Linnéuniversitetet VT2013 Institutionen för datavetenskap, fysik och matematik Program: Kurs: Naturvetenskapligt basår Fysik B Laborationsinstruktion 1 Kaströrelse och rörelsemängd Uppgift: Att bestämma mynningshastigheten för en kula skjuten ur en fjäderkanon samt att använda detta värde för att beräkna kastvidd med syfte att träffa ett givet mål med kulan. Förberedande uppgifter: Ergo kurs A: 5.25 Ergo kurs B: Exempel 10 sida 228, 5.06, 5.09 och 6.11 Dessa uppgifter ska vara gjorda innan laborationen. Utförande: 1. Bestämning av kulans mynningshastighet Skruva loss pendeln och bestäm avståndet från pendelns upphängningspunkt till dess masscentrum, med hjälp av jämvikt. Ska kulan sitta fast i pendeln under mätningen eller inte? Bestäm även pendelns och kulans massa. Montera kastaren enligt Fig. 1. Figur 1 Försöksuppställning för bestämning av kulans mynningshastighet Naturvetenskapligt basår, Fysik B 1 (11) Kanonen laddas med hjälp av det svarta röret. Fjädern i kanonen kan spännas i tre lägen. Använd det innersta, mest ”laddade” läget genom hela laborationen. När kanonen avfyras kommer kulan att fastna i pendeln och pendeln svänger upp en viss vinkel (se Fig. 2). Figur 2 Ändringen av pendelns lägesenergi beror av hur mycket dess masscentrum höjs, ∆h. Genom att beräkna förändringen i lägesenergi hos pendeln (inkl. kulan) kan pendelns (inkl. kulan) rörelseenergi strax efter att kulan fastnat i pendeln bestämmas. Därmed kan pendelns (inkl. kulan) hastighet strax efter att kulan fastnat i pendeln beräknas. Rörelsemängdens bevarande ger sedan kulans hastighet före kollisionen. Upprepa försöket ett antal gånger för att minska osäkerheten i bestämmandet av vinkeln. 2. Bestämning av kastvidd Labbhandledaren monterar kanonen så att kulan får en viss utskjutningsvinkel, α, och placerar den på en viss höjd över golvet, y0, (se Fig. 3). Er uppgift är att, genom att använda era kaströrelsekunskaper, bestämma på vilket avstånd, x, från kanonen en kastrull ska placeras så att kulan, när den avfyras, hamnar i kastrullen på första försöket. α Figur 3 Kaströrelse med kanonen placerad på en viss höjd över golvet. Naturvetenskapligt basår, Fysik B 2 (11) Linnéuniversitetet VT2013 Institutionen för datavetenskap, fysik och matematik Program: Kurs: Naturvetenskapligt basår Fysik B Laborationsinstruktion 2 Stående vågor Förberedande uppgifter: Ergo kurs B: Exempel 13 sida 34, 1.33 och 1.34. Dessa uppgifter ska vara gjorda innan laborationen. 1. Uppgift: Att bestämma hastigheten med vilken en våg utbreder sig utmed en sträng. Uppställning Montera upp utrustningen enligt Figur 1. Trissa Ca 1 m tråd Vibrator Signal generator Vikt Figur 1 Uppställning för bestämmande av vågens hastighet på en sträng Utförande: Mät längden på den vibrerande delen av strängen. Håll sedan denna längd fix. Vrid ner signalgeneratorns frekvens så att en stående våg med längsta möjliga våglängd fås. Läs av frekvensen. För in våglängd och tillhörande frekvens i Tabell 1. Höj frekvensen så en ny stående våg fås. Bestäm frekvens och våglängd. Upprepa proceduren för ett antal olika stående vågor. Vilket samband gäller mellan våglängd, frekvens och vågens hastighet? Naturvetenskapligt basår, Fysik B 3 (11) Beräkna vågens hastighet vid resp. frekvens. Tabell 1 Uppmätt våglängd och frekvens resp. uträknad hastighet. Våglängd (m) Frekvens (Hz) Hastighet (m/s) Räkna ut ett medelvärde på vågens hastighet i er sträng. Vågens hastighet i strängen är: ______________________________ Linjärdensitet Man kan visa att vågens hastighet v kan beskrivas som v= √ F μ där μ är trådens linjärdensitet (kg/m) och F är spännkraften i tråden (N). v= √ F F ⇔ μ= 2 μ v Visa att enheterna stämmer för sambandet ovan. Uppgift 2 Beräkna linjärdensiteten med hjälp av resultatet i uppgift 1 och viktens massa. μ = ____________ Kontrollera genom att väga en given längd tråd och räkna ut