A tárgy neve Alapozó laboratórium Meghirdető tanszék(csoport)

SZTE TTK Fizikus Tanszékcsoport SZTE JGYTFK Fizika Tanszék

Felelős oktató: Dr. Farkas Zsuzsa Kredit 2 Heti óraszám 2 típus Laboratóriumi gyakorlat Számonkérés Gyakorlati jegy Teljesíthetőség feltétele Párhuzamosan feltétel nincs Előfeltétel Általános Fizika (fizika BSC-ben) (((ezt javaslom))) Helyettesítő tárgyak nincs Periódus Tavaszi félév Javasolt félév II. Kötelező vagy kötelezően választható

Fizika alapszak. kötelező Természetismeret: kötelező

AJÁNLOTT IRODALOM

1. Kovács László - Sárosi Herbertné: Fizikai gyakorlatok I. Nemzeti

Tankönyvkiadó, Budapest, 1993. 2. Bor Pál -Halász Tibor - Kovács László: Fizikai gyakorlatok II. Nemzeti

Tankönyvkiadó, Budapest, 1993. 3. Farkas Zsuzsa - Hebling János: Fizikai laboratóriumi gyakorlatok

(mechanika, hőtan, elektromosságtan, optika), JATEPress 2001. 4. Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., III. 5. Hevesi Imre: Elektromosságtan Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998.

Az alapozó laboratórium javasoltan a fizika BSC második szemeszterében tartozik a kötelezően felveendő tárgyak közé. Erre épül majd a Fizikai laboratóriumi gyakorlatok I. és II., összesen 12 kredit értékben. Az alapozó laboratórium tematikáját úgy állítottuk össze, hogy elsősorban a középiskolai fizika ismeretekre alapozva kialakítsa azokat a készségeket, amelyekre a későbbi laboratóriumi gyakorlatoknál szükség lesz. Szempont volt az, hogy elkerüljük a későbbi laboratóriumi gyakorlatokkal való ismétléseket, és az is, hogy igazodjunk a Fizika Tanszéken meglevő eszközparkhoz, bár fejlesztésre szükség lesz. A hallgatók felkészüléséhez feltétlenül szükséges (lesz) oktatási segédanyag, jegyzet elkészítése, mert ez a tematika nem található meg az irodalomban egységes szerkezetben. Az új jegyzet szerkezeti felépítésénél a �Farkas Zs. - Hebling J.: Fizikai laboratóriumi gyakorlatok (mechanika, hőtan, elektromosság-tan, optika), JATEPress 2001� jegyzetnél kialakított, Fizikai laboratóriumi gyakorlatok I.-nél használt jegyzet-szerkezetet tartom követendőnek, hogy a hallgatók számára az egységes kép, formátum megkönnyítse a munkát. EBBEN A BŐVÍTETT TEMATIKÁBAN 10 GYAKORLATOT MUTATUNK BE RÖVIDEN. AZ ELŐZETES TEMATIKA *-GAL JELÖLT GYAKORLATAIT. Oktatási cél Az alapozó laboratórium általános célja az, hogy bevezetést nyújtson a laboratóriumok és a fizikai mérések világába, a hallgatóknak kifejlődjön a kísérletezéshez és a méréshez szükséges elemi manuális készségük. A laboratóriumi mérések során megismerkednek az alapvető és egyszerű laboratóriumi eszközökkel, berendezésekkel és ezek rendeltetésszerű használatával, a mérési adatok gyűjtésével, kiértékelésével, a hibaszámítás elemeivel. Tantárgyi tematika:Mechanika: Fizikai alapmennyiségek mérése (tolómérő, csavarmikrométer, katetométer, metronóm Metex-műszer használata) Egyenletes mozgás vizsgálata Mikola-csővel Egyenletesen gyorsuló mozgás vizsgálata lejtőn* A dinamika alapegyenletének vizsgálata Atwood-féle ejtőgéppel* A nehézségi gyorsulás mérése matematikai lengésidejének mérésével* Egyenletesen gyorsuló forgómozgás dinamikai vizsgálata* Periodikus mozgások vizsgálata vektorszkóppal Hőtan: Egyesített gáztörvény vizsgálata* Mérések Melde-csővel* Jég olvadáshőjének meghatározása* Optika: Mikroszkóp okulárskálájának hitelesítése, hosszúságmérés mikroszkóppal* Fókusztávolság meghatározása távolságtörvény alapján* Snellius-Descartes törvény vizsgálata, teljes visszaverődés határszögének meghatározása Hartl-korongon* Elektromosságtan: Ohm-törvény vizsgálata Ellenállások soros és párhuzamosan kapcsolása, áramerősség és feszültség mérése Csillapodó rezgőmozgás vizsgálata oszcilloszkóppal

