Algorithme du travail
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Le ministère de l'Education et de la Science de la Fédération de Russie Établissement fédéral d’État de l'éducation supérieure et professionnelle « Université d’Etat de Tambov G.R. Derzhavin » Institut de médecine Département de la santé publique CAHIER DE TRAVAIL sur un sujet «Physique médicale» pour les étudiants __________________________ Matériel méthodologique et didactique pour les spécialités 31.05.01 - Médecine, 31.05.02 - Pediatrie, 31.05.03 - Stomatologie Tambov 2015 Critiques: d. des sciences t., prof. V.P. Plotnikov; d. des sciences physiques et math., prof.A.A. Dmitrievski Les compilateurs: V.A. Fedorov A.V. Tchivanov A.V. Yakovlev M.V. Boitsova Le traducteur : D.V. Naletova Cahier de travail sur le sujet «Physique médicale»: Matériel méthodologique et didactique / Les compilateurs: V.A. Fedorov, A.V. Tchivanov, A.V. Yakovlev, M.V. Boitsova; Le ministère de l'Education et de la Science de la Fédération de Russie, Université d’Etat de Tambov G.R. Derzhavin. Tambov : Maisond’édition « Business-Science-Société », 2015. 71p. Lematérielméthodologiqueetdidactiquesouslaformed’uncahier detravailestun instrument utile pourlescourspratiquesetpourl’auto-apprentissagedes étudiantsquiapprennent «Physique médicale». Le cahier de travail est composé de 8 travaux de laboratoires de la Physique générale. Ils’agitbrièvement des questions phisiques essencielles, deladescriptiondesinstallationslaboratoires,quipermettentde vérifier expérimentalement les lois théoriques, et de la méthode pour la réalisation des travaux et pour la vérification des résultats finals. Lesmatérielsetlesexercises abonnent touts les parties générales de ce cour. Lematérielméthodologiqueetdidactiqueest pour les étudiants qui apprennent la médecine. TABLE DES MATIÈRES Travail pratique № 1. Détarmination du coefficient du frottement de glissement d'après la loi de la conservation de l’énergie.............................. 4 Travail pratique № 2. Détermination du coefficient de la viscosité du liquide transparant d’après la méthode de Stokes ........................................... 12 Travail pratique № 3. Etude de l’humidité de l’air ... 24 Travail pratique № 4. Détemination du coefficient de la tension superficielle du liquide................... 30 Travail pratique № 5. Vérification expérimantaire de la loi d’ohm pour le réseau du courant alternatif40 Travail pratique № 6. Détermination de l’inductance . du champ magnétique de l’aimant permanent .... 47 Travail pratique № 7. Etude de la distance focale et de la force optique des lentilles convergente et divergente ................................... 55 Travail pratique № 8. Mesure de la longueur de l’onde lumineuse à l’aide du réseau de diffraction 64 Bibliographie ............................................................. 70 Travail pratique № 1 DETERMINATION DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT DE GLISSEMENT D’APRES LA LOI DE LA CONSERVATION DE L’ENERGIE Objectifs: déterminer le coefficient du frottement de glissement. Equipement: tribomètre avec la barre, dynamomètre, balances techniques, jeu de poids, compas à verge, règle avec les degrès mm. Théorie du problème et algoritme du travail Pour ce travail on met la barre et le dynamomètre sur le tribomètre. La barre et le dynamomètre sont liés par le fil (image 1.1). Image. 1.1. Le tribomètre avec la barre et le dynamomètre Fixons l’agrafe du dynamomètre à la barre et essayons de faire mouvoir la barre. A l’aide de l’effort l’extension du ressort du dynamomètre on peut voir que la force élastique influe sur la barre mais celle-ci reste sans mouvement. Cela signifie qu'à l'action de la force élastique parallèlement à la surface du contact du morceau avec la table, la même force apparaît selon le module la force de la direction contraire. La force apparaissant à la frontière du contact des corps en l'absence du mouvement relatif des corps, s'appelle la force du frottement en repos. A l’accroissance de la force extérieure la barre commence à se mouvoir. Lors du mouvement régulier de la barre le dynamomètre montre que la force élastique Fel agit sur cette barre. Si la barre se meut régulièrement la force résultante est égale à zéro. Alors, lors du mouvement régulier la force contraire agit sur la barre qui est égale à la force élastique. Cette force s’appelle la force de frottement Ffr . Les force de frottement surgissent grâce à l’existance des forces de collaboration des molécules et des atomes des corps touchants. Et lors du mouvement la force de frottement surgit à cause de la rugosité de la superficie. Si on serre le dynamomètre avec la règle graduée contre la table et si on tire pour que le dynamomètre montre une force quelconque Fx , on pourra noter la force potentielle comme: Ep où Fx – les valeurs du dynamomètre, et x Fx x , 2 – la déformation du ressort. (1.1) Après la libération la barre se mouvra jusqu’à l’arrêt complet et la force potentielle sera dépensée pour effectuer le travail du dépassement de la force du frottement sur la voie s . Ce travail peut être noté comme: (1.2) A mgs , où – le coefficient du frottement; m – la masse de barre; g – accélération de la pesanteur; s – la déplacement de la barre . Selon la loi de la conservation de l’énergie Fx x mgs 2 (1.3) Fx x 2mgs (1.4) alors, . La force élastique Fx est mesurée par le dynamomètre, la déformation du ressort et le déplacement s de barre x – par la règle graduée, la masse m de la barre – par le pesage, g – la valeur du tableau. Algorithme du travail 1. Tracez le tableau pour noter les résultats. № Fx m x s N Kg m m mo y en n e % I II III 2. Mesurez à l’aide de dynamomètre la masse de la barre m . 