Дослідження залежності ККД від кута нахилу похилої площини
Мета: Встановити експериментально залежність ККД від кута нахилу похилої площини до горизонту; порівняти результати експериментально одержаної залежності та теоретично отриманого співвідношення.
Обладнання: Похила площина, динамометр, вимірювальна стрічка або лінійка, брусок, транспортир.
Теоретичні відомості
ККД похилої площини є відношення корисної роботи до затраченої , тобто:
; , (1)
де – маса тіла;
– висота похилої площини;
– прискорення вільного падіння;
– сила, необхідна для рівномірного руху тіла вгору по похилій площині;
– довжина похилої площини.
З малюнка
, (2)
де – коефіцієнт тертя;
– кут нахилу похилої площини.
Підставивши (1) в (2) одержимо:
(3)
Щоб знайти коефіцієнт тертя , розмістимо брусок на похилій площині і піднімаючи її за один кінець знайдемо граничний кут, при якому брусок буде ковзати в низ. Це станеться тоді, коли скочуюча сила , звідки:
.
Тоді формула (3) набуває вигляду:
(4)
знаходячи кут відхилення променя світла від прямолінійного напрямку.
Обладнання: прилад для вимірювання довжини світлової хвилі, електрична лампа з прямою ниткою розжарювання.
Підготовка до виконання роботи
Повторіть навчальний матеріал (§ 34) і дайте відповідь на запитання:
1. Яка будова дифракційної ґратки? Що називають її періодом?
2. Як утворюється дифракційний спектр і чим він відрізняється від призматичного?
3. Які промені дифракційного спектра відхиляються від початкового напрямку на більший кут?
4. Як впливає зміна періоду дифракційної ґратки на кут відхилення променів?
Опис приладу
Прилад для вимірювання довжини світлової хвилі (мал. 16) складається з дерев’яного бруска 2, на якому є шкала з міліметровими поділками, рамки 1 для дифракційної ґратки і повзунка 3 зі щілиною, на якому нанесено міліметрові поділки. Брусок шарнірно з’єднаний із стержнем 4. Його вставляють в отвір масивної підставки 5. Така будова приладу дає змогу закріплювати його під різними кутами й розміщувати в будь-якому напрямку. Шкалу 3 зі щілиною і захисним щитком зверху можна переміщувати вздовж бруска.
Мал. 16
Хід роботи
1. Визначте та запишіть характеристики шкал, за якими проводяться вимірювання.
2. Джерелом світла для всіх установок буде лампа, яку слід розмістити на демонстраційному столі, підключивши її до освітлювальної мережі.
3. Уставте дифракційну ґратку в рамку й накладіть на брусок 2 повзунок зі шкалою (мал. 16). Дивлячись через дифракційну ґратку, спрямуйте прилад на лампу так, щоб крізь вузьку прицільну щілину повзунка, яка міститься над нульовою міткою шкали 3, було видно нитку розжарювання лампи. Тоді по обидва боки від щілини з’являться дифракційні спектри. Якщо спектри трохи нахилені відносно шкали, то це означає, що штрихи дифракційної ґратки не вертикальні. Повернувши рамку з ґраткою на деякий кут, треба усунути перекіс.
4. Визначте положення червоних і фіолетових променів спектрів першого та другого порядку. Для цього треба переміщувати шкалу вздовж бруска то далі від лампи, то ближче до неї, щоб досліджуваний промінь був на позначці шкали. Так буде зручно встановити його розташування. Нехай досліджуваний промінь буде на позначці шкали h1. З другого боку щілини він має бути на тій самій відстані. Якщо при цьому праворуч і ліворуч від 0 ці відстані будуть трохи відрізнятися, то треба знайти їхнє середнє арифметичне значення.
5. Виміряйте відстань l від екрана до дифракційної ґратки. За результатами вимірювання відстаней h і l легко визначити тангенс кута, під яким ігається досліджуваний промінь, а за ним і синус цього кута. Справді, тангенс кута φ, під яким розглядається досліджуваний промінь, визначається за формулою:
Оскільки кут φ незначний, то tgφ ≈ sinφ і формула nλ = dsinφ матиме вигляд:
6. Результати вимірювань запишіть у таблицю.
Позначення величини
Покази приладів
Δв
Δі
Δ = Δв + Δі
λ, м
Δλ, м
ε, %
d
h
l
Обробка результатів експерименту
Т=2пR/V
T=2×3,14×1,2/5=1,5