2

Egyenletesen gyorsuló mozgás vizsgálata lejtőn Célkitűzés: ! A lejtőn mozgó test mozgásegyenletének alkalmazása, a hajlásszög szerepének tudatosítása. ! A �négyzetes� úttörvény felismerése. ! Linearizálás gyakorlása, a meredekség számítása és fizikai jelentésének elmélyítése. Elméleti összefoglaló: A lejtőn elengedett test a rá ható állandó erők (gravitációs erő, a felületre merőleges kényszer-erő, a lejtő irányú súrlódási-erő) hatására egyenletesen gyorsuló mozgást végez. Ha a lejtőn elhanyagoljuk a súrlódást, a gyorsulás nagysága:

,sin αga = (1)

ahol α a lejtő hajlásszöge. Ha a súrlódás nem elhanyagolható, akkor a gyorsulás nagysága:

,cossin αµα gga −= (2)

ahol µ a mozgási súrlódási együttható a test és a lejtő között.

A kezdősebesség nélkül elindított test t idő alatt

2

2tas = (3)

utat tesz meg a lejtőn.

Mérés menete: A beállított hajlásszögű fémcsatornában egy acélgolyót indítunk/engedünk el, amely egy alkalmasan elhelyezett ütközőig mozog, ott kattanó hangot hallat. Állítson be/jelöljön ki az állítható hajlásszögű fémcsatornás (alumínium) lejtőn a négyzetes úttörvénynek megfelelően 10 cm, 40 cm, 90 cm, 160 cm-es utakat. Mérje meg stopperórával a megfelelő távolságok megtételéhez szükséges időket. Minden mérést ötször végezzen el. Számítsa ki az idők átlagait. Hogyan aránylanak egymáshoz az eltelt idők? Vonjon le következtetést. Adatait foglalja táblázatba.

s (cm) 10 40 90 160

t1 (s)

t2 (s)

t3 (s)

t4 (s)

t5 (s)

tátl. (s)

3

tátl.2 (s2)

Feladatok: 1. Ábrázolja a megtett utakat a megtételükhöz tartozó idők függvényében.

Milyen függvényt vár? Vonjon le következtetést a lejtőn mozgó test mozgására vonatkozóan.

2. Ábrázolja a megtett utakat az idők négyzetének függvényében. Milyen grafikont vár? Elemezze és értelmezze a kapott grafikont.

3. Határozza meg a második feladatban kapott grafikon meredekségét. Milyen fizikai jelentése van a meredekségnek? Határozza meg a meredekségből a gyorsulás értékét.

4. *Számítsa ki a gyorsulás értékét az 1. és 2. összefüggés alapján is. A lejtő hajlásszögét hosszméréssel határozza meg! A szükséges súrlódási együttható értékét függvénytáblázatból vegye. Hasonlítsa össze a kapott gyorsulás-értékeket. Értelmezze a kapott eredményeket! (*nem kötelező)*

5. *Állítson be az előzőtől különböző hajlásszögű lejtőt, és ismételje meg a mérés-sorozatot.

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 21.§, 22.§

4

A dinamika alapegyenletének vizsgálata Atwood-féle ejtőgéppel

Célkitűzés: ! Kényszermozgás vizsgálata, értelmezése inercia-rendszerben. ! A dinamika alapegyenletének alkalmazása. ! Egyenletesen gyorsuló mozgás megfigyelése, útképlet használata. Elméleti összefoglaló: Az Atwood-féle ejtőgéppel egyenletesen változó mozgást állíthatunk elő, különböző tömegű mozgatott testek és különböző nagyságú mozgató erők esetén, ezért az eszköz alkalmas az egyenletesen változó mozgás, valamint az erő és a mozgatott tömeg közötti kapcsolat (dinamika alapegyenlete) vizsgálatára. Mozgatott tömegnek kell tekinteni a zsinór két végén függő egy-egy M tömegű testet, a mozgatóerőt képviselő m tömeget, valamint a csiga m0 tömegét. E három testre felírva a dinamika alapegyenletét:

( ) ( )amMFgmM k +=−+ 1 (1)

MaMgFk =−2 (2)

.21 2

021 rarmrFrF kk ⋅=Θ=− β (3)

Fk1 és Fk2 a kötelekben ébredő erők, Θ a csiga forgástengelyre vonatkozó tehetetlenségi nyomatéka, β a rendszer szöggyorsulása. Ezekből az egyenletekből a gyorsulás (dinamikai) meghatározható:

02 mmMmga

++= . (4)

Ugyancsak meghatározható a gyorsulás kinematikai úton, az

2

2' tas = (5)

egyenletesen gyorsuló mozgás útképletének felhasználásával, idő mérésével. A kétféle módon nyert gyorsulás egyenlősége a dinamika alapegyenletének teljesülését jelenti. A mérések megkezdése előtt a csigán a fonalak súrlódását gondosan ki kell küszöbölni!!! Kísérleti összeállítás fő részei:

1. állványon közel súrlódás nélkül forgó csiga 2. csigán átvetett, súlytalannak tekintett fonal, végén egyenlő tömegekkel (M) és

kis �túlsúllyal� (m) 3. mérőrúd, (az állvány része) 10 cm-es beosztással 4. indítószerkezet

5

M

[kg] m

[kg] t1 [s]

t2 [s]

t3 [s]

t4 [s]

t5 [s]

tátl [s]

a [ms-2]

a� [ms-2]

δrel

0,07 0,002 0,07 0,004 0,07 0,006

Feladatok:

1. Tanulmányozza az összeállított kísérleti berendezést. 2. Állítson be 1 m-es utat és M = 70 g tömeget, majd változtatva a gyorsító

tömegeket: m = 2, 4, 6 g, mérje meg az adott út megtételéhez szükséges időket. A mérést ötször ismételje meg. Számoljon időátlagot, majd ennek segítségével számolja ki a gyorsulást az útképlet felhasználásával (a).

3. Számolja ki a gyorsulást a dinamika alapegyenletének felhasználásával is (a�). 4. A kapott eredményeket hasonlítsa össze, számolja ki relatív eltérésüket. δrel =

(a-a�)/a�. 5. Eredményeit foglalja táblázatba. 6. Ismételje meg a mérést úgy, hogy M értékét 70+98 g-ra növeli. A súrlódást

újra küszöbölje ki. Eredményeit foglalja újabb táblázatba. Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 21.§

6

A nehézségi gyorsulás mérése matematikai ingával

Célkitűzés: ! A nehézségi gyorsulás meghatározása különböző hosszúságú fonálingák lengésidejének mérésével. ! A grafikon-felvétel gyakorlása, a meredekség fizikai jelentésének alkalmazása.

Elméleti összefoglaló: Az egyik végén rögzített, kis tömegű fonalból és a végére erősített nagy tömegű nehezékből álló testet fonálingának nevezzük. Ha a nehezék mérete elhanyagolható a fonal hosszához képest, matematikai ingáról van szó, melynek T periódusideje (kis kitérések esetén):

glT π2= , (1)

g a nehézségi gyorsulást jelöli, l a fonálinga hosszát, amely a felfüggesztési pont és az inga tömegközéppontjának a távolságát jelenti. Az (1) egyenlet alapján a nehézségi gyorsulás:

2

24T

lg π= . (2)

Az összefüggésből látható, hogy a T2 egyenes arányban áll az inga hosszával, az

arányossági tényező � vagyis a T2(l) függvény meredeksége - a g

24π kifejezés. A g

értéke tehát grafikon segítségével is meghatározható. (Ha a nehezék mérete nem elhanyagolható l-hez képest, fizikai ingáról beszélünk, amelynek periódusidejénél a rendszer tehetetlenségi nyomatékát is figyelembe kell venni.)