3. Tendez le fil pour que la distance entre la barre et le dynamomètre soit 10 sm. Mettez la barre avec le dynamomètre sur le trybomètre selon l’image 1.1. 4. Mettez le dynamomètre sur le trybomètre et serrez-les contre la table avec la main. Puis tirez la barre pour que le dynamomètre montre F 1 N, mesurez à l’aide de règle graduée la distension du ressort. Notez la position de la barre et laissez-la. 5. Mesurez la distance passée avec la règle s et mesurez le coeffcient du frottement (selon la formule (1.4)). 6. Notez les résultats de mesure et de calcule dans le tableau. 7. Répétez l’expérience en mesurant la masse de la barre (mettez le poid à 100 gr). 8. Répétez l’expérience et mesurez la distinction du ressort en laissant le poid sur la barre (les données du dynamomètre en 2 N). 9. Notez les résultats de mesure dans le tableau, trouvez la valeur moyenne du coefficient du frottement et calculez l’erreur absolue et relative du résultat. Les questions de contrôle 1. Nommez les causes du frottement. 2. Nommez les types du frottement. 3. Est-ce que le coefficient du frottement dépend du changement de la charge de barre et du changement de la force élastique du ressort? 4. Est-ce que la force du frottement dépend de la vitesse du déplacement de la barre? 5. Quels appareils de l’équipement faut-il changer pour recevoir une autre valeur du coefficient du frottement? 6. Quelle transformation de l’énergie a lieu lors d’effectuation de cette expérience? 7. Comment peut-on expliquer que la lubrification empêche d’user les supérficies frottantes? 8. Le coefficient du frottement du glissement détermine par quoi? 9. Quelle est l’unité du coefficient du frottement? 10. Quand apparait une force du frottement? du glissement? du balancement? 11. Ecrivez une formule pour calculer la force du frottement. De quoi dépend la force du frottement du glissement? 12. Qu'est ce qui détermine la force du frottement? Comment peut-on la calculer? Comment est dirigée la force du frottement? 13. Comment est dirigée la force de frottementdu glissement? 14. Quelle force est appelée comme une force de frottement liquide? De quoi et comment dépend la puissance du frottement liquide? 15. Y a-t-il le frottement statique dans les liquides? 16. Comment influence la forme du corps sur sa vitesse au moment de son mouvement dans les liquides et les gaz? 17. Donnez des exemples d'effets utiles et nuisibles des forces de frottement statique, du glissement, du balancement. 18. Comment dépéndentla voie de freinageet le temps de la freinage de la vitesse d’un objet? De la force du frottement? Du coefficient du frottement? 19. Dessinez un graphique schématique de la force du frottement du glissement de la force de réaction dusupport. A l'aide d'un graphique déterminez le coefficient du frottement du glissement? 20. Formulez la loi Amonton-Coulomb. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ 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Equipement: cylindre de verre plein de liquide transparant, chronomètre, micromètre, règle graduée, billes de plomb. Théorie du problème et algoritme du travail Le phénomène de transport réunit quelques processus qui sont liés à l’irrégularité de la densité, de la température ou de la vitesse du transport des couches de la matière. Les phénomènes de transport ce sont la diffusion, le frottement intérieur et la conductibilité de la chaleur. L’effet du frottement intérieur (de la viscosité) est la force du frottement entre les couches du gaz ou du liquide qui se déplacent l’une par rapport l’autre, elles sont parallèles et se déplacent avec des vitesses différentes. La couche qui se déplace plus vite agit sur une autre couche avec une force accélératrice. Les forces du frottement intérieur qui surgissent à ce moment sont dirigées à la tengente par rapport du contact supérficielle des couches (images 2.1, 2.2). La valeur de la force du frottement intérieur F entre les couches voisines est proportionnelle à leurs supérficies S et au gradient de la vitesse dv dx ctd le rapport de Newton est juste: F dv S dx (2.1) La valeur est le coefficient du frottement intérieur ou le coefficient dynamique de la viscosité. L’unité est en Pa s . La valeur dv dx nous montre le changement de la vitesse du liquide pendant le déplacement du point en direction étant pérdendicullaire aux couches. La notion du gradient de la vitesse est présentée sur l’image 2.1, 2.2. Image 2.1. Le gradient de la vitesse Cette image nous explique le partage des vitesses des couches du liquide entre des plaques parallèlles l’une desquelles est immobiles et l’autre a une vitesse v0 . La situation pareille surgit dans la couche intermédiaire entre deux détails. Dans ce cas les couches du liquide qui touchent la plaque ont les mêmes vitesses que cette plaque-ci. Les couches mouvantes emportent partiellement les couches voisines. En résultat la vitesse du liquide entre deux plaques change à la direction x. Alors: dv v0 const . dx x0 Image 2.2. Le gradient variable de la vitesse L’image 2.2 représente le partage des vitesses du liquide près de la bille qui se déplace verticalement au-dessous. On suppose que la vitesse v0 soit petite car le tourbillonnement du liquide ne surgit pas. Dans ce cas le liquide qui touche la supérficie de la bille a la vitesse v0 . Les couches éloignées de la bille sont partiellement emportées. La vitesse change plus vite près de la bille. La présence de la vitesse de bille près de la supérficie du corps montre qu’il y a la vitesse du frottement intérieur qui dépend du coefficient de la viscosité . La valeur elle-même reflète