Tekniskt basår, Fysik, del 1, hösten -09 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 om man har 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. s(t 2 ) : t 1 : t 2 : t 3 s På banan sitter två stycken 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: 1) färdas sträckan s vid den övre fotocellen ( t 1 ). 2) färdas sträckan s mellan fotocellerna (t 2 ). 3) färdas sträckan s vid den undre fotocellen ( t 3 ). Om vi försummar accelerationen under den korta sträckan s så kan vi räkna ut den hastighet vagnen har när givare 1 passeras (v 0 s/ t 1 ), samt när givare 2 senare passeras (v s s/ t 3 ). Uppgift 1a. Mät tiderna t 1, t 3 och t 2 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. LW, 09-11-23 1(9)
Uppgift 1b. Beräkna vagnens acceleration (a) och planets vinkel (α). Genomför beräkningen av accelerationen med hjälp av rörelseformeln: s = v 0 t 2 a t + 2 2 2 (1.1) För beräkning av vinkeln α använder du komposantuppdelning av kraften och trigonometri; Rita gärna en bild för att inse att i vårt fall gäller att kraftkomposanten längs banan är mgsinα, dvs accelerationen är a = g sin( α ) (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. Redovisning Rita i diagram 1 sluthastigheten (v s ) som funktion av den tid (t 2 ) under vilken vagnen har accelererat. Rita i diagram 2 upp sträckan s som funktion av tiden (t 2 ). Vilket värde får hastigheten i kurvan v s (t 2 ) då t 2 går mot noll i diagrammet? Bestäm ur diagram 1 accelerationen ( a = v t ). Reflektera över om accelerationen bör vara större eller mindre än tyngdaccelerationen g. Är storleksordningen för vinkeln α rimlig? Kontrollera genom att mäta på lutande planet. Jämför den beräknade accelerationen med den uppmätta accelerationen. LW, 09-11-23 2(9)
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. N F fr F x α mg F y I skissen ovan blir normalkraften N = F y = mgcosα och kraften längs planet, dvs. den kraft som vill föra kroppen nedför, F x = mgsinα. Friktionskraftens storlek blir F fr = µ.n, 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), mg sin = ( α ) µ mg cos( α ) (2.1) Väg klossarna med hjälp av en dynamometer (tänk på att det inte är klossarnas massor utan vikter som dynamometern visar). Lägg klossen på planet (som nu är plant) och luta det alltmer till klossen börjar kana ner. Jämför klossen med och utan sandpapper; Vilken kanar först? Varför? LW, 09-11-23 3(9)
Använd sambandet ovan för att bestämma friktionskoefficienten mellan träklossen och underlaget, med och utan sandpapper. Lägg sedan ner klossen på plant underlag (använd samma underlag!) och dra den framåt med dynamometern med konstant fart, med och utan sandpapper. Vad får man för utslag på dynamometrarna? Den kraft man läser av på dynamometern är friktionskraften. Med hjälp av dessa fakta räknar du ut friktionskoefficienten mellan ytorna. Prova att lägga en tyngd på klossen och dra den över underlaget. Har friktionskraften ändrats? Vad beror det på? Får man samma svar om man räknar ut friktionskoefficienten igen? 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. Blir det någon skillnad? Redovisning Hur stor är friktionskoefficienten med och utan sandpapper på klossen? Vad beror skillnaden på? Har friktionskoefficienten någon enhet? Vilken? Fundera ut några exempel på material som skulle ge lägre respektive högre friktionskoefficient. Spelar tyngden på klossen någon roll för friktionen? Varför? Vad spelar hjulen på vagnen för roll? Fundera på för- och nackdelar med friktion. Hur skulle det vara om det inte funnits friktion? Var finns friktion? LW, 09-11-23 4(9)
Tekniskt basår, Fysik, del 1, hösten -09 Laboration 2: 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. a) Mät spänningen på ett ficklampsbatteri. Stämmer din uppmätta spänning med batteriets märkning? b) Mät spänningen på två seriekopplade ficklampsbatterier. c) Du skall nu koppla in en glödlampa till det ställbara spänningsaggregatet. Mät först med universalinstrumentet på aggregatets utgång så att du får 6.0 V utspänning. Koppla sedan in ampèremeter och glödlampa i serie. Hur stor elektrisk ström går genom lampan? Hur stor spänning är det över lampan? Vilken effekt utvecklar lampan? d) Du skall nu mäta resistans. Mät först upp resistansen för en glödlampa, sedan resistansen vid kortslutning av mätsladdarna. Kan du mäta resistansen för din egen kropp? Gör sedan resistansmätning för ett skjutmotstånd. Mellan vilka värden kan resistansen varieras? 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 ampèremeter i kretsen. 