Laborationskurs i FYSIK B

Transkript

1 Laborationskurs i FYSIK B Labbkursen i fysik består av 6 laborationer. Vid varje labbtillfälle (3 stycken) utförs 2 laborationer. Till alla 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 16

2 Innehåll: Sid Att skriva en laborationsrapport. 3 Att tänka på i samband med laborationerna. 3 Förberedande uppgifter till GITTER. 4 Laboration 1: GITTER. 5 Förberedande uppgifter till STUDS. 6 Laboration 2: STUDS. 6 Förberedande uppgifter till KAST OCH ENERGI. 7 Laboration 3: KAST OCH ENERGI. 8 Förberedande uppgifter till MAGNETFÄLT. 10 Laboration 4: MAGNETFÄLT. 10 Förberedande uppgifter till VÄTES SPEKTRUM. 12 Laboration 5: VÄTES SPEKTRUM. 13 Inställning av spektrometern. 14 Förberedande uppgifter till ABSORPTION av GAMMASTRÅLNING. 15 Laboration 6: ABSORPTION av GAMMASTRÅLNING. 15 Sidan 2 av 16

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 16

4 FÖRBEREDANDE UPPGIFTER TILL GITTER Läs labbinstruktionen och svara på följande frågor. Uppgift 1: Ett gitter med 600 linjer/mm belyses med monokromatiskt ljus av våglängden 633 nm. Man fångar upp ljusmönstret på en skärm parallell med gitter på avståndet 1,10 m. Beräkna det inbördes avståndet mellan de två ljusfläckar, som svarar mot andra ordningens ljusmaxima. Uppgift 2: LINJAL LASER GITTER 66,0 mm 83,8 mm En ljuskälla sänder ut ljus med två våglängder. Den ena är 628 nm. Den andra är kortare men i övrigt okänd. Ljuset undersöks med hjälp av ett gitter och en skärm (se figur). På skärmen observeras fem ljusfläckar av vilka 4 tillhör första ordningens spektrum. Uppgift om gitterkonstantens storlek saknas. Det vinkelräta avståndet gitter-linjal är 78,5 mm. Bestäms den okända våglängden. Ange de samband Du använder och beskriv hur Du identifierar ljusfläckarna. Sidan 4 av 16

5 Laboration 1: GITTER UPPGIFT: Att bestämma laserns våglängd samt glödlampas våglängdsområde med hjälp av ett gitter. MATERIEL: laser, lampa, gitter, lins med f = 10 cm och linjal. UTFÖRANDE: 1. Bestämning av laserns våglängd: Ställ lasern så att den, genom ett gitter, belyser linjalen på och att fem punkter syns på linjalen. Beräkna 1 och 2 på lämpligt sätt. Använd gitterformeln för att beräkna i första och andra ordning. Gör en tabell! LINJAL LASER GITTER Bestämning av våglängdsområdet för synligt ljus. Undersöker ljuset från en glödlampa. Detta ljus innehåller många olika våglängder som böjs olika mycket. Kontinuerliga spektra av flera ordningar erhålles på ömse sidor om centralbilden. Bestäm våglängdsområdet för synligt ljus. Gör en tabell! Sidan 5 av 16

6 FÖRBEREDANDE UPPGIFTER TILL STUDS Läs labbinstruktionen och svara på följande frågor. En boll med massan 80 g har farten 10 m/s innan den slår i marken och 8,0 m/s direkt efter. Studstiden är 50 ms. Beräkna: a) Ändringen av rörelsemängden, b) Den genomsnittliga kraften, c) Accelerationen på två sätt (a = v/ t och F = ma) Laboration 2: STUDS Uppgift: Undersökning av energiomvandling och impuls då en boll studsar. Materiel: Boll, mm-graderad meterlinjal Utförande: Gör lämpliga mätningar för att kunna beräkna: 1. Energiförlusten vid studsen. (hur stor del av ursprungliga energin omvandlas till värme vid studsen?) 2. Impulsen bollen får av bordet vid själva studsen dvs. ändringen av rörelsemängd. Sidan 6 av 16