la nature du liquide et dépend de sa température. La force du frottement intérieur et le coefficent de la viscosité du liquide peut être étudiée à l’aide de plusieurs méthodes – d’après la vitesse du découlement du liquide à travers du trou calibré et d’après la vitesse du mouvement du corps dans le liquide. Pendant ce travail on propose de déterminer d’après la méthode de Stokes. Etudions deux exemples du mouvement successif d’une petite bille avec le rayon r dans le liquide. Désignons par v0 la vitesse de la bille dans le liquide. Le partage des vitesses dans les couches voisines du liquide emportées par la bille doivent être comme sur l’image 2.2. La vitesse v des couches proches est égale à v 0 et les vitesses des couches éloignées diminuent et est égale à zéro à la distance x. Il est évident que plus le rayon de la bille plus la masse du liquide emporté et x doit être proportionnel au rayon de la bille r : x r . Alors, on peut trouver la moyenne du gradient de la vitesse sur la supérficie de la bille qui est égale à: v v0 0 v0 x r r La supérficie de la bille est de la bille est égale à: F S 4r 2 , . et la force complète du frottement à cause v v 4 S 0 4r 2 rv0 . x r Les expériences plus précises montrent que pour la bille est 2 , 3 et alors c’est la formule de Stokes. D’après la formule de Stokes on peut, par exemple, déterminer la vitesse de l’abaissement des particules du bruyard et de la fumée. Et au contraire en utilisant la formule de Stokes on peut trouver la viscosité du liquide en mesurant la vitesse de l’abaissement de la bille. Tombée dans le liquide la bille commence à se déplacer avec l’accélération égale, mais, à la mesure que sa vitesse se grandit, la force de la résistance du liquide se grandit aussi jusqu’à ce que la force de pésenteur de la bille ne soit pas égale à la somme de la force de résistance et de celle de frottement du mouvement de la bille. Après ce moment le mouvement de la bille s’effectue avec la vitesse constante v0 . Pendant le déplacement de la bille la couche du liquide proche se colle à cette bille et se déplace avec la vitesse de la bille. Les couches voisines du liquide se déplacent aussi mais leur vitesse diminue à l’éloignement de la supérficie de la bille. Alors, pour trouver la résistance du liquide il faut considérer le frottement des couches du liquide et pas le frottement de la bille et du liquide. Si la bille tombe dans le liquide qui n’a pas de frontières r et si cette bille ne provoque aucuns tourbillonement (s’il y a une petite vitesse ou une petite bille) alors la force de résistance d’après Stokes sera égale à: F 6vr , (2.2) où – est le coefficient du frottement intérieur du liquide; v – est la vitesse de la bille; r – est son rayon. Sauf la force F la force de pésenteur agit aussi sur la bille Fp et aussi la force d’Archimède FA , qui est égale au poid P du liquide déplacé par la bille. Pour la bille: Ffr 6 rv 0 4 4 P r 31 g ; FА r 32 g , 3 3 (2.3) – est la densité du matière de la bille et du liquide. Toutes les trois forces seront dirigées verticalement: la force de pésenteur est au-dessus, la force de levage et la force de résistance sont au-dessus. Après être entrée dans le liquide la bille se déplace avec l’accélération. En passant la première marque la vitesse de la bille s’est retablie et on reçoit: v /t , où t – est la période de passement de la distance entre deux marque, – est la distance entre deux marque. Le mouvement de la bille s’agrandit, l’accélération diminue et, à la fin, l’accélération sera égale à zéro. Alors F P FА . (2.4) En mettant les valeurs dans la formule (2.4), on reçoit: où 1 , 2 4 3 r g 1 2 6rv0 0 . 3 (2.5) En résolant l’équation (2.5) par rapport le coefficient du frottement intérieur, on reçoit la formule générale: 2 1 2 2 gr . 9 v0 (2.6) L’image 2.3 représente l’appareil qui se compose du cylindre en verre avec les marques horizontales d1 et d 2 ( – est la distance entre les deux marques). Ce cylindre est rempli de liquide (huile de ricin, huile de transformateur, glicérine) pour que le niveau du liquide soit plus haut que la marque en 58 cm. Image 2.3. L’appareil de Stokes Algorithme du travail Pour trouver le coefficient du fronttement de fluide, par exemple, de l’huile, on prend de petites billes. Le diamètre de ces billes est mesuré avec le micromètre. La période de la chute de la bille est mesurée avec le chronomètre. 1. Mesurez le diamètre de la bille avec le micromètre. 2. Mesurez la période du passage de chaque bille entre deux marques d1 et d 2 . Laissez la bille dans le trou du tube et au moment où la bille passe la 1 ère marque, branchez le chronomètre et au moment où la bille passe la 2 ème marque, débranchez le chronomètre. 3. Faites l’expérience cinq fois. 4. Mesurez la distance entre deux marques. Calculez la vitesse du passage de la bille et trouvez le coefficient de la viscosité d’après la formule (2.6). 5. Les valeurs de densité du liquide et des billes se trouvent dans le tableau des valeurs physiques. 6. Trouvez la moyenne du coefficient de la viscosité, trouvez l’erreur absolue et l’erreur relative. № 1 2 3 4 5 d r t v i i m m m s m/s Ns/m2 Ns/m2 Ns/m2 Ns/m2 % Les questions de contrôle 1. En quoi consiste la méthode de la détermination du coefficient de la viscosité du liquide d’après Stokes? 2. Quelles forces agissent sur la bille pendant son mouvement dans le liquide? 3. Comment dépend le coefficient du frottement intérieur du liquide de la température? 4. Quels courants du liquide sont-ils nommés comme l’écoulement laminaire et l’écoulement tourbillonnaire? 5. Quel est le sens physique du coefficient de la viscosité du liquide? 