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. Mät upp spänningarna över vardera glödlampan, samt totalt över seriekopplingen. Ser du några regler för spänning och ström vid seriekoppling? b) Koppla in en glödlampa till 6.0 V utspänning. Koppla också in en ampèremeter i kretsen. Koppla in en till glödlampa parallellt med den första. Vad händer? Ser du några regler för spänning och ström vid parallellkoppling? 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 labplatsen 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. Koppla in det ställbara likspänningsaggregatet. Motsåndet tål en effektutveckling på högst 2 W - vid högre effektutveckling går det sönder. Vilken spänning kan du lägga över motsåndet utan att skada det? Variera spänningen och mät upp strömmen, samt plotta strömmen som funktion av spänningen i diagram (tio mätpunkter). 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? LW, 09-11-23 5(9)
4. 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. 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. Vad krävs för att du skall få glödlampan att lysa? c) Koppla in ett skjutmotstånd med mittuttag till en utspänning på 7.0 V. Mät spänningen mellan mittuttaget och spänningskällans minuspol medan du varierar skjutreglaget. Mellan vilka värden kan denna spänning ligga? 5. Resistivitet a) Du får tillgång till lite motståndstråd. Bestäm resistiviteten för materialet med hjälp av lämpliga instrument. Använd mer än en mätpunkt. b) Häng en vikt i tråden och koppla 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? Kan du få den att glöda? Känner du till några tillämpningar i hushållet eller bostaden som bygger på elektrisk värmning av motståndstråd? 6. Säkring Du får här undersöka en enkel säkring. Du får använda en låda med säkringshållare och tre parallellkopplade lamphållare. a) Vilken maximal ström är din säkring avsedd att släppa igenom? b) Kan du bestämma säkringens resistans med direkt resistans-mätning? c) Koppla in säkring och en glödlampa i serie med en amperemeter till spänningen 6.0 V. Avläs strömmen i kretsen. Skruva sedan 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? LW, 09-11-23 6(9)
Tekniskt basår, Fysik, del 1, hösten -09 Laboration 3: Värme Först några rader 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 J kg K 3 J För vatten är den specifika värmekapaciteten 4.18 10 kg K 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 oc är lika stor som temperaturskillnaden 1 K. Exempel: Antag att vi har 2 liter vatten (dvs 2 kg) som har temperaturen 20 o C och vi skall värma upp vattnet till kokning, dvs temperaturen 100 oc. Temperaturhöjningen är alltså 80 grader, vilket också är 80 K. Hur stor energimängd går då åt? Det blir 4.18 10 3 J/kg K 2 kg 80 K 670 10 3 J = 670 kj Antag att detta skett på 5 min. Den värmeffekt som då tillförts vattnet är 3 670 10 J 5 60 s 2200 W = 2.2 kw (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. Proportionalitets konstanten är den specifika värmekapaciteten c. Allmänt blir sambandet mellan värmemängd, massa, specifik värmekapacitet och temperaturändring : Q = m. c. T LW, 09-11-23 7(9)
1. Verkningsgrad vid uppvärmning av vatten med en doppvärmare. 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 oc. 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 o 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? 2. 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. Väg upp en lagom mängd vatten i en glasbägare och värm upp den till c:a 10 oc 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 mätningana av massor och temperaturer beräkna smältvärmet för isen. 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. 3. 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 o 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. Gör det. LW, 09-11-23 8(9)
En del av det som uttryckts i ord ovan kan även noteras i följande användbara samband. Vid temperatur förändringar ( utan att fasomvandlingar sker )tillförs eller avges värme: Q = m c (T 2 - T 1 ) Effekt är energi/ tid dvs P = W/t När energi omvandlas till värme har man en verkningsgrad (η) enligt nedan: Q = η W Att smälta nollgradig is till nollgradigt vatten kräver energi: Q smält = m is smältvärme På motsvarande sätt finns det ett ångbildningsvärme som behöver tillföras när flytande 100 gradigt vatten övergår i vattenånga: Q ångbilnning = m vatten ångbildningsvärme Det sista sambandet behöver vi inte använda i denna laboration. 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: m ρ =. V Ni har tillgång till ett antal koppar-, aluminum- och mässingbitar 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. Linjens lutning är lika med densiteten för ämnet. Jämför med tabellvärde. Upprepa ovanstående för ytterligare ett eller två ämnen och bestäm densiteten för dessa. LW, 09-11-23 9(9)