trådens vikt per meter. Stämmer det? Naturvetenskapligt basår, Fysik B 4 (11) Linnéuniversitetet VT2013 Institutionen för datavetenskap, fysik och matematik Program: Kurs: Naturvetenskapligt basår Fysik B Laborationsinstruktion 3 Strömvåg Uppgift: Att undersöka kraften på en strömförande ledare i ett magnetfält samt att bestämma magnetiska flödestätheten mellan polerna på en permanentmagnet. Förberedande uppgifter: Ergo kurs B: Exempel 2 sida 298, 9.03, 9.04 och 9.05. Dessa uppgifter ska vara gjorda innan laborationen. Teori: Storleken på kraften på en ledare med längd l i vilken det flyter en ström I och som är vinkelrät mot ett homogent magnetfält med flödestätheten B ges av summan av krafterna på de laddningar som rör sig i ledaren såsom F =IlB . Riktningen på kraften är vinkelrät mot både strömmen och magnetfältet. Utförande: En schematisk bild av den experimentella utrustningen återfinns i Fig.1. Ryttaren Likspänningsaggre gat Multimeter Figur 1 Exp.uppställning Strömvåg Naturvetenskapligt basår, Fysik B 5 (11) Med strömvågen kan kraften på en strömförande ledare i ett magnetfält balanseras av kraften på en massa p.g.a. gravitation. Strömmen skickas genom bygeln via balansstöden och den lilla, flyttbara tyngdens läge, nedan kallad ryttaren, justeras till jämvikt uppnås. Storleken på avvikelsen från jämviktsläget för en given kraftsituation väljs m.h.a. den i höjdled justerbara ”känslighetstyngden” placerad under balanspunkterna. Vid jämvikt återfinns delar av den strömförande ledaren i permanentmagneternas magnetfält. Kraften på ledaren är riktad uppåt alt. nedåt beroende på strömmens riktning. I följande experiment behöver strömmen ha en sådan riktning att den magnetiska kraften på ledaren är riktad uppåt. Den magnetiska kraftens storlek kan då mätas genom att flytta ryttaren till dess att jämvikt erhållits. Ryttarens position kan avläsas på en skala. Ledarens längd i magnetfältet kan ändras genom att flytta magneten. Storleken på denna förflyttning kan avläsas på en separat skala. i) Kraftens strömberoende • • • • Flytta magneterna så att ledaren är centralt placerad mellan magneternas poler. Flytta sedan inte magneterna under denna del av laborationen. Placera ryttaren i sitt nolläge och justera den stora motviktens läge till dess att jämvikt fås utan någon ström i bygeln. Försäkra er om att strömmens riktning är sådan att bygeln förs uppåt p.g.a. den magnetiska kraften. Öka sedan strömmen från noll till cirka 3 A i ungefär 10 steg. För var ström, anteckna den position hos ryttaren som återger kraftbalans i systemet. För in resultaten i Tabell 1. Obs! Delar av vågen kan bli varm. Tabell 1 Ström och tillhörande ryttarläge Ström (A) Ryttarläge (m) 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 3,00 Naturvetenskapligt basår, Fysik B 6 (11) • • Ryttarens position är proportionell mot den magnetiska kraften på ledaren. Rita upp ryttarens position som funktion av strömmen. Hur beror den magnetiska kraften på ledaren av strömmen? ii) Kraftens längdberoende • • • • • Placera ryttaren i sitt nolläge och justera den stora motviktens läge till dess att jämvikt fås utan någon ström i bygeln. Flytta ryttaren nära maximum på dess skala. Skicka en ström genom bygeln och justera den så att jämvikt uppnås. Ändra sedan inte strömmen under denna del av laborationen. Justera magneternas läge så att deras ytterkant är i nivå med den vertikala delen av bygeln. Notera magnetens position. Flytta ryttaren till sitt nolläge och återfå balans i systemet genom att flytta motvikten. Detta kompenserar för den inhomogena del av magnetfältet som återfinns utanför magneternas kant. Flytta sedan magneterna så att de gradvis överlappar större och större del av ledaren i ungefär 10 steg. För vart läge, anteckna den position hos ryttaren som återger kraftbalans i systemet samt magneternas överlapp med ledaren. För in resultaten i Tabell 2. Tabell 2 Överlapp och tillhörande ryttarläge Överlapp (m) Ryttarläge (m) • • Rita upp ryttarens position som funktion av överlapp mellan magnet och ledare. Hur beror den magnetiska kraften på ledaren av ledarens längd i magnetfältet? Naturvetenskapligt basår, Fysik B 7 (11) Linnéuniversitetet VT2013 Institutionen för datavetenskap, fysik och matematik Program: Kurs: Naturvetenskapligt basår Fysik B Laborationsinstruktion 4 Spektrometer GITTERSPEKTRUM Förberedande uppgifter: Ergo kurs B: Exempel 7, 8 sida 80-81, 1.39 och 1.41. Dessa uppgifter ska vara gjorda innan laborationen. Spalt D Kollimator Cirkelskala C Kikare B A E Gitter v1 Inställningar: Hårko V2 5 1. Rikta kikaren mot ett avlägset föremål! 2. Förskjut okularet (A) så att hårkorset blir skarpt. 3. Vrid ratten för skärpan (B) så att det avlägsna föremålet blir skarpt. 4. Vrid kikaren så att den kommer i linje med kollimatorn. 5. Vrid ratten vid (C) så att du ser en skarp bild av spalten. 6. Justera spaltens bredd (D) så att den blir smal, men ändå släpper in ordentligt med ljus. 7. Placera dit lampan och tänd den! Titta i kikaren om du ser spalten. Naturvetenskapligt basår, Fysik B 8 (11) 8. Beräkna gittrets gitterkonstant. Svar: d:_________ 9. Sätt fast gittret i hållaren på gitterbordet (E) så att gittret är vinkelrätt mot kollimatorns längdriktning. 10. Vrid kikaren i sidled både till höger och vänster och kontrollera att de färgade linjerna har ungefär samma höjdläge. Om inte, vrid på gittret så att det blir rätt. Försök 1. Försök att rita det linjespektrum som du ser av tydliga linjer av första ordningen. Sätt centralmaximum i mitten. 2. Välj ut några ljusstarka linjer. 3. Ange färg och mät böjningsvinklarna, samt beräkna linjernas våglängder. Använd tabellen nedan: Utförande: A. Vrid kikaren åt höger och ställ den första valda linjen i hårkorset. B. Avläs på cirkelskalan vinkeln v i grader så noga som möjligt. C. Vrid kikaren till vänster förbi centralbilden och till den valda linjen. Notera denna vinkel v , när linjen står i hårkorset. v −v D. Böjningsvinkeln θ blir då: θ = 1 2 . 2 E. Var hela tiden observant med vilken ordning av spektrum du tittar på. 1 2 Linjens färg Kikarläge Höger, v1 Kikarläge Vänster, v2 Böjningsvinkel θ Våglängd (nm) 4. Jämför och försök att identifiera vilket ämne som du tittat på, med hjälp av tabellen på sida 89 i kursens formelsamling. Svar: Våra linjer motsvarade emissionslinjerna för ____________________ Passa på att titta på de andra gruppernas spektrum när ni är klara! Naturvetenskapligt basår, Fysik B 9 (11) Linnéuniversitetet VT2013 Institutionen för datavetenskap, fysik och matematik Program: Kurs: Naturvetenskapligt basår Fysik B Laborationsinstruktion 5 Halveringstid Förberedande uppgifter: Ergo kurs B: Kontrollfrågor sida 111, 128 och 131. Dessa uppgifter ska vara gjorda innan laborationen. Montera försöket enligt figur. preparat med hållare blyplattor GM-rör räknare 236 optisk bänk Uppgift 1: Alfa och betastrålning Testa med vanligt A4-papper, aluminiumplattor och blyplattor hur mycket som krävs för att avskärma alfastrålning respektive betastrålning. Slutsats/varför? : Naturvetenskapligt basår, Fysik B 10 (11) Uppgift 2: Bestämning av halvvärdestjockleken för bly vid gammastrålning 1. Mät först bakgrundsstrålningen (I0) under 2 minuter I0 = ……………. 2. Sätt dit gammapreparatet. Utför mätningar enligt tabell och fyll i den. 1 Antal plattor 0 1 2 3 5 10 15 20 2 Plattjocklek (mm) 3 Intensitet (I) pulser/ 2 min 4 I-I0 pulser/ 2 min 3. Rita en graf där du har värden i kolumn 2 på x-axeln och värden i kolumn 4 på y-axeln. 4. Bestäm ur grafen halvvärdestjockleken för bly. Det vill säga den tjocklek bly som gör att strålningen halveras i intensitet. Halvvärdestjockleken för bly: ………………cm Obs! Var noga med att tvätta händerna efter att du jobbat med bly. Naturvetenskapligt basår, Fysik B 11 (11)