6. Pourquoi les mesures sont-elles justes pendant les petites vitesses? 7. Pour quel liquide (pour la glicérine ou pour l’eau) cette méthode sera-t-elle plus juste? 8. Il y a deux billes de plomb de diamètres différents. La vitesse de quelle bille sera-t-elle plus grande? 9. De quoi et comment dépend la force du frottement liquide? 10. Nommez les caractéristiques de la force du frottement liquide. 11. Commend dépend la force du frottement liquide de la vitesse? 12. Quels sont les moyens pour réduire la frottement? 13. Ecrivez la formule de Newton pour la force du frottement tenace, expliquez ça? 14. Quels sont les liquides newtoniens et non newtoniens? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ 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Equipement: psychomètre, tableau psychomètrique, cuvette. Théorie du problème et algorithme de travail Il faut savoir mesurer l’humidité de l’air pour: la météorologie, pour suivre les conditions de conservation de blés, de légume, de fruits, pour crées les conditions les plus favorables des intérieurs des logements, pour garder les technologies des productions chimiques etc. L’air atmosphérique – c’est un mélange gazeux et de la vapeur. Pour les mélanges il y a la loi de Dalton “La tension du mélange gazeux ou des vapeurs est égal à la somme des tensions de chaque gaz à part”. La tension gazeuse est proportionnelle à son contenu en unité de volume. C’est pourquoi en mesirant la tension gazeuse, on peut toujours trouver sa concentration et au contraire. L’humidité de l’air est mesurée à l’aide de deux valeurs – l’humidité absolue et l’humidité relative. L’humidité absolue est mesurée par la quantité de la vapeur en 1 m3 de l’air. L’humidité relative de l’air s’appelle le rapport de la tenstion partielle P de la vapeur d’eau qui se trouve dans l’air à la tension P0 de la vapeur saturée, exprimée en %: P 100% . P0 (3.1) On mesure l’humidité relative en %. L’humidité la plus favorable pour l’homme est 4060%. Le refroidissement de la vapeur non saturée la fait saturée. La température t P , à laquelle la vapeur non saturée se fait saturée est nommée comme le point de rosée. Au point de rosée on peut trouver la tension de la vapeur d’eau dans l’air P (image 3.1). Elle est égale à la tension de la vapeur saturée à température t1 , qui est égale au point de rosée. On peut mesurer l’humidité relative de l’air selon la valeur de la tension de la vapeur P et de la tension P0 de la vapeur d’eau saturée. Image 3.1. Graphique de mesure de l’humidité Il existe quelques méthodes de mesure de l’humidité de l’air. Dans notre cas on la mesure à l’aide de psychomètre, car cet appareil s’avère le plus simple à utiliser. Le psychomètre se compose de deux termomètres (image 3.2). Le réservoir de l’un des termomètres reste sec 1, et il montre la température de l’air. Le 2ème réservoire est couvert d’une bande de tissu 2, le bout de laquelle est mis dans l’eau. L’eau se vaporise et grâce à cela le termomètre se refroidit. Plusl’humiditérelative de l’air, la vaporisation est moins intensive. A l’humidité relative 100%, l’eau ne se vaporise point et les valeurs de deux termomètres sont égales. A la différence des température de ces termomètres on peut mesurer l’humidité de l’air, en utilisant le tableau 3.1. Image 3.2. Psychomètre Algorithme du travail 1. Prenez soigneusement le psychomètre, consultez ces instructions, assurez que l’un des termomètres a une bout de tissu qui est mis dans le réservoir. 2. Vérifiez la présence de l’eau dans le verre du psychomètre et s’il est nécessare, ajoutez de l’eau. 3. Quand la température du termomètre humide cessera de diminuer (~ dans 10 min), notez les températures de deux thermomètres(sec et humide) avec la précision jusqu’à 0,1 ºС. 4. En consultant le tableau psychomètrique, déterminez l’humidité relative de l’air. 5. Remplissez la cuvette d’eau. 6. Installez le psychomètre près de la surface d’eau. 7. Dans 1015 minutes effectuez les mesures de la température des thermomètres sec et humide. En consultant le tableau psychomètrique 1, déternimez l’humidité relative de l’air. Tableau 3.1 Les valeurs du termomètre sec, С La différence des valeurs des termomètres sec et humude, С 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L’humidité relative, % 0 100 81 63 45 28 11 – – 1 100 83 65 48 32 16 – – 2 100 84 68 51 35 20 – – 3 100 84 69 54 39 24 10 – 4 100 85 70 56 42 28 14 – 5 100 86 72 58 45 32 19 6 6 100 86 73 60 47 35 23 10 7 100 87 74 61 49 37 26 14 8 100 87 75 63 51 40 28 18 9 100 88 76 64 53 42 34 21 10 100 88 76 65 54 44 34 24 11 100 88 77 66 56 46 36 26 12 100 89 78 68 57 48 38 29 13 100 89 79 69 59 49 40 31 14 100 89 79 70 60 51 42 34 15 100 90 80 71 61 52 44 36 16 100 90 81 71 62 54 46 37 17 100 90 81 72 64 55 47 39 18 100 91 82 73 65 56 49 41 19 100 91 82 74 65 58 50 43 20 100 91 83 74 66 59 51 44 21 100 91 83 75 67 60 52 46 22 100 92 83 76 68 61 54 47 23 100 92 84 76 69 61 55 48 24 100 92 84 77 69 62 56 49 25 100 92 84 77 70 63 57 50 26 100 92 85 78 71 64 58 50 27 100 92 85 78 71 65 59 52 28 100 93 85 78 72 65 59 53 29 100 93 86 79 72 66 60 54 30 100 93 86 79 73 67 61 55 8. Ecrivez les résultats dans le tableau 3.2. 9. Comparez les résultats de mesure de l’humidité relative. – – – – – – – – 7 11 14 17 20 23 25 27 30 32 34 35 37 39 40 42 43 44 46 47 48 49 50 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 5 8 11 14 17 20 22 24 27 29 30 32 34 36 37 38 40 41 42 43 44 – – – 6 9 12 15 17 20 22 24 26 28 30 31 33 34 36 37 38 39 Tableau 3.2 № Valeurs des thermomètres Sec humid °С °С Différence des valeurs t °С 1 2 Les questions de contrôle % 1. De quoi se compose le psychomètre ? 