Разноуровневые экспериментальные задачи по физике

В данном разделе представлен большой выбор интересных экспериментальных задач по различным разделам курса школьной физики. Все задачи проиллюстрированы фотографиями реальных физических экспериментов и опытов, проводимых на лабораторных работах, уроках по физике. Задачи разбиты по уровню сложности и, безусловно, будут полезны как ученикам, так и учителям физики. Задачи усложняются по мере перехода от уровня к уровню и требуют от учащихся очень глубоких знаний по физике, в том числе и по другим разделам, а также высокого уровня математических знаний.

Механика

Задача 1А. «Пузырьковая теория бермудского треугольника». Игрушечный кораблик плавает на поверхности насыщенного раствора соли в воде, в соответствии с рисунком 17. Почему, после того как в воду аккуратно налили 70% раствор уксусной кислоты, кораблик утонул?

Задача 2А. Платформа с грузом скатывается по наклонной плоскости, на которой установлены датчики. При движении мимо верхнего датчика включается электронный секундомер, который выключается в момент движения мимо нижнего датчика. Платформа с грузом начала движение из точки, находящейся очень близко к верхнему датчику, так что начальную скорость можно считать равной нулю. Используя данные из рисунка 18, определите ускорение бруска и его скорость в момент выключения секундомера.

Задача 3А. На весах стоит стакан с водой, в соответствии с рисунком 19. Весы находятся в равновесии. Как изменится равновесие весов при опускании эбонитовой палочки, закрепленной в лапке штатива, в стакан так, чтобы она не касалась дна и стенок. (Ответ объясните).

Задача 4А. Определите работу силы трения при движении бруска с грузом равномерно между датчиками, укрепленными по краям линейки, в соответствии с рисунком 20. Время движения фиксировалось электронным секундомером, который включался в тот момент, когда брусок двигался мимо левого датчика и выключался при движении мимо правого датчика. Сила воздействия на брусок с грузом при его движении измерялась с помощью динамометра.

Задача 5А. Определите по фотографии штангенциркуля, в соответствии с рисунком 21, высоту цилиндра, зажатого в губках для наружных измерений.

Задача 1 В. Платформа с грузом общей массой 100 г под действием постоянной силы, измеряемой динамометром, переместилась равноускоренно между датчиками, установленными по краям линейки, в соответствии с рисунком 22. Время движения фиксировалось электронным секундомером. Определите коэффициент трения между платформой с грузом и линейкой и кинетическую энергию, которой обладала платформа в момент прохождения второго датчика, считая, что скорость платформы у первого датчика равна нулю.

Задача 2 В. Деревянная каретка (1) массой 40 г приводится в движение электродвигателем постоянного тока (2) вдоль деревянной линейки, в соответствии с рисунком 23. Время движения каретки между датчиками (3) и (4) измеряется электронным секундомером (5), которые последовательно включают и выключают его. С помощью реостата (6) было подобрано такое значение силы тока в цепи электродвигателя, что движение каретки с большой точностью можно считать равномерным и прямолинейным. Соответствующие значения силы тока и напряжения на электродвигателе измерялись соответственно амперметром (7) и вольтметром (8). Определите КПД (коэффициент полезного действия) двигателя в данном эксперименте при перемещении каретки между датчиками, а также мощность силы тяги, развиваемой электродвигателем за это время. (Использовать таблицу коэффициента трения скольжения).

Задача 3 В. Деревянный брусок, на котором закреплены два груза массой по 102 г каждый, перемещается прямолинейно по деревянной планке из состояния покоя под действием постоянной силы, измеряемой динамометром, в соответствии с рисунком 24. Показания динамометра в момент проведения опыта на рисунке 24. По линейке, укрепленной сбоку, было определено, что брусок переместился на расстояние 21 см. Для определения веса бруска он был подвешен за динамометр, укрепленный в лапке штатива. Посмотреть показания динамометра. Определите: 1) характер движения бруска; 2) сколько времени перемещали брусок? (Использовать таблицу коэффициента трения скольжения).

Молекулярная физика и термодинамика

Задача 1А. Определите с учетом погрешности измерительного прибора показания термометров, в соответствии с рисунком 25, и выразите полученные значения в Международной системе единиц.