Mérés menete: Különböző (l1 = 60 cm, l2 = 70 cm, l3 = 80 cm, l4 = 90 cm, l5 = 100 cm) fonálinga-hosszaknál mérje meg az inga lengésidejét. Ehhez 10 lengés idejét mérje meg háromszor. Mivel az ingahossz a forgástengely és az inga tömegközéppontjának a távolságát jelenti, ezért l az L fonálhossz és nehezékként használt vasgolyó r sugarának az összegével egyenlő:

rLl += . (3)

A fonálhosszat mérőszalag segítségével határozza meg, a vasgolyó sugarát (átmérőjét) tolómérővel.

l1 = 60 cm l2 = 70 cm l3= 80 cm l4 = 90 cm l5 = 100 cm

1. 2. 10 T (s) 3.

10 T átlag(s)

7

Tátlag (s) g (m/s2)

gátlag(m/s2)

Feladatok: 1. A (2) összefüggés alapján, az ingahosszak és hozzájuk tartozó periódus idők

ismeretében határozza meg a nehézségi gyorsulás értékeket, majd ezek átlagát, valamint a mérés hibáját.

2. Ábrázolja a periódusidők négyzetét az ingahosszak függvényében, és határozza meg a kapott egyenes meredekségét, majd ez alapján a nehézségi gyorsulást.

3. Adja meg a (2) egyenlettel meghatározott nehézségi gyorsulások átlagának, valamint a grafikus módon meghatározott nehézségi gyorsulásnak az irodalmi értéktől való relatív eltérését.

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 24. §, 45. §

8

Egyenletesen gyorsuló forgó mozgás vizsgálata

Célkitűzés: ! A rögzített tengely körül forgó test mozgásegyenletének alkalmazása. ! A �négyzetes� úttörvény felismerése. ! Linearizálás gyakorlása, a meredekség számítása és fizikai jelentésének elmélyítése. Elméleti összefoglaló: Ha a rögzített tengely körül forgó merev testre M forgatónyomaték hat, akkor a test egyenletesen gyorsuló forgó mozgást végez, ahol a szögelfordulásra érvényes a következő összefüggés:

,2

2tβα =

jelölések: α � a szögelfordulás radiánokban, β � a szöggyorsulás radián/s2 -ban, t � az α elforduláshoz szükséges idő. A forgómozgásra felírt mozgásegyenlet szerint a szöggyorsulást adott forgatónyomaték mellett a forgó rendszer forgástengelyre vonatkozó tehetetlenségi nyomatéka (Θ) befolyásolja az alábbi egyenlet szerint:

.β⋅Θ=M

Az alkalmazott kísérleti berendezésen változtatható a forgatónyomaték, mind az erőkaron, mind az erőn keresztül. Valamint változtatható a forgó rendszer tehetetlenségi nyomatéka mind a tömeg, mind annak forgástengelytől való távolsága segítségével. Mérés menete: Állítson be adott forgatónyomatékot, és adott tehetetlenségi nyomatékot, és mutassa meg, hogy a rendszer egyenletesen gyorsuló mozgást végez. Ehhez mérje meg π, 2π, 3π, 4π, 5π, 6π, 7π, 8π szögelfordulásokhoz szükséges időket. Minden mérést háromszor végezzen el. Számítsa ki az idők átlagait. Adatait foglalja táblázatba.

α (rad) π 2π 3π 4π 5π 6π 7π 8π

t1 (s)

t2 (s)

t3 (s)

tátl. (s)

tátl.2 (s2)

9

Feladatok: 1. Ábrázolja a megtett szögelfordulásokat a megtételükhöz tartozó idők

függvényében. Milyen függvényt vár? Vonjon le következtetést a rögzített tengely körül forgó test mozgására vonatkozóan.

2. Ábrázolja a megtett szögelfordulásokat az idők négyzetének függvényében. Milyen grafikont vár? Elemezze és értelmezze a kapott grafikont.

3. Határozza meg a második feladatban kapott grafikon meredekségét. Milyen fizikai jelentése van a meredekségnek?

4. Határozza meg a meredekségből a szöggyorsulás értékét. 5. Növelje meg a forgatónyomatékot a gyorsulást létrehozó tömeg/erő

változtatásával kétszeresére, háromszorosára, négyszeresére és ötszörösére. A rendszer tehetetlenségi nyomatékát az előzőhöz képest ne változtassa. Mérje meg a 4π szögelfordulásokhoz tartozó időket.

6. Ábrázolja a forgatónyomatékokat (egységekben) a β-val arányos 1/t2 -ek függvényében. Elemezze a kapott eredményt.