7 Förberedande uppgifter till KAST OCH ENERGI Läs labbinstruktionen och svara på följande frågor. 1. En kula skjuts snett uppåt med utgångshastigheten 43 m/s från markplanet vid tiden t = 0 s. Utgångsriktningen bildar vinkeln 40 О med marken. a. Hur stor är utgångshastigheten i x-led? b. Hur stor är utgångshastigheten i y-led? c. Hur lång tid befinner sig kulan i luften? 2. En sten som väger 20 g kastas ut horisontellt med hastigheten 15 m/s från ett 30 m högt torn. Vilken är stenens hastighet precis innan den träffar marken? 3. En träkloss med massan 500 g glider utför ett lutande plan med den lodräta höjden 80 cm. Begynnelsehastigheten var 1,5 m/s. Hur stor var friktionsenergin om sluthastigheten var 2,7 m/s? Sidan 7 av 16

8 Laboration 3: KAST OCH ENERGI Materiel: kula, kulbana, mätstav och våg 1. Släpp kulan utan begynnelsefart från läge A och låt den rulla längs banan ut på bordet. Använd energiprincipen för att beräkna kulans fart vid läge B. Redovisa mätvärden, samband, beräkningar och slutresultat. 2. Släpp kulan som ovan, men låt den falla ned på golvet. Beräkna kulans hastighet då den lämnar banan vid B, genom att studera kaströrelsen mellan B och C. Se figuren. Redovisa mätvärden, samband, beräkningar och slutresultat Redovisa samband, beräkningar och slutresultat. Sidan 8 av 16

9 3. Då kulan rör sig från A till B roterar den samtidigt som den rör sig framåt. Detta innebär att när kulan lämnar banan vid B har den både rörelseenergi och rotationsenergi. Förklara varför de båda hastighetsvärdena och ej blir lika, och vilket av dem som bäst överensstämmer med kulans verkliga fart. Redovisa samband, beräkningar och slutresultat. FÖRBEREDANDE UPPGIFTER TILL MAGNETFÄLT Läs labbinstruktionen och svara på följande frågor. Uppgift 1: I 2I 3I Figuren visar tre långa och parallella ledare i samma plan. Den mellersta ledaren befinner sig mitt emellan de båda andra. Ledarna genomflyts av strömmarna I, 2I och 3I. Ange riktningen av den resulterande kraften på den mellersta ledaren. Uppgift 2: I ett laboratorium finns en lång, horisontell likströmledning som går i nord-sydlig riktning. För att mäta strömmen i ledningen går man tillväga på följande sätt. En kompass placeras 1,5 m rakt under ledningen. Kompassnålen, som pekar åt norr då ledningen är strömlös, vrider sig vinkeln 30 o då strömmen I går genom ledningen. Det jordmagnetiska fältet är 53 T och inklinationsvinkeln 70 o där kompassen befinner sig. Beräkna strömmen I i ledningen. Sidan 9 av 16

10 Laboration 4: MAGNETFÄLT Uppgift: Bestämma jordens magnetfält och horisontalkomposant i Stockholm. Materiel: En platt spole med magnetdosa i centrum, spänningsaggregat, amperemeter, sladdar, linjal och inklinationsnål. Utförande: Magnetdosan ställs på ett stativ. Observera att skruven på dosans undersida måste lossas. En platt spole fästes i stativet så att magnetnålen befinner sig i centrum av spolen. Då spolen är strömlös ställer nålen in sig längs jordmagnetiska fältets horisontalkomposant B h. Stativet justeras så att spolens plan ligger i nord-syd-riktning och dosan vrids så att visaren pekar på noll. När ström leds genom spolen, alstras kring denna ett magnetfält. I spolens centrum är detta fält B s riktat vinkelrätt mot spolens plan. Magnetnålen kommer då att ändra riktning och ställa in sig i det resulterande fältets B riktning. Se figurerna nedan. I samtliga försök görs två mätningar (en mätning för varje strömriktning i spolen). Utslagsvinkeln dvs. vinkeln mellan B h och B, skall alltså mätas vid båda strömriktningarna, varefter medelvärdet beräknas. Spänningsaggregatet, amperemetern och en spole seriekopplas. Spänningskällan och amperemetern bör placeras ca 1 m från magnetnålen för att störningar från dessa skall kunna undvikas. Strömriktningsändringen vid försöken sker lämpligast genom att anslutningarna skiftas. B h N 1 2 B s Flödestätheten i spolens centrum kan beräknas med formeln: 2 10 R 7 B s NI S N varv Vidare gäller tan B B s h Sidan 10 av 16