2. Pourquoi les valeurs des termomètres secs se distinguent de celles de thermomètres humide et est-ce cette différence dépend de l’humidité de l’air? 3. Quelle est l’humidité de l’air si les thermomètres sec et humide montrent la même température? 4. Qu’est-ce c’est l’humidité relative et absolue ? 5. Pourquoi la rosée apparaît pendant la nuit ? Qu’est-ce c’est le point de rosée? 6. Qu’est-ce qu’il faut faire pour augmenter ou diminuer l’humidité relative à l’intérieur? 7. Pourque supporte-on la chaleur dans l’air sec? 8. L'humidité relative à 20 ° C est 100%. Quelle quantité de vapeur y-t-il dans 3 1 m dans cette condition? 9. Selon les résultats de mesures effectuées dans une expérience 1 déterminez la masse de vapeur dans le laboratoire. 10. Qu’est-ce que c’est l'humidité? Elle influence sur quoi? 11. Pourquoi avons-nous besoin de connaissances sur l'humidité dans la médecine? 12. Quels sont les autres moyens permettant de déterminer le taux d'humidité? 13. La vapeur saturée c’est? Qu'est-ce que c’estl’équilibre dynamique; Simple point de rosée? 14. Pourquoi l’indice du thermomètre abreuvé est moins que celui-ci sec? 15. Commentpeut-on déterminer la pression partielle sachant le point de rosée? 16. Pourquoi au condition de l’insufflation de l'airà travers de l’éthersur la surface polie dans la chambre apparaît la rosée sur les murs de hygromètre? 17. L’influencede la proximité d’un expérimentateur par rapport à l'hygromètre pendant l'expérience. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ __________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 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_______________________________________________________________ ________________________________________________________ Travail pratique № 4 DETERMINATION DU COEFFICIENT DE LA TENSION SUPERFICIELLE DU LIQUIDE Objectifs: d’apprendre de mesurer le coefficient de la tension superficielle de l’eau à l’aide de deux méthodes: 1. celui de décollement du goutte; 2. celui d’élévation du liquide dans les tube capillaire. Equipement: burette, liquide, balances techniques, jeu de poinds, tube pour les gouttes, micromètre, deux tube cappulaires des divers diamètres, aiguille de mesure, règle à échelle. Théorie du problème et algorithme du travail Les liquides ont les caractéristiques suivantes : leurs molécules qui sont 10 9 м, se trouvent dans d’autres conditions que les molécules qui sont à l’intérieur du liquide. Chaque molécule (voir l’image 4.1) étant à l’intérieur du liquide ( M 1 ), est entourée d’autres molécules et a l’influence de l’attration moléculaire dans toutes les directions. La force résultantes de la molécule M 2 , n’est pas égale à zéro et est dirigée vers l’intérieur du liquide. Sous l’influence de cette force les molécules étant à la supérficie cherchent à descendre à l’intérieur du liquide et la supérficie du liquide diminue jusqu’au minimum. Image 4.1. Esquisse schématique des forces des molécules dans le liquide La superficie du liquide cherche toujours à diminuer grâce à l’existance des forces tentant de diminuer cette superfice. Ces forces sont appelées comme la tension superficielle du liquide. Si on crée les conditions selon lesquelles on néglige la force extérieure, le liquide prendra la forme de globe ctd. De telles conditions surgissent pendant le bruyard, les petites gouttes de rosée, au bord de la station d’espace. La présence des forces extérieures change la forme des gouttes du liquide. On imagine que le molécule du liquide se déplace de l’extérieur à l’intérieur du liquide. Dans ce cas-là les forces agissant sur la molécule font le travail positif. Au contraire, pour déplacer la molécule de l’intérieur à l’extérieur il faut effectuer du travail. Le travail des forces de l’attraction moléculaire sera négatif. Les molécules qui créent la supérfice du liquide ont l’énergie potentielle supplémentaire U . Cette énergie est proportionnelle à la superficie du liquide S . U S . (4.1) Le coefficient de la proportionnalité est appelé le coefficent de la tension superficielle du liquide. Cette valeur a deux sens physiques. Premièrement, le coefficient de la tension superficielle est égale au travail qui doit être effectué pour augmenter les superficies du liquide. A S J m2 . Deuxièmement, si la superficie est entourée de contour de la logitude , donc les forces de la tension superficielle agissent sur chaque segment de ce contour (image 4.2). Alors le coefficient de la tension superficielle est égale à la force de la tension superficielle agissant sur l’unité de longitude de ce contour. F N m . Image 4.2. Force agissant sur une unité de longitude du contour Le coefficient de la tension superficielle peut être mesuré pendant la création et la séparation d’une goutte qui s’écoule du tube fin. Avant la séparation de la goutte la force de pésenteur devient égale à la force de la tension superficielle qui se dirigent en-haut. C’est pourquoi Ften.sup. mк g (image 4.3). Image 4.3. Schéma de la formation d’une goutte Le poid de la goutte augmente et commence à dépasser la force de la tension superficielle qui soutient la goutte et la goutte se sépare de la superficie. On peut calculer la force de la tension superficielle, en multipliant le coefficient de la tension superficielle du liquide à la longitude de la ligne de la séparation de la goutte. La longitude du contour AB , auquel la goutte se sépare, est égal à la longitude de circonférence 2r ou D ,où D – le diamètre du cou de la goutte. F D . (4.2) Alors D mк g . D’où mк g D . (4.3) Algorithme du travail I. Méthode de la séparation des gouttes 1. Montez l’installation d’après l’image 4.4. On a éprouvé que le diamètre AB du cou de la goutte (image. 