TEKNISKT BASÅR, FYSIK 1

Transkript

1 TEKNISKT BASÅR, FYSIK 1 INNEHÅLL LABORATION 1: ACCELERERANDE RÖRELSER OCH FRIKTION SID 2-7 LABORATION 2: VÄRME OCH DENSITET SID 8-11 LABORATION 3: ELEKTRISK MÄTNING OCH KRETSAR SID Innan varje laboration ska instruktionerna för den specifika laborationen vara genomlästa. Basår, Fysik 1, Lab-PM 1(14)

2 LABORATION 1: ACCELERERANDE RÖRELSE OCH FRIKTION Målsättningen med laborationen är att förstå några samband i fysik. Vad är krafter och rörelse? Vad händer med hastigheten vid konstant acceleration? Hur fungerar friktion? Vi kommer att studera detta i denna lab. 1. ACCELERERAD RÖRELSE UTMED LUTANDE PLAN Du har tillgång till en luftkuddebana, som åstadkommer att friktionen i stort sett blir noll. En vagn som släpps får en acceleration som beror på lutningen, se figur nedan. På banan sitter två givare som innehåller fotoceller. På vagnen sitter en plåtbit (den mörka delen i figuren) som kommer att bryta ljuset från fotocellerna när vagnen passerar förbi. Från en mätare som är kopplad till givarna fås tiden det tar att: färdas sträckan s vid den övre fotocellen, färdas sträckan s mellan fotocellerna, färdas sträckan s vid den undre fotocellen, Om vi försummar accelerationen under den korta sträckan s så kan vi räkna ut den hastighet vagnen har när: givare 1 passeras, givare 2 senare passeras, Basår, Fysik 1, Lab-PM 2(14)

3 UTFÖRANDE: UPPGIFT 1A. MÄT TIDERNA t1, t3 OCH t2 FÖR OLIKA STRÄCKOR. Givare 1 ska vara placerad i samma position hela tiden. Variera positionen på givare 2 (minst fyra gånger). Vagnen ska alltid startas från samma position. UTFÖRANDE: UPPGIFT 1B. BERÄKNA VAGNENS ACCELERATION (a) OCH PLANETS VINKEL (α). Genomför beräkningen av accelerationen med hjälp av rörelseformeln: = + (1.1) För beräkning av vinkeln α använder du komposantuppdelning av kraften och trigonometri; Rita en bild för att inse att i vårt fall gäller att kraftkomposanten längs banan är mg sin(α), dvs. accelerationen är = sin ( ) (1.2) Använd värdet g 9.82 m/s 2 och det beräknade värdet på a enligt ekvation (1.1) för att ta fram α. Basår, Fysik 1, Lab-PM 3(14)

4 REDOVISNING 1A OCH B 1. Rita ut alla krafter som verkar på vagnen när den färdas nedför banan (friktionskraft och luftmotstånd kan försummas) 2. Rita i diagram 1 sluthastigheten (v s) som funktion av den tid (t 2) som det tar för vagnen att färdas mellan fotocellerna. Jämför detta diagram med ett teoretiskt v-t-diagram. 3. Vilket värde får hastigheten i kurvan v s(t 2) då t 2 går mot noll i diagrammet? 4. Rita i diagram 2 upp sträckan s som funktion av tiden (t 2). Hur borde ett s-t-diagram för denna rörelse se ut? 5. Bestäm accelerationen ur diagram Reflektera över om accelerationen bör vara större eller mindre än tyngdaccelerationen g. 7. Är storleksordningen för vinkeln α rimlig? Kontrollera genom att mäta på lutande planet. Använd denna uppmätta vinkel för att sätta in i samband (1.2) och se vad du får för acceleration. Är denna acceleration större eller mindre än den från tidsmätningarna? Vad beror skillnaden på? 8. Jämför den beräknade accelerationen i punkt 5 med den uppmätta accelerationen. Basår, Fysik 1, Lab-PM 4(14)

