uppåt) så att den når en lämplig höjd h (se figurerna till vänster). Därefter fästes remsan med en tejpbit i bordet (på andra sidan tempografen) så att pendelstaven får ett stabilt läge så att en noggrann bestämning av höjden h kan genomföras. h = h 1 h 2 Sidan 15 av 22

16 Efter att nödvändiga höjdmätningar genomförts startas tempografen varefter pendeln släpps fri genom att tempografremsan klipps av bakom tempografen. Se till att tillräckligt lång bit av remsan återstår för tempografen att markera på. Eftersom pendelns hastighet är störst när den passerar jämviktsläget gäller det att hitta de två markeringar på remsan mellan vilka avståndet Δs är störst. Ur detta avstånd (använd skjutmått) kan pendelns maximala hastighet v prak beräknas (eftersom man känner tiden Δt mellan två närliggande markeringar). Utför 5 försök där h får variera mellan ca 3 cm och 15 cm och fyll i tabellen nedan genom att göra nödvändiga mätningar och beräkningar! Bearbetning: Försök nr 1 Δs (mm) Δt (ms) v prak (m/s) h 1 (mm) h 2 (mm) h (mm) v teor (m/s) En jämförelse mellan v prak och v teor sker enklast i ett diagram där de två storheterna avsätts på respektive koordinataxel (samma skala). Frågor: Hur bör diagrammet se ut om teori och praktik stämmer överens? Stämmer teori och praktik? Sidan 16 av 22

17 Förberedande uppgifter inför laboration ellära. Läs igenom labbinstruktionerna noga och svara på uppgifterna nedan! 1. Spänningen över en ledningstråd är 2,85 V. Trådens resistans är 0,34 Ω. Hur stor är strömmen genom tråden? 2. Spänningen över en resistor med resistansen 5,6 kω är 12,0 V. Hur stor effekt utvecklas i resistorn? 3. Två motstånd har resistanserna 20 kω respektive 30 kω. Motstånden parallellkopplas och ansluts till ett batteri med spänningen 9,0 V. Hur stor blir strömmen genom batteriet? 4. Beräkna effektutvecklingen i 21 Ω-motståndet i nedanstående koppling. 5. Diagrammet nedan visar spänningen över ett motstånd som funktion av strömmen genom motståndet. a) Beräkna motståndets resistans. b) Bestäm effektutvecklingen i motståndet då strömmen är 0,25 A. V U 4,0 2,0 I 0,10 0,20 0,30 A Sidan 17 av 22

18 Laboration, ellära Uppgift: Materiel: Utförande: Att studera effektutvecklingen och resistansen i ett par komponenter. Glödlampa (med hållare), resistor, spänningskub, universalinstrument (2 st), kopplingssladdar, mm-papper. Koppla upp enligt schemat nedan. Anslut först lampan och amperemetern i serie med kuben. Koppla därefter in voltmetern parallellt med lampan. Ställ in olika värden på spänningen (U) och avläs motsvarande strömmar (I). Välj U-värden mellan noll och lampans märkspänning. För in de uppmätta värdena i tabellen nedan. U I P R (V) (ma) (W) (k Ω ) Fullborda tabellen ovan genom att beräkna effekt (P) och resistans (R). Sidan 18 av 22

19 Byt ut lampan i föregående koppling mot en resistor och upprepa alla mätningar och beräkningar. Fyll i tabellen nedan. U I P R (V) (ma) (W) (k Ω ) Rita graferna U = f(i) och P = f(u) för båda komponenterna. Frågor: Hur stor är lampans märkeffekt? Stämmer den med mätningarna? Bestäm resistorns resistans m hj a lämplig graf! Studera grafen P = f(u) för resistorn. Hur förändras effekten då spänningen halveras? Sidan 19 av 22

20 Förberedande uppgifter inför laboration fritt fall. Läs igenom labbinstruktionerna noga och svara på uppgifterna nedan! 1. Det tar 2,5 minuter för ett föremål att öka farten från 12 m/s till 30 m/s. Hur stor medelacceleration har föremålet under denna tidsperiod? 2. Ett föremål rör sig enligt grafen nedan. a) Vilken fart har föremålet efter 0,5 s? b) Bestäm föremålets acceleration efter 0,5 s. c) Vilken fart har föremålet efter 1,0 s? d) Bestäm föremålets acceleration efter 1,0 s. e) Hur långt har föremålet rört sig under den första sekunden? m/s v 10 2 t 0,5 1,0 s 3. I figuren nedan visas, i naturlig storlek, en del av en tempografremsa. a) Bestäm momentanhastigheten vid tidpunkten t = 0,05 (i punkt nr 5 alltså). b) Bestäm medelhastigheten i intervallet t = 0,05 s till t = 0,10 s. c) Bestäm momentanhastigheten vid tidpunkten t = 0,10. d) Bestäm medelaccelerationen i intervallet t = 0,05 s till t = 0,10 s. Sidan 20 av 22

21 Laboration, fritt fall Uppgift: Att studera rörelsen vid fritt fall och bestämma tyngdaccelerationen i Stockholm. Materiel: Tempograf (med pappersremsa), stativ, spänningsskälla (och sladdar), lod, meterlinjal, skjutmått, mm-papper och golvskydd. Utförande: a) Fäst tempografen i ett stativ på bordskanten (figuren till vänster) så att lodet kan falla fritt ca 1,5 m mot golvet. Anslut tempografen till spänningskällan (6,3 V växelspänning) men vänta med att slå på strömmen! b) Lägg golvskyddet på plats!! c) Trä en ca 2 m lång pappersremsa genom tempografen och fäst därefter lodet vid remsan (se figuren). d) Dra upp pappersremsan så att lodet kommer tätt intill tempografen. e) Håll remsan stilla och starta tempografen. f) Släpp remsan så att lodet får falla fritt! g) Slå av tempografen efter att lodet nått golvet (golvskyddet). Sidan 21 av 22

22 Bearbetning: h) Numrera punkterna på remsan. Den första punkten ska ha nummer 0, nästa 1, därefter 2 osv. i) Gör erforderliga mätningar för att fylla i tabell 1 nedan. Använd en mm-graderad meterlinjal. j) Gör erforderliga mätningar och beräkningar för att fylla i tabell 2 nedan. Använd skjutmått! tabell 1: tabell 2: t (s) s (m) t (s) Δs (m) Δt (s) v (m/s) ,05 0,05 0,10 0,10 0,15 0,15 0,20 0,20 0,25 0,25 0,30 0,30 0,35 0,35 0,40 0,40 0,45 0,45 0,50 0,50 h) Rita s(t)-grafen respektive v(t)-grafen på mm-papper. i) Använd v(t)-grafen för att bestämma tyngdaccelerationen. Resultat: a Mät hastighet med hjälp av datastudio och jämför Sidan 22 av 22