4.3) est 0,9 de diamètre du bout étroit de la burette d 2 10 3 m. Image 4.4. Montage général 2. Déterminez la masse du tube vide pour ramasser les gouttes. 3. Mettez le tube vide (pas pour les gouttes) et règlez l’écoulement du liquide de la burette en comptant la quantité des gouttes. 4. Mettez le tube vide sous la burette et comptez le nombre des gouttes de l’eau n 50 . 5. Déterminez la masse des gouttes. 6. Répétez l’expérience en ramassant 75 et 100 gouttes. 7. Pour chaque expérience ( n 50 , 75, 100) calculez le coefficient de la tension superficielles selon la formule mg n 0,9d . (4.4) 8. Ecrivez les résultats des mesures et des calcules dans le tableau 4.1. Tableau 4.1 Tube Tube avec m № vide des gouttes kg kg kg 1 2 3 0,9d n m moye N/m N/m tabl tabl moye moye N/m 100 % 50 75 100 II. Méthode de l’élévation du liquide dans les capullaires Les deux forces agissent sur l’élévation du liquide (image 4.5), la pésenteur et la force de la tension superficielle: F2 mg Vg r 2 hg и F 2r . Ces forces sont égales, ctd 2r r 2 hg , d’où Image 4.5. Forces agissant sur le liquide dans le capillaire hrg , 2 (4.5) où – est la densité du liquide, r – est le radius capullaire, h – est la hauteur du liquide dans le capullaire, g – est l’accélération de la pésenteur. Ainsi, cette expérience est calculée selon la formule (4.5). 1. Mettez successivement les tubes capillaires dans le verre avec de l’eau. 2. Mesurez la hauteur de l’élévation de l’eau dans les tubes capullaires à l’aide de la règle (image 4.5). 3. Mesurez le diamètre intérieur des tubes capillaires à l’aide de l’aiguille de mesure et du micromètre (image 4.4). 4. Calculez la valeur selon la formule (4.5). 5. Ecrivez les résultats de mesure et de calcule dans le tableau 4.2. Tableau 4.2 № tubes 1 r h moye tabl m m kg/m3 N/m N/m N/m tabl moye moye % 100 2 6. Comparez les résultats de mesure avec ceux de tableau 4.1. Les questions de contrôle 1. Quel est le sens physique du coefficient de la tension superficielle? Quelles sont ses unité de mesure? 2. De quels facteurs dépend ? 3. A quoi est basée la méthode de la séparation de la goutte ? 4. A quoi est basée la méthode des capullaires ? 5. Décrivez les processus de la formation des gouttes et de la séparation de la goutte de la burette. 6. A cause de quelles forces le liquide élève et baisse dans les capullaires? Par quoi est déterminée la hauteur de l’élévation du liquide dans le capullaire? 7. Expliquez pourquoi l’un des liquides font humides la superficie des tubes, les autres ne le font pas? 8. Quelle est la différence entre les forces de la tension superficielle des liquides mouillants et ceux de non mouillants? 9. Pourquoi les gouttes cherchent à se faire ronde à l’apesenteur? 10. Notez la formule de Laplace pour la tension supplémentaire sous la superficie courbure. 11. Comment la tension de surface dépend du type de liquide? 12. Pourquoi et comment la tension de surface dépend de la température? 13. Dans deux tubes identiques il y a la même quantité de gouttes de l'eau. Dans un tube l'eau est pur, dans un autre il y a un mélange du savon. Sont les volumes pareilles dans ces tubes? Justifiez votre réponse. 14. Est-ce que le résultat du calcul de la tension de surface changera, si l'expérience a lieu à l'autre endroit de Terre? 15. Est-ce que le résultat du calcul changera, si le diamètre du canal est moins. 16. Pourquoi dans la méthode de séparation des gouttes: a) on recommande realiser les dimensions pour le plus grand nombre des gouttes? b) il faut séparer des gouttes lentement? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________________ 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Equipement: bobine de choc; condensateurs à 1 mkF, 2 mkF, 4 mkF; boîte de résistance à 100 Ω; avomètre AVO-63; voltmètre à 15 V; souce du courant alternatif; fils connectés. Théorie du problème et algorithme du travail Pendant le montage du réseau en série: la résistance, la bobine et lecondensateur à la source du courant alternatif (d’après la loi harmonique avec la fréquence cyclique et avec l’amplitude de la tension U m )dans les réseaux surgissent les oscillations forcées de la force du courant. L’analyse des processus dans les réseaux marque que la fréquence des oscillations forcées du courant doit correspondre à la fréquence des oscillations de la tension, et les valeurs de la force du courant I du réseau sont liées à la valeur de la tension U de la loi d’Ohm pour le circuit en série du courant alternatif: I U Z , 2 1 Z R 2 L , C où Z – est l’impédance du circuit, R – est la résistance active du circuit, L – est l’inductivité de la bobine, C – est la capacité électrique du condensateur, 2 , 50 Hz. Les résistances actives R , de capacité X C 1 et inductive X L L du C courant alternatif du circuit en série ne sont pas additionnées algébriquement car les oscillations de la tension dans tous les segments du circuit sont déphasées. Pour recevoir l’expérience de mesure des circuits du courant alternatif et de mesures des courants et des tensions aux réseaux pareils on peut profiter de la baterie de condensateurs en papier avec la capacité électrique connue, de la boîte de résistance et de la bobine avec l’inductivité connue et d’appareils des mesures. On utilise la bobine de choc en qualité de la bobine inductive. Algorithme du travail 1. Calculez la résistance complète du réseau électrique avec la résistance 100 Ω, le condensateur avec la capacité électrique 1 mkF et la bobine avec l’inductivité 1 N. Calculez la valeur de la force du courant I t du réseau avec la tension U 6 V. 2. Montez le réseau électrique en connectant le milliampermètre du courant alternatif, la batterie des condensateurs, la bobine et la boîte des résistances (image 5.1). Branchez la résistance 100 Ω. Image 5.1. Schéma du montage expérimental 3. Connectez les bouts du circuit à la souce du courant alternatif avec la tension 6 V. Mesurez les forces du courant I exp dans le réseau et la tension générale U. 4. Ecrivez les résultats des mesures et des calcules dans le tableau. № R C L Z U It I exp Ω mkF 1 2 4 H Ω V mА mА 1. 