5 2. FRIKTION När man skjuter en låda framför sig över golvet känns det trögt. Mellan lådan och golvet finns en bromsande kraft som kallas friktionskraft. Ju större friktionskraften är desto trögare går det. Även om både lådans och golvets ytor ser jämna ut finns det alltid ojämnheter. Ju tyngre föremålet du skjuter framåt är, desto hårdare griper ojämnheterna in i varandra. Vilket material föremålet är av har också inverkan på friktionen. Friktionskraften mellan två stålytor är mindre än mellan två gummiytor för att ta ett exempel. Det finns två olika typer av friktion, rullfriktion och glidfriktion. Lådan som skjuts över golvet är ett exempel på glidfriktion. Om man istället lägger trästockar under som lådan kan rulla fram på talar vi om rullfriktion. Det går lättare att förflytta föremål när det är rullfriktion, den friktionen är mindre än glidfriktionen. UPPGIFT 2A. BESTÄM FRIKTIONSKOEFFICIENTEN (µ) PÅ TVÅ OLIKA SÄTT Om en kropp ligger på ett lutande plan och lutningsvinkeln ökas kommer kroppen så småningom att börja glida. När den börjar glida beror dels på lutningens storlek och dels på ytornas beskaffenhet. Lutningen bestämmer hur mycket kroppen pressas mot underlaget dvs. normalkraften. I skissen ovan blir normalkraften F N = F y= mg cosα och kraften längs planet, dvs den kraft som vill föra kroppen nedför, F x = mg sinα. Friktionskraftens storlek blir = (2.1) där µ är friktionskoefficienten som är noll om det är totalt glatt. Detta rimliga antagande, att friktionskraften är proportionell mot normalkraften, kan visas experimentellt. Om vi ökar vinkeln α från noll finner vi ett läge där kroppen just börjar glida och i det läget är F x och F fr till beloppet lika stora (vektorerna har motsatta riktningar), sin( )= cos ( ) (2.2) Basår, Fysik 1, Lab-PM 5(14)

6 UTFÖRANDE: Väg klossarna med hjälp av en dynamometer (tänk på att det inte är klossarnas massor utan tyngder som dynamometern visar). Lägg klossen med sandpappersidan nedåt på planet och luta det alltmer till klossen börjar kana ner. Obs! Se till att klossen får konstant hastighet och inte accelererar. Jämför friktionen på sandpappersidan och träsidan. Använd sambandet (2.2) ovan för att bestämma friktionskoefficienten mellan träklossen och underlaget, med och utan sandpapper. Dra gärna nytta av sambandet =tan (2.3) Lägg sedan klossen på ett horisontellt underlag (använd samma underlag som vid mätning av lutande plan!) och dra den framåt med dynamometern med konstant hastighet, på sandpapperoch träsida. Rita in de krafter som verkar på klossen Den kraft man läser av på dynamometern är friktionskraften. Räkna med hjälp av samband (2.1) ut friktionskoefficienten mellan ytorna både när sandpappersidan är nedåt och när träsidan är nedåt. Prova att lägga den mindre klossen ovanpå den större för att få en extra tyngd på klossen och dra den över underlaget. Rita in krafterna på den undre klossen. Mät upp friktionskraften och se om den har ändrats. Beräkna även friktionskoefficienten för träoch sandpappersidan mot samma underlag. UTFÖRANDE: UPPGIFT 2B. RULLNINGSMOTSTÅND Drag en vagn över bordet med hjälp av en dynamometer och läs av friktionskraften. Tejpa sedan alla hjulen så att de inte kan rulla och drag vagnen över bordet igen. Läs av friktionskraften och se om det blir någon skillnad. Rita in friktionskraften (riktning och vart den verkar) i de båda fallen. Basår, Fysik 1, Lab-PM 6(14)

7 REDOVISNING 2A OCH B 1. Hur stor är friktionskoefficienten med och utan sandpapper på klossen? Vad beror skillnaden på? 2. Ger alla tre mätningar (lutande underlag, plant underlag samt plant underlag med extra tyngd) samma friktionskoefficient? Vad beror friktionskoefficienten på? 3. Hur varierar friktionskraften i de tre mätningarna (lutande underlag, plant underlag samt plant underlag med extra tyngd)? Rita en figur för varje fall där pilar för normalkraft och friktionskraft finns med. Hur förhåller sig storleken på dessa krafter till varandra i de olika mätningarna? 4. Vilken enhet bör friktionskoefficienten ha? 5. Fundera ut några exempel på material som skulle ge lägre respektive högre friktionskoefficient. 6. Vad spelar hjulen på vagnen för roll? Var verkar friktionen och åt vilket håll? 7. Fundera på för- och nackdelar med friktion. Hur skulle det vara om det inte funnits friktion? Var finns friktion? Basår, Fysik 1, Lab-PM 7(14)