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 43.§, 44. §

10

Ideális gáz állapotegyenletének kísérleti igazolása

Célkitűzés: ! Az ideális gáz összetartozó nyomás-, térfogat-, és hőmérséklet értékei alapján az ideális gáztörvény igazolása. ! A gáz anyagmennyiségének meghatározása. ! A grafikus ábrázolás, a meredekség meghatározásának gyakorlása.

Elméleti összefoglaló: Ideális gáznak azokat a gázokat tekintjük, melyeknél a gázrészecskék térfogata, valamint a részecskék közötti kohézió elhanyagolható. Ideális gázok esetén az állapotjelzők között a következő kapcsolat írható fel:

NkTpV = ill. nRTpV = , (1)

ahol p a gáz nyomása, V a térfogata, T az abszolút hőmérséklete, N a gázrészecskék száma, k a Boltzmann-állandó, n a gáz anyagmennyisége, R az egyetemes gázállandó.

A kísérleti eszköz egy egyik végén zárt U alakú üvegcső, melyhez alul, egy gumicsövön keresztül, tartókehely csatlakozik. Az üvegcsőben és a kehelyben higany van, a higany zárja el a vizsgálandó gázt a zárt szárban oly módon, hogy a tartókehely függőleges mozgatásával változ-tatható a gáz térfogata és nyomása. A gázt tartalmazó üvegcső mm-es beosztású, az 1 mm hosszú csőrész térfogatát tekintjük egységnyinek. A gáz nyomása a p0 külső légnyomásból és a ∆h higanyszintkülönbségéből határozható meg

hgpp Hg ∆+= ρ0 (2)

(g a nehézségi gyorsulás, ρHg a higany sűrűsége). A gáz hőmérsékletét egy termosztát segítségével állítjuk be.

Mérés menete: 30-90 ºC intervallumban, 10 ºC-onként végezze el a nyomás és a térfogat mérését. Ehhez a ∆h higanyszintkülönbséget és az üvegcső gázzal telt részének a hosszát kell lemérni.

11

T (K)

V (te=térfogategység)

∆h (m)

p (Pa)

pV (Pa· te)

TpV (

KtePa ⋅ )

303 313 323 333 343 353 363

Feladatok: 1. Minden hőmérsékleten adja meg az összetartozó nyomás- és

térfogatértékek szorzatát. Határozza meg minden hőmérsékleten a TpV

hányadost. 2. Ábrázolja a pV szorzatokat a T függvényében. Határozza meg a kapott

egyenes meredekségét, amely az Nk, ill. az nR szorzattal egyezik meg, majd k ill. R segítségével adja meg a gáz részecskeszámát ill. anyagmennyiségét.

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 115. §

12

Mérések Melde-csővel

Célkitűzés: ! A külső légnyomás meghatározása a Boyle-Mariotte törvény alapján Melde-cső segítségével. ! Hidrosztatikai nyomás számításának gyakorlása.

Elméleti alapok: A Melde-cső egy mindenütt azonos keresztmetszetű kapilláris üvegcső, melynek egyik vége zárt. A csőben x hosszúságú higanyoszlop levegőt zár el. Ha a csövet vízszintesen tartjuk, a bezárt gáz p1 nyomása megegyezik a p0 külső légnyomással. Ha a csövet nyitott véggel felfelé állítjuk, a gáz p2 nyomása a külső légnyomás és a higanyoszlop hidrosztatikai nyomásának (pHg) az összegével, ha nyitott véggel lefelé tartjuk, a gáz p3 nyomás ezek különbségével egyenlő:

01 pp = , Hgppp += 02 , Hgppp −= 03 (1)

A Boyle-Mariotte törvény értelmében az állandó anyagmennyiségű és állandó hőmérsékletű ideális gáz nyomásának (p) és térfogatának (V) szorzata állandó. A Melde-csőben lévő gáz megfelel ezeknek a feltételeknek, így kísérletünk során teljesül a pV szorzat állandósága. Ha V1 jelöli a vízszintesen, V2 a nyitott véggel felfelé, V3 a nyitott véggel lefelé álló csőben a gáz térfogatát, akkor két-két állapotot összehasonlítva a Boyle-Mariotte törvény a következő módon írható fel:

, illetve: 2211 VpVp = 3311 VpVp = , (2)

az 1-es egyenletek alapján:

, illetve: 2011 )( VppVp Hg+= 3011 )( VppVp Hg−= , (3)

ahonnan a külső légnyomás értéke:

21

20 VV

Vpp Hg

−= , illetve:

13

30 VV

Vpp Hg

−= . (4)

Mérés menete: Olvassa le a Melde-cső három megadott helyzetében a gáz térfogatát. Mivel a mérésnél a térfogatot tetszőleges egységben vehetjük, az 1 mm hosszú csőrész térfogatát tekintjük egységnyinek, vagyis elegendő a bezárt gáz �hosszának� a megadása. Mérje meg a higanyoszlop x hosszát, ennek ismeretében a higany hidrosztatikai nyomása:

HgHg gxp ρ= , (5)

g a nehézségi gyorsulást, ρHg a higany sűrűségét jelöli.

13

x = .......................m pHg= ..............................Pa

p1 =................................................Pa V1 =...............................................te (te = térfogategység)

p2 =.........................................Pa p3 =..........................................Pa

V2 =..........................................te V3 =..........................................te p0 =..........................................Pa p0 =..........................................Pa

p0 átlag=....................Pa ± .................% Feladatok:

1. A (4) egyenletek segítségével határozza meg a külső légnyomás értékét, a két kapott érték átlagát tekintjük mérési eredménynek.

2. Határozza meg a mérés hibáját, valamint az aktuális, barométerről leolvasott légnyomástól való relatív eltérést.

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 71. §

14

A jég olvadáshőjének meghatározása keverési kaloriméterrel Célkitűzés: ! A jég és víz közötti termikus kölcsönhatás alapján a jég olvadáshőjének kimérése. ! A mérleggel történő mérés gyakorlása. Elméleti alapok: Ha ismert K hőkapacitású kaloriméterben lévő, m1 tömegű, t1 hőmérsékletű vízbe kis, m2 tömegű, t2 hőmérsékletű jeget teszünk, a jég megolvad. A termikus kölcsönhatást leíró egyenlet:

oLmCtmctCmcttKmc 221222111 )0()0())(( +−+−=−+ oo , (1)

ahonnan: 2

21222111 ))((m

tmctmcttKmcLo−+−+

= , (2)

Lo a jég olvadáshőjét; c2 a jég, c1 a víz fajhőjét; t a kölcsönhatás során kialakult közös hőmérsékletet jelöli. Mérés menete: Üres kaloriméterbe tegyen m1 tömegű vizet és olvassa le a kaloriméter hőmérőjéről a víz t1 hőmérsékletét. A jég tömege csökkenne az olvadás miatt, ha azt mérlegen, a klasszikus módon mérnénk le, ezért a következő módon kell eljárni. Kétkarú mérlegen tárázza ki a vízzel megtöltött kalorimétert tartozékaival együtt. (A tárázás azt jelenti, hogy apró tárgyakkal, ún. tárasúlyokkal hozzuk létre a mérleg egyensúlyi helyzetét. Ilyenkor ugyanis nincs szükségünk a test tömegének ismeretére, mert az, úgymond, tartóedényként szerepel.) A kiadott jégkockáról itassa le a vizet, és tegye a �száraz jeget� a kaloriméterbe. Állandó kevergetés közben figyelje a kaloriméter hőmérőjét és olvassa le a kapott legalacsonyabb hőmérsékletet. Ez a hőmérséklet felel meg a közös hőmérsékletnek. A kalorimétert helyezze újra a mérlegre és a tárák mellé helyezett �súlyokkal� hozza a mérleget egyensúlyi helyzetbe. A súlyok adják meg a jég tömegét. A mérést háromszor végezze el. A jég minél előbb kerüljön a hűtőszekrényből a kaloriméterbe, mert így a jég t2 hőmérsékletének a hűtőszekrényben mért hőmérsékletet fogadható el. Végezze el a mérést háromszor.

t1

(ºC) m1

(kg) t2

(ºC) m2

(kg) t

(ºC) L0

(J/kg)

L0(átlag)=...............±.................%

15

Feladatok:

1. A mért adatok ismeretében (2) egyenlet segítségével határozza meg a jég olvadáshőjét.

2. Számítson hibát. 3. Adja meg a számolt olvadáshő irodalmi értéktől való százalékos eltérését.

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 141. §

16

Mérések mikroszkóppal

Célkitűzés: ! Mikroszkóp felépítésének megismerése. ! Okulárskála hitelesítése. ! Tárgy-mikrométer és szerepének megismerése. ! Mikroszkóp felhasználása hosszúságmérésre. Elméleti összefoglaló: A mikroszkóp lényegében két gyűjtőlencséből áll, amelyeket sematikusan egy-egy lencsével helyettesíthetünk (1. ábra). A tárgyról az objektív nagyított, valódi és fordított állású, ún. közbülső képet (K ) ad, amelyet az okulárral azaz egy lupéval tovább nagyítunk. Ha az okulárt úgy helyezzük el, hogy objektív által előállított valódi kép az okulár fókuszsíkjában legyen, akkor a végső kép virtuális, a tárgyhoz viszonyítva fordított állású, erősen nagyított lesz. Az objektív és az okulár egymás felé eső fókuszpontjainak távolságát optikai tubushossznak (∆) nevezzük, szokásos értéke 160 mm.

T

fok

βK

objektív okulár

∆fob

1. ábra

A mikroszkóppal való hosszmérések célját szolgálja az ún. okulár-mikrométer. Az okulár-mikrométer üveglemezre karcolt ismert (pl. 0,1 mm vagy 0,05 mm) vagy ismeretlen beosztású skála, amelyet a valódi kép keletkezésének helyén helyeznek el, így az okulárral egyszerre látjuk élesen a mikroszkópi képet és az okulár-mikrométer skáláját. Ha az okulárskála ismeretlen beosztású, akkor hitelesíteni kell egy ún. tárgy-mikrométer segítségével. Ilyenkor a mikroszkópot úgy állítsuk be, hogy a mikroszkópon át egyszerre lássuk élesen a tárgy-mikrométer hiteles osztásait és az okulárskála skálarészeit. A megfelelő aránypárból az okulárskála beosztása meghatározható. Ezt a faladatot minden objektívnél végezzük el. Feladatok:

1. Hitelesítse a mikroszkóp okulár-mikrométerének skáláját a mikroszkóp mind három objektívjénél. A hitelesítéshez használja tárgymikrométert.

2. Mérje meg a kiadott fémszál, hajszál vastagságát, valamint a kiadott rács rácsállandóját. Használja a legmegfelelőbb nagyítású objektívet.

17

3. Vizsgálja meg /nézze meg a kiadott biológiai mintákat. Jegyezze fel, mekkora össznagyítást alkalmazott. ( tubusokobjössz NNNN ⋅⋅= , ha van tubuslencse is)

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 43.§, 44. §

" Budó Ágoston: Kísérleti fizika I. 43.§, 44. § " Farkas Zsuzsa - Hebling János: Fizikai laboratóriumi gyakorlatok (mecha-nika, hőtan, elektromosságtan, optika), JATEPress 2001

18

Gyűjtőlencsék fókusztávolságának meghatározása a leképezési törvény alapján

Célkitűzés: ! A leképezési törvény használata. ! Az optikai képalkotás vizsgálata. ! Grafikus ábrázolás gyakorlása. Elméleti összefoglaló: A gyűjtőlencse a ráeső párhuzamos sugarakat a lencse után egyetlen pontba, a fókuszpontba gyűjti össze. A fókuszpont távolsága a lencsétől a lencse jellemző paramétere, a fókusztávolság (f). Ennek meghatározására több módszer is létezik. Az egyik a vékonylencsékre érvényes leképezési törvény alkalmazása, amely mennyiségi összefüggést ad a lencse tárgytávolsága (t), képtávolsága (k) és a fókusztávolság között:

ktf111

+= .

A fókusztávolság méterekben kifejezett reciprok értékét dioptriának, vagy törőerősségnek nevezzük:

)(1mf

D = .

A lencse fókusztávolsága meghatározható az optikai padon beállított leképezési kísérlet-sorozat alapján. Különböző tárgytávolságok esetén keresse meg az ernyővel az éles képet, azaz azt a helyet, ahol a tárgyként használandó célkereszt élesen látszódik. Ez lehet kicsinyített és nagyított kép is. Olvassa le az optikai sínen az összetartozó megfelelő tárgy- és képtávolságokat. A fenti összefüggés alapján számítsa ki a fókusztávolságokat. Eredményeit foglalja táblázatba. (Későbbi tanulmányai során meg fog ismerkedni más fókusztávolság meghatározási módszerekkel, így a Bessel- és Abbe-módszerrel is.) Kísérleti összeállítás fő részei:

• Pasco gyártmányú optikai sín, cm-es beosztással, fényforrással (megvilágított célkereszt), ernyővel.

• 10 cm és 20 cm névleges fókusztávolságú üveglencsék, az optikai sínre illeszkedő speciális foglalatban.

Feladatok:

1. Tanulmányozza az összeállított kísérleti berendezést. 2. Mérje meg a 10 cm-es névleges fókusztávolságú lencse fókusztávolságát öt

mérésből. Számoljon átlagot és relatív eltérést. Az eredményeket foglalja táblázatba.

3. Mérje meg a 20 cm-es névleges fókusztávolságú lencse fókusztávolságát öt mérésből. Számoljon átlagot és relatív eltérést. Az eredményeket foglalja táblázatba.

19

4. Ábrázolja mindegyik méréssorozatnál az 1/k értékek függvényében az 1/t értékeket. A kapott egyenes tengelymetszetéből is határozza meg a fókusztávolság értékét.

5. Adja meg a lencsék dioptria-értékeit is.

Táblázat:

t (cm) k (cm) f (cm) fátlag (cm) Dátlag fnévl. (cm) δrel

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika III. 256.§

20

Mérések Hartl-koronggal

Célkitűzés: ! A fényvisszaverődés és fénytörés törvényének igazolása. ! Törésmutató-meghatározás. ! Optikai Hartl-korong megismerése. Elméleti összefoglaló: Ha fény esik valamely test vagy közeg határfelületére, erről a fény egy része visszaverődik, másik része behatol a közegbe. A fényvisszaverődés törvénye kimondja, hogy a beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van, és hogy az α� visszaverődési szög egyenlő az α beesési szöggel. A fénytörés törvénye kimondja, hogy a beeső és a megtört sugár a beesési síkban van, valamint az α beesési és a β törési szög szinuszának hányadosa a beesési szögtől független, a két közeg minőségére jellemző állandó, a második közegnek az elsőre vonatkoztatott relatív törésmutatója, jelölése: n21.

21sinsin n=

βα .

Teljes visszaverődés: Ha optikailag sűrűbb közegből ritkább közegbe halad a fény, (n21 �1) akkor bizonyos beesési szöghöz, a határszöghöz 90-os törési szög tartozik. Amennyiben ennél a határszögnél nagyobb beesési szögben érkezik a fény, akkor nem jut át a második közegbe, azaz teljesen visszaverődik.

21sin nhatár =α .

Fénytörés planparalel lemezen: A két párhuzamos síkkal határolt átlátszó lemezre ferdén beeső fénysugár a belépésnél és a kilépésnél is megtörik. Ha a lemez mindkét oldalán ugyanaz a közeg van, akkor a lemezből kilépő fénysugár a belépőhöz képest párhuzamosan eltolódik. A mérőeszköz:

A Hartl-korong és tartozékai

Hélium-neon lézer fénysugarát egy üvegbot segítségével szétterítjük, majd ráirányítjuk a Hartl-korongra rögzített optikai eszközre, mely lehet prizma, lencse, tükör, stb. A korong forgatható, ezért különböző beesési szögeket tudunk biztosítani. A korong peremének szögosztása biztosítja a szögek leolvasását fok pontossággal.

21

Feladatok:

1. Igazolja a törésre vonatkozó Snellius - Descartes törvényt. Helyezze fel a Hartl-korongra a félkör alakú testet. Számolja ki a műanyag test levegőre vonatkozó relatív törésmutatóját.

2. Mérje meg a teljes visszaverődés határszögét a Hartl-korongra helyezett félkör alakú test segítségével. A határszögből határozza meg a törésmutató értékét.

3. Mérje meg a Hartl-korongra helyezett planparalel lemezen az eltolódás mértékét. Ennek felhasználásával számolja ki a planparalel lemez törésmutatóját.

4. Vesse össze a kapott törésmutatókat. Elemezze az eljárásokat a mérési pontosság szempontjából.

Ajánlott irodalom: " Budó Ágoston: Kísérleti fizika III. 247.§, 248. §, 249. §

22