Задача 2А. Ученик для определения относительной влажности воздуха обмотал резервуар с рабочим телом термометра тканью и погрузил в стакан с водой, укрепив его так, что часть ткани находилась в воде, в соответствии с рисунком 26. По истечении 20 минут была сделана фотография первого термометра и второго термометра, укрепленного на стене для определения температуры в лаборатории. Какое значение относительной влажности воздуха в помещении получил ученик и почему показания термометра, обмотанного тканью ниже, чем у того, который закреплен на стене? (Использовать психрометрическую таблицу).

Задача 3А. Если внимательно взглянуть на каплю воды, то Вы заметите, что капля всегда стремиться принять форму шара, в соответствии с рисунком 27. Почему капля не принимает форму других пространственных фигур, например, шара, куба, пирамиды, параллелепипеда и т. п. Объясните качественно данное явление.

Задача 1 В. Резервуар термометра с рабочим веществом обмотали тканью, конец которой поместили в стакан с водой, в соответствии с рисунком 28. По истечении 30 мин была сделана фотография этого термометра и, кроме того, в помещении, где проводилась съемка, была сделана также фотография сухого термометра. Используя рисунок и таблицу зависимости давления насыщенных водяных паров от температуры, определите парциальное давление водяных паров, находящихся в помещении.

Задача 2 В. Алюминиевый сосуд с водой нагревается на электрической плите, в соответствии с рисунком 29. Внутренний диаметр сосуда 65 мм, толщина его стенки 1 мм, высота 8 см. Высота водяного столба в сосуде 6 см. Для измерения температуры в сосуд опущен термометр. В ходе проведения эксперимента была составлена таблица, отражающая зависимость температуры воды в сосуде от времени. Пренебрегая теплопередачей с атмосферой, определите мощность электроплитки. (Использовать таблицу удельной теплоемкости некоторых веществ).

Электростатика и электродинамика

Задача 1А. Определите цену деления электроизмерительных приборов, в соответствии с рисунком 30.

Задача 2А. Определите с учетом абсолютной погрешности электроизмерительных приборов их показания, в соответствии с рисунком 30.

Задача 3А. Пренебрегая внутренним сопротивлением источника, рассчитайте напряжение на лампе. Схема включения показана на рисунке 31.

Задача 4А. Определите активное сопротивление электрической лампы, схему включения которой Вы видите на рисунке 32.

Задача 5А. На остриё иголки надета легкая алюминиевая пластина (1), подключенная к индуктору электрофорной машины (2), в соответствии с рисунком 33. При вращении ручки электрофорной машины пластина начинает вращаться. Объясните причину и определите направление её вращения.

Задача 1 В. На рисунке 34 Вы видите участок цепи, подключенный к источнику постоянного напряжения 6 В. Сила тока в цепи измеряется амперметром, включенным последовательно с лампой, а напряжение на резисторе вольтметром. Определите количество теплоты, которую выделяет лампочка при прохождении по ней тока в течение 10 минут.

Задача 2 В. На рисунке 35 Вы видите электроизмерительные приборы. Как называются приборы и для измерения какой величины они служат? Какова цена деления, предел измерения и абсолютная погрешность данных приборов? Переменный или постоянный ток должен протекать по приборам при измерении?

Задача 3 В. К источнику постоянного напряжения 4В подключено три резистора, значение сопротивлений которых Вы можете видеть на рисунке 36. Пренебрегая внутренним сопротивлением источника тока и считая соединительные провода идеальными, определите: 1) сопротивление резистора R₂, 2) напряжение на резисторе R₃, 3) общее сопротивление цепи, 4) общее напряжение падающее на три резистора. Почему номинальное напряжение источника отличается от рассчитанного Вами?

Задача 4 В. К источнику постоянного напряжения подключены три резистора, в соответствии с рисунком 37. Показания амперметра, измеряющего силу тока в цепи, и вольтметра Вы видите на рисунке. Что покажет амперметр и вольтметр, если цепь преобразовать? R₁ = 2 Ом, а R₃ = 1 Ом.

Электромагнетизм

Задача 1А. На рисунке 38 Вы видите опыт Томсона, который заключается в том, что при подключении катушки электромагнита к источнику переменного напряжения кольцо из диамагнетика (в нашем случае алюминиевое) начинает левитировать на железном сердечнике. Почему при подключении электромагнита к источнику постоянного напряжения кольцо не левитирует?

Задача 2А. По картинке, в соответствии с рисунком 39, определите направление вращения прибора Ленца при перемещении постоянного магнита в направлении указанном стрелкой.

Задача 3А. Алюминиевая пластина, совершает колебания в зазоре сердечника электромагнита, в соответствии с рисунком 40. Почему при включении источника переменного напряжения, к которому подключен электромагнит, колебания пластины резко затухают?

Задача 4А. На рисунке 41 Вы видите отклонение электронного луча осциллографа при поднесении к его экрану постоянного дугообразного магнита. Определите расположение магнитных полюсов магнита.

Задача 5А. Магнитная стрелка на подставке (1) находится в магнитном поле кругового витка (2), подключенного к источнику постоянного напряжения, в соответствии с рисунком 42. Определите направление вектора магнитной индукции в точке, А (В центре кругового витка).

Задача 6А. Вы видите магнитную стрелку (1), установленную в точке, А на подставке в магнитном поле кругового витка с током (2), силовые линии которого смоделированы мелкими железными опилками, в соответствии с рисунком 42. Изобразите на бумаге картину силовых линий магнитного поля с указанием векторов магнитной индукции.

Задача 1 В. Учащиеся при проведении опыта Томсона, демонстрирующего левитацию алюминиевого кольца в переменном магнитном поле, установили, что среднее значение силы, действующей на кольцо со стороны магнитного поля, прямо пропорционально горизонтальной составляющей индукции магнитного поля, в соответствии с рисунком 43. В свою очередь модуль горизонтальной составляющей индукции магнитного поля зависит от высоты над электромагнитом так, как показано ниже на графике. На какой высоте кольцо будет находиться в устойчивом равновесии? Какая из точек А, В или С на графике соответствует этому положению кольца?

Задача 2 В. Катушка (1) из медного провода подключена к клеммам источника постоянного напряжения (2), в соответствии с рисунком 44. Направление намотки провода на каркас указано черной стрелкой на левом торце катушки. При включении источника тока магнитная стрелка (3) ориентировалась в магнитном поле катушки так, как Вы видите на рисунке. Определите направление тока в катушке и сделайте поясняющий рисунок.

Задача 3 В. На осциллограф подается сигнал с колебательного контура. Используя полученное изображение на экране осциллографа, в соответствии с рисунком 45, определите частоту и период колебаний электрического тока в колебательном контуре, учитывая, что одно деление шкалы по оси абсцисс соответствует 10^-6 секунды. С чем связано затухание электромагнитных колебаний?

Задача 4 В. На рисунке 46 Вы видите осциллограмму электромагнитных колебаний напряжения в цепи. Используя настройки осциллографа, определите период, амплитуду и частоту колебаний электрического напряжения. (Примечание: при определении времени развертки, в силу технических неполадок осциллографа, полученное значение необходимо умножить на 10).

Оптика

Задача 1А. На рисунке 47 Вы видите ход лазерного луча в жидкостях. Согласно законам геометрической оптики луч свет должен распространяется в среде по прямой линии. Как Вы думаете, с чем может быть связано отступление от данного закона?

Задача 2А На рисунке 48 Вы видите двояковыпуклую линзу. Как соотносятся между собой показатели преломления окружающей линзу среды и вещества, из которого сделана линза?

Задача 3А На рисунке 49 Вы видите двояковогнутую линзу. Почему же линза является собирающей?

Задача 1 В. Луч лазерного излучения распространяется в неоднородной среде, в соответствии с рисунком 50. Определите, где будет видимое местоположение источника лазерного излучения при наблюдении из точки А?

Задача 2 В. На рисунке 51 Вы видите интерференционную картину в виде колец Ньютона, получаемую при освещении плосковыпуклой линзы красным монохроматическим светом с длиной волны л = 760 нм. Радиус линзы 40 см. Кольца Ньютона рассматриваются при помощи измерительного микроскопа с двукратным увеличением, цена деления окулярной шкалы которого 0.1 мм. Определите толщину воздушного зазора в том месте где наблюдается 3 темное кольцо. (Нумерацию производить от центра интерференционной картины).

Задача 3 В. На рисунке 52 Вы видите лабораторную установку по изучению дифракционных спектров. Установка состоит из дифракционной решетки (1) и подвижного экрана (2) с узкой щелью в центре, который расположен на расстоянии 37 см от решетки. Кроме того, Вашему вниманию представлена фотография наблюдаемой дифракционной картины. Определите период дифракционной решетки. (Длину волны красного света считать равной л = 760нм).