11 Olika strömstyrkor och varvtal väljes enligt nedanstående tabell. N R (m) I (A) B s 1 2 B h (T) 1 1,00 1 3,00 2 1,00 2 3,00 3 1,00 3 3,00 4 1,00 4 3,00 Medelvärde Mät inklinationsvinkeln v i Stockholm med hjälp av inklinationsnål. Beräkna flödestätheten för jordmagnetiska fältet B. OBS! Rita en figur! v = B = Kommentar: FÖRBEREDANDE UPPGIFTER TILL VÄTES SPEKTRUM Läs labbinstruktionen och svara på följande frågor. Uppgift 1: Beräkna med hjälp av: R ( ) 2 2 m n våglängden för linjen som har den näst längsta våglängden i Paschenserien i väteatomen. Uppgift 2: Beräkna samma våglängd som i uppgift 1 med formeln: E 13, 6 n ev n 2 Sidan 11 av 16

12 Laboration 5: VÄTES SPEKTRUM Uppgift: Att bestämma våglängderna för de synliga linjerna i vätes spektrum. Materiel: Spektrometer, gitter, vätelampa. Teori: Vätes spektrallinjer bildar regelbundna serier. Den serie som ligger inom det synliga området kallas Balmerserien. För den gäller: 1 1 R ( ) 2 n där R är Rydbergs konstant. Utförande: Justera in spektrometern enligt Inställning av spektrometern och bestäm sedan våglängderna för de tre synliga linjerna i vätes spektrum (röd, turkos och violett). För in de beräknade värdena i nedanstående tabell. Kontrollera därefter att våglängderna verkligen tillhör väte. (Se tabellsamlingen). Vätelampan kan vara oren, dvs. innehålla andra gasrester. Leta upp ett energinivådiagram för väte och kontrollera vilka elektronövergångar som tillhör Balmerserien. Bestäm kvanttalet n. FÄRG Läge 1 Läge 2 2 (nm) (nm) tabell Procentuell avvikelse Energinivå n Redovisa samband och beräkningar! Sidan 12 av 16

13 INSTÄLLNING AV SPEKTROMETERN ljuskälla Skruv till kollimatorlins Skruv till spaltbredd kollimator kollimatorlins gitterbord gitterhållare Objektivet (lins) Skruv till objektivet Kikare: kikare Okular med hårkors 1. Rikta kikaren mot ett fönster, titta genom kikaren med ena ögat och betrakta ett avlägset föremål med det andra. Ögat ställs då in för oändligt avstånd. 2. Justera samtidigt okularet (genom förskjutning i kikarens längriktning) så att hårkorset syns skarpt. 3. Betrakta ett avlägset föremål genom kikare. Flytta objektivet (med hjälp av skruven på kikarens sida) tills föremålet och hårkorset syns skarpa. 4. Rör huvudet något i sid- och höjdled. Bilderna av föremålet och hårkorset skall då ej flytta sig i förhållande till varandra. Parallaxfrihet har då åstadkommits. Justera objektivet och okularet så att bästa möjliga parallaxfrihet erhålles. Okularet och objektivet får sedan ej röras. Kollimator: 5. Ställ kikaren i rät linje med kollimatorn. Belys kollimatorspalten med lampan. 6. Titta genom kikaren och justera kollimatorlinsen (med hjälp av skruven på kollimatorns sida) tills bilden av spalten och hårkorset syns skarpt. 7. Rör huvudet i sid- och höjdled för att kontrollera parallaxfriheten. Justera om så behövs. Linsen får därefter inte röras. Gittret: 8. Placera gittret i hållaren. (Ritsorna skall vara vertikala.) 9. Vrid bordet så att gittret blir vinkelrätt mot kollimatorns axel enligt ögonmått. Ett eventuellt inställningsfel har liten betydelse, eftersom avläsningarna utförs åt båda hållen från centrallinjen. Sidan 13 av 16

14 FÖRBEREDANDE UPPGIFTER TILL ABSORPTION AV GAMMASTRÅLNING. Läs labbinstruktionen och svara på följande frågor. Uppgift 1: Vid ett försök med absorption av -strålning i bly finner man att strålningens intensitet halveras av 8,0 mm bly. Hur många procent av den ursprungliga intensiteten har absorberas då -strålning passerat ytterligare 24 mm? Uppgift 2: Vid ett försök att bestämma halvvärdestjockleken för en absorbator undersökes hur strålningens intensitet beror av tjockleken hos denna absorbator. Följande mätningar gjordes: 1. Ett GM-rör placerade intill det radioaktiva preparatet varefter antalet pulser per minut observerades för olika tjocklekar av absorbatorn. Resultatet av mätningen framgår av tabellen. Absorbatorns 0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5 12,0 tjocklek i mm Pulser/min Det radioaktiva preparatet avlägsnades varefter GM-röret registrerade 2570 pulser på 10 minuter. Bestäm absorbatorns halvvärdestjocklek för -strålning. (Rita en graf på lin-lin- alt lin-log-papper eller med hjälp av Din grafritande räknare). Laboration 6: ABSORPTION AV GAMMASTRÅLNING. Uppgift: Att undersöka hur strålningens intensitet beror av tjockleken hos en absorbator (bly), samt att bestämma materialets halvvärdestjocklek. Materiel: strålande preparat, GM-rör, räknare, blyskivor, skjutmått, stoppur och stativmateriel. Kortfattad teori: Då joniserande strålning träffar det gasfyllda GM-röret uppkommer genom jonisationer strömstötar, som registreras av räknaren. Antalet sådana strömstötar är ett mått på strålningens intensitet I. Då en absorbator placeras i strålningens väg absorberas genom olika processer en del av strålningen. Då absorbatorns tjocklek ökar, avtar den strålningsintensitet som registreras bakom absorbatorn. Man kan visa att följande samband gäller: I = I 0 e - x där är en konstant som beror av absorbatorns beskaffenhet och strålningens egenskaper. Sidan 14 av 16

15 Mätningar: Ställ in först GM-rörets spänning till ca 500V. Registrera bakgrundsstrålningen (I b ). Se till att inga radioaktiva preparat finns i närheten och registrera antalet pulser under t. ex. 5 minuter. Bakgrundsaktiviteten I b (pulser/min) skall sedan subtraheras från de intensiteter som registreras under experimentet. Preparatet monteras nu lodrätt med en klämmare så att avståndet mellan detta och GM-röret blir ca 5 cm. För olika värden x på blyets tjocklek registreras nu intensiteten bakom blyplattorna. Det statistiska felet blir mindre ju fler pulser som totalt registreras. Välj därför mättid så att antalet registrerade pulser N > Fyll i en tabell nedan. I b = /5 = x (mm) N (antal) T (min) I = N/T - I b ln (I) Utvärdering: Nu skall halvvärdestjockleken x 1/2 bestämmas. Dvs. den absorbatortjocklek som sänker den ursprungliga intensiteten till hälften. Avsätt ln(i) mot x i ett diagram och läs av skall halvvärdestjockleken. Sidan 15 av 16