8 LABORATION 2: VÄRME OCH DENSITET Först några inledande rader om värmelära. Vanliga energiformer är mekanisk energi, elektrisk energi och värme. Värme är en energimängd som utbyts då två olika system, t ex två vätskemängder, kommer i kontakt med varandra. Mekanisk energi kan mycket lätt omvandlas till värme men det är svårare att göra om värme till mekanisk energi. Värme tillförs t.ex. en kokplatta på spisen då man via strömbrytaren kopplar in spisen till 230 V- anslutningen i huset. Denna värme höjer temperaturen hos en eventuell kastrull med vatten. Varje ämne karakteriseras av en specifik värmekapacitet och med det menas den energimängd som åtgår att höja temperaturen 1 K hos 1 kg av ämnet, eller den värmemängd som lämnar 1 kg av ämnet då dess temperatur sjunker 1 K. Enheten för specifik värmekapacitet blir alltså För vatten är den specifika värmekapaciteten J/kgK Specifika värmekapaciteten brukar betecknas med c. Värmekapaciteten för ett föremål är på motsvarande sätt den energimängd som behövs för att höja föremålets temperatur med en grad. Temperaturdifferensen 1 C är lika stor som temperaturskillnaden 1 K. Exempel: Antag att vi har 2 l vatten (dvs. 2 kg) som har temperaturen 20 C och vi skall värma upp vattnet till kokning, dvs. temperaturen 100 C. Temperaturhöjningen är alltså 80 C, vilket också är 80 K. Hur stor energimängd går då åt? Det blir J/kgK 2 kg 80 K J=607 kj Antag att detta skett på 5 min. Den värmeeffekt som då tillförts vattnet är 2200 =2.2 (Hur stor är maximala effekten hos en värmeplatta i spisen?) Det förefaller naturligt att den energimängd(värme) som tillförs ett föremål är direkt proportionell mot både massa och temperaturökning. Proportionalitetskonstanten är den specifika värmekapaciteten c. Allmänt blir sambandet mellan värmemängd, massa, specifik värmekapacitet och temperaturändring: = (1) Basår, Fysik 1, Lab-PM 8(14)

9 Vid temperaturförändringar(utan att fasomvandlingar sker) tillförs eller avges värme: Effekt är energi/tid dvs = ( ) (2) = (3) När energi omvandlas till värme har man en verkningsgrad (η) enligt nedan: = ö (4) Att smälta nollgradig is till nollgradigt vatten kräver energi(smältvärme): ä = ä =, / (5) På motsvarande sätt behöver energi tillföras för att flytande 100-gradigt vatten ska övergå i vattenånga: å = å = = å, (6) Det sista sambandet behöver vi inte använda i denna laboration. 1. VERKNINGSGRAD VID UPPVÄRMNING AV VATTEN MED EN DOPPVÄRMARE. UTFÖRANDE: OBS! De doppvärmare vi använder kräver kylning då de är anslutna till nätet. När doppvärmaren inte används måste sladden dras ut ur vägguttaget! Du har en doppvärmare på vilken effekten finns angiven. Väg upp en mängd vatten och mät dess temperatur med en termometer. Stick sedan ned doppvärmaren och anslut den till nätspänningen samtidigt som du startar en klocka. Mät tiden det tar till dess att vattnet närmar sig kokpunkten t ex 90 C. Du kan då beräkna dels den elektriska energi som levererats till doppvärmaren och dels den energi som har krävts för att värma upp vattnet till exempelvis 90 C. Dessa energimängder blir inte exakt lika stora eftersom en del värmeenergi har läckt ut i rummet under experimentet. Vilken är verkningsgraden för det hela, dvs. kvoten mellan tillgodogjord energi och tillförd energi (jfr ekv. (4))? Basår, Fysik 1, Lab-PM 9(14)