2. 3. 5. Avant de connecter les condensateurs 2 mkF et 4 mkF au réseau électrique calculez la valeur théorique du courant. Indiquez la valeur nécessaire à l’appareil. Les questions de contrôle 1. sinusoïdal? 2. 3. 4. 5. elle définie? 6. 7. le condensateur. 8. n’est pas égale inductive? 9. alternatif? Quel courant est alternatif? Qu’est-ce que c’est le courant Qu’est-ce que c’est la valeur effective du courant électrique? Exprimez la loi d’Ohm pour le réseau du courant alternatif. Qu’est-ce que c’est la résistance active du réseau électrique? A cause de quoi surgit la résistance du circuit? Comment estQu’est-ce que c’est la capacitance? Comment est-elle définie? Expliquez la présence du courant alternatif dans le réseau avec Pourquoi l’impédance du circuit en série du courant alternatif à la somme algébrique des résistance active, capacitive et Comment l’inductance dépend-elle de la fréquence du courant 10. Dans quelle direction coule le courant dans le circuit du courant alternatif ? 11. De quoi depend la fréquence du courantdans la chaîne du courant alternatif? 12. Comment depend la résistance du condensateur de la fréquence du courant alternatif? 13. Comment depend la résistance de l'inductance de la fréquence du courant alternatif? 14. Comment depend la résistance de la fréquence du courant alternatif ? 15. Dans quel cas la valeur du force du courant dans circuits du courant alternatif sera maximal? 16. Ecrire la loi d'Ohm pour les circuits du courant alternatif avec la capacité et les résistances actives. 17. Ecrire la loi d'Ohm pour les circuits du courant alternatif avec la résistence inductive et capacitive. 18. Quelle est la puissance moyenne consommée dans un circuit avec une résistance inductive? 19. Quelle est la puissance moyenne consommée dans le circuit avec une résistence de capacité? 20. Quelle est la consommation de puissance moyenne dans un circuit avec une résistance active? 21. Quelle est la consommation moyenne du circuit complet du courant alternatif? 22. Dessinez un schéma pour la résistance du circuit avec la résistence capacitive et active. 23. Dessiner un schéma des résistancespour un circuit avec une résistance inductive et active. 24. Qu’est-ce que c’est une résonance dans le circuit du courant alternatif? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ __________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 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Equipement: aimant; bobine à spires multiples; source d’alimentation VS-24; galvanomètre; condensateur à 1 mkF; fils de connexion. Théorie du problème et algorithme du travail On détermine l’inductance du champ magnétique B à l’aide de mesure du flux magnétique Ф , pénétrant dans le contour de la superfice de la section transversale S , perpendiculairement au vecteur de l’inductance B : Ф BS . Pour mesurer le flux magnétique Ф pénétrant dans le contour on peut profiter de phénomène de l’inductance électromagnétique : on éloigne vite le contour du champ et la valeur Ф change jusqu’à zéro; EDS de l’inductance surgie dans ce contour est déterminé par l’équitation est suivante: Ф BS . t t En profitant de la bobine qui contient les spires N , l’inductance est plus grande en N fois, que dans le contour: N Ф NBS . t t Si les bouts de la bobine sont connectés au galvanomètre, le courant d’inductance surgit dans son réseau I à l’éloignement de la bobine du champs magnétique de l’aimant permament. En divisant les deux parties de l’équation de la résistance R, on reçoit: NBS I , R R t où I t q NBS , R où B qR . NS Pour déterminer l’inductance du champ magnétique homogène B il faut mesurer la valeur du courant électrique q , surgie dans la bobine à l’éloignement rapide du champ électrique. La charge passé par le réseau peut être mesurée en sachant la résistance générale du réseau, le nombre de spires de la bobine et l’air du contour du galvanomètre dont l’échelle est graduée préablement en coulomb. Image 6.1. Schéma de l’expérience Algorithme du travail 1. Tracez le tableau dans vos cahiers pour noter des résultats de mesures et de calcule. 2. Mesurez le diamètre D de la bobine, calculez l’air S de sa section transversale et comptez le nombre de spires N qu’elle contient. Ecrivez les données reçues dans le tableau. 3. Mettez la limite au galvanomètre х10. Montez le réseau suivant l’image 6.1. Introduisez la bobine dans le champs de l’aimant permanent en installant sa superficie perpendiculairement aux lignes de l’inductance (image 6.1). № D m N S 2 m n n n0 n0 q B C T 1 2 3 4 5 4. Eloignez vite l’aimant et mesurez le nombre des division à l’échelle n . Répétez l’expérience cinq fois, mesurez la valeur moyenne des divisions n , et déterminez la charge q , qui passe dans le réseau de la bobine. 