10 UTFÖRANDE: 2. SPECIFIKA VÄRMEKAPACITETEN FÖR MÄSSING. I en bägare har du en känd mängd vatten med uppmätt känd temperatur, omkring rumstemperatur. Du tar sedan en bit mässing, som du värmer till cirka 100 C. Det åstadkommer du genom att mässingsbiten hålls nedsänkt i ett annat kärl med kokande vatten. Mät temperaturen! Mässingsbiten är fäst vid ett snöre så att du kan lyfta upp mässingsbiten. Du för sedan mässingsbiten ned i den första vattenbägaren, rör om med termometern och väntar med att notera temperaturen till dess att temperaturen blivit konstant. Du kan nu beräkna ett värde på specifika värmekapaciteten för mässing (ekv. (2)). Gör det. 3. SPECIFIKT SMÄLTVÄRME FÖR IS. Detta blir en mätning behäftad med en ganska stor onoggrannhet men det är principen för energiutbytet som vi är ute efter. UTFÖRANDE: Väg upp en lagom mängd vatten i en glasbägare och värm upp den till ca 10 C över rumstemperatur. Vad som kan vara lagom får du själv avgöra med hänsyn till det följande. Tänk på att du behöver mäta och notera denna temperatur! I vattnet skall du lägga en mängd is som förhoppningsvis skall smälta helt och just när den har smält mäter du den nu aktuella temperaturen. Denna temperatur kallar vi jämviktstemperatur. Om du därefter väger bägaren igen kan du beräkna isens massa ur skillnaden mellan resultatet av denna vägning och den första. Du kan med mätvärden från de utförda mätningarna av massor och temperaturer beräkna smältvärmet för isen (ekv. (5)). Gör det! Ledtråd: att smälta isen(med massa m is) samt värma upp smältvattnet till jämviktstemperaturen(t jämvikt) kräver samma energimängd som den som avges när temperaturen hos varmvattnet(med massa m) sänks från ursprungstemperaturen till jämviktstemperaturen. Basår, Fysik 1, Lab-PM 10(14)

11 4. DENSITET Syftet med den här laborationen är att bestämma densiteten för några olika ämnen. För ett föremål med massa m och volym V ges densiteten ρ av uttrycket: UTFÖRANDE = Ni har tillgång till ett antal aluminiumbitar av olika former och storlekar. Till er hjälp har ni en så kallad mollbägare, mätglas och en våg. Ta ett föremål och bestäm dess massa med vågen. Ställ en glasbägare under mollbägarens pip och fyll på med vatten tills det rinner ur pipen. Häll ut detta vatten och ställ tillbaka glasbägaren. Ta nu ett av föremålen och lägg det i mollbägaren. Den volym vatten som rinner ut motsvarar föremålets volym. Mät denna volym med ett mätglas. Hur många cm 3 motsvarar 1 ml? Anteckna föremålets massa och volym i en tabell. Upprepa för några fler föremål av samma ämne. Gör en graf med volym på x-axeln och massa på y-axeln. Markera era mätvärden i grafen och anpassa en rät linje till punkterna. Varför bör linjen vara rät? Var bör den skära y-axeln? Hur kan man bestämma densiteten ur denna graf? Jämför med tabellvärde. Basår, Fysik 1, Lab-PM 11(14)

12 LABORATION 3: ELEKTRISK MÄTNING OCH KRETSAR 1. MÄTNING AV SPÄNNING, STRÖM OCH RESISTANS Du skall här använda ett universalinstrument, som kan mäta både spänning, ström och resistans. Spänning mäts över en komponent (dvs. mätinstrumentet parallellkopplas) medan ström mäts genom en komponent (dvs. mätinstrumentet seriekopplas). a) Spänningsmätning Mät spänningen över ett ficklampsbatteri. Stämmer din uppmätta spänning med batteriets märkning? Mät spänningen över två seriekopplade ficklampsbatterier. Stämmer det? b) Du skall nu koppla in en glödlampa till det ställbara spänningsaggregatet. Mät först med universalinstrumentet över aggregatets utgång så att du får 6.0 V utspänning. Koppla sedan in amperemeter och glödlampa i serie. Hur stor elektrisk ström går genom lampan? Hur stor spänning är det över lampan? Vilken effekt utvecklar lampan? c) Du skall nu mäta resistans. Mät upp resistansen för en urkopplad glödlampa. Vad är resistansen vid kortslutning av mätsladdarna? Kan du mäta resistansen för din egen kropp? Gör en resistansmätning för ett skjutmotstånd. Mellan vilka värden kan resistansen varieras? Stämmer det med vad som anges? 2. SERIE- OCH PARALLELLKOPPLING AV GLÖDLAMPOR OCH MOTSTÅND a) Se till att vrida ned utspänningen på spänningsaggregatet till noll. Koppla sedan in en seriekoppling av två glödlampor till aggregatet. Koppla också in en amperemeter i kretsen. Rita ett kopplingsschema av denna uppställning. Vrid sakta upp spänningen tills lamporna lyser med normal styrka. Vad händer om en glödlampa skulle gå sönder eller kopplas ur? Mät strömmen i kretsen (den bör ligga runt 0.5 A). Mät upp spänningarna över vardera glödlampan, samt totalt över seriekopplingen. Ser du några regler för spänning och ström vid seriekoppling? Basår, Fysik 1, Lab-PM 12(14)

13 b) Koppla in en glödlampa till 6.0 V utspänning. Koppla också in en amperemeter i kretsen. Koppla in en till glödlampa parallellt med den enligt kopplingsschemat nedan. Vad händer? Ser du några regler för spänning och ström vid parallellkoppling? A c) Koppla två motstånd på 100 Ω parallellt och sedan ett motstånd på 100 Ω i serie med dessa. Mät upp och beräkna den resulterande resistansen för denna koppling. 3. STRÖM- OCH SPÄNNINGSMÄTNING, I-U-DIAGRAM På labbplatsen finns en plexiglasplatta med uttag för inkoppling av olika motstånd och även en glödlampa. a) Du skall först syssla med 10 Ω -motståndet. Koppla in instrument för mätning av spänningen över och strömmen genom motståndet. Motståndet tål en effektutveckling på högst 2 W vid högre effektutveckling går det sönder. Beräkna vilken spänning du kan lägga över motståndet utan att skada det. Koppla in det ställbara likspänningsaggregatet. Variera spänningen och mät upp strömmen. Plotta strömmen som funktion av spänningen i ett diagram (fem mätpunkter), dvs. I på y-axeln och U på x-axeln. Hur bestämmer du resistansen ur diagrammet? Jämför med direkt mätning med universalinstrument. b) Koppla nu på liknande sätt in glödlampan. Mät strömmen för följande spänningar: 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0 V. Plotta dina mätvärden i I-U-diagram som ovan. Vilken resistans har lampan vid låga spänningar? Vad blir resistansen vid den högsta spänningen? Kommentar? 4. RESISTIVITET a) Du får tillgång till lite motståndstråd. Bestäm resistiviteten för materialet med hjälp av lämpliga instrument. Använd mer än en mätpunkt. b) Spänn fast tråden och häng en vikt i änden (se till så att tråden hänger fritt). Koppla sedan in ca 30 cm av tråden till spänningskällan. Försök att få en ström på mer än 2 A att gå genom tråden. Kan du få den tillräckligt varm för att skära frigolit? Basår, Fysik 1, Lab-PM 13(14)

14 Hur kan man få den att glöda? Känner du till några tillämpningar i hushållet eller bostaden som bygger på elektrisk värmning av motståndstråd? 5. SPÄNNINGSDELAREN a) Koppla in utspänningen 7.0 V till ändarna på ställningen med tråden. Mät spänningen mellan en punkt mitt på tråden och spänningskällans minuspol. Mät flera punkter uppåt och neråt. Rita upp ett kopplingsschema (tråden kan ses som ett variabelt motstånd). Kan du ge någon regel för hur spänningen varierar med läget för kontaktpunkten på tråden? b) Koppla in en glödlampa mellan två punkter på tråden. Rita kopplingsschema även för denna uppställning. Vad krävs för att du skall få glödlampan att lysa? 6 SÄKRING (I MÅN AV TID) Du får här undersöka en enkel säkring. Du får använda en låda med säkringshållare och tre parallellkopplade lamphållare. a) Ta fram kopplingslåda och en säkring Vilken maximal ström är din säkring avsedd att släppa igenom? Kan du bestämma säkringens resistans med direkt resistansmätning? b) Koppla in säkringen och en glödlampa i lådan i serie med en amperemeter till spänningen 6.0 V. Avläs strömmen i kretsen. c) Skruva in först en andra och sedan en tredje glödlampa. Vad händer? Motsvarande koppling finns i våra bostäder, men där ser säkringarna annorlunda ut. Vad är egentligen risken med att ha för mycket ström i ledningarna? Basår, Fysik 1, Lab-PM 14(14)