5. Pour mesurer la charge q il faut utiliser le schéma (le travail «Les mesures de la capacité du condensateur d’après la méthode du galvanomètre balistique»). Le schéma principal du montage est présenté sur l’image 6.2. Chargez le condensateur C de la source du courant continu avec la tension de la charge 8 V. Puis, mettant le tumbler dans la position II, déchargez le condensateur au microampérmètre qui travaille au régime balistique. Effectuez l’expériance les 5 fois, trouvez n0 . Image 6.2. Schéma de la connexion du condensateur En sachant la capacité du condensateur, la tension du réseau et la déviation de l’aiguille de galvanomètre n0 , on peut déterminer à quoi correspond une division de l’échelle du galvanomètre q CU ; q0 C U n0 . Alors q C U n n0 . Ainsi graduons-nous l’échelle du galvanomètre en coulomb. En profitant des valeur trouvées de la charge q , de l’air de la bobine S et du nombre de ses spires N , calculez l’inductance B du champs magnétique de l’aimant permanent. Les questions de contrôle 1. Qu’est-ce que c’est le phénomène de l’inductance électromagnétique? 2. Qu’est-il nécessaire pour recevoir l’inductance du courant? 3. De quoi dépend la valeur du courant inducteur? 4. Exprimez la loi de Faradei et la règle de Lenz pour l’inductance électromagnétique. 5. Est-ce que la déviation de l’aiguille du galvanomètre dépend de la vitesse du mouvement de l’aimant? 6. Qu’est-ce qu’on fait pour augmenter la sensibilité de l’installation de laboratoire utilisée pendant cette expériance? 7. Quelle affirmation suivante décrit le concept de l'induction électromagnétique? Choisissez une bonne réponse. A. C’est le phénomène qui caractérise l'effet du champ magnétique sur une charge en mouvement. B. C’est le phénomène d'apparition du courant électrique dans la boucle fermée à la condition de changement du courant magnétique. C. C’est le phénomène qui caractérise l'effet du champ magnétique sur le conducteur de courant. 8. Le courant d'induction a lieu dans chaque boucle fermée si... Choisissez une bonne réponse. A. ... la boucle se trouve dans un champ magnétique uniforme. B. ... la bouclebouge progressivement dans un champ magnétique uniforme. C ... le courant magnétique change pénétrant la boucle. 9. La bobine est fermée sur le galvanomètre. Dans quelles expériences est-il possible d’observer la déviation de la aiguille? Donnez des exemples. 10. Le cadre métallique est dans un champ magnétique uniforme. Dans quels cas est-il possible d’observer le courant d’induction? 11. Comment doit bouger un circuit conducteur fermé dans un champ magnétique uniforme, pour que le courant d’induction y apparaîsse progressivement ou rotativement? Pourquoi ? 12. Quel connexion y-t-il entre laloi de Lenz et la loi de la conservation de l'énergie? 13. Qu'est-ce que c’est l’induction magnétique? 14. Quand l’induction magnétique est maximale ? Pourquoi? Faites un dessin. 15. Pourquoi y-t-il le moins dans la loi de l'induction électromagnétique? 16. A quoi égalise la force Ampère et où elle est dirigée? (habituellement) 17. A quoi égalise la force de Lorentz et où elle est dirigée? (habituellement) 18. Il y a un conducteur rectiligne du courant. Comment peut-on déterminer la direction du vecteur de l’induction magnétique? 19. Il y a une boucle du courant. Comment peut-on déterminer la direction du vecteur de l'induction magnétique? 20. Il y a une bobine avec un courant. Comment peut-on déterminer la direction du vecteur de l'induction magnétique? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _______________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 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lentilles convergante et divergante. Equipement: lentille biconcave, lentille biconvexe, règle, lentille convergente de long foyer, ampoule électrique, source du courant, fils de connexion, écran. Théorie du problème et algorithme du travail La réfraction de la lumière à la frontière sphérique a une grande importance pratique. Le détail principal des appareils optiques c’est la lentille – qui s’avère un corps de verre qui est limité par les supérficies sphériques de deux côtés; en cas particulier l’une des superficies de la lentille peut être plate qu’o considère comme la superficie sphérique d’une grand rayon infini. Etudions la lentille qui est limitée par deux superficies réfractrices sphérique MO1 N et MO2 N (image 7.1). Image 7.1. Lentille fine Le centre de la superficie réfractrice MO1 N se trouve au point С 2 , le centre de la 2 superficie MO2 N est au point С1 . Sur l’image 7.1 on a présenté la lentille qui a l’épaisseur évidante O1O2 . Pendant l’expérience on utilisera une lentille très fine, ctd la distance O1O2 est trop petite à la différence de O2C1 ou O1C2 . En ce cas on peut dire que les points O1 et O2 se réunissent en un seul point O . Ce point O est nommé comme le centre optique de la lentille. Toute ligne droite qui passent par le centre optique s’appelle un axe optique de la lentille. L’axe passant par les centres de deux superficies réfractrices de la lentille est nommé comme l’axe optique principal, les autre axes sont les axes supplémentaires. Le rayon qui passe par l’un des axes optiques, en traversant la lentille, ne change guère de sa direction. En vérité pour les rayons, qui passent le long de l’axe optique peuvent être considérés comme parallèles, et la paisseur de la lentille est assez petite. Nous savons que le rayon de lumière en passant par la plaque platème parallèle, se déplace parallèlement. Mais on néglige cette déviation de la lumière si la plaque est si fine. Si le rayon de la lumière ne tombe pas le long de ses axes optiques, et a une autre direction. Lui, s’étant déplacé à la 1ère supérficie puis à la 2ème supérficie se rendra à la direction initiale. Le moyen le plus simple de la mesure de la force optique D et de la distance focale F de la lentile est basé à la formule de la lentille fine: D 1 1 1 F d f , (7.1) où F est la distance focale de la lentille, d est la distance de l’objet (le fil de l’ampoule) jusqu’à la lentille, f est la distance entre la lentille et l’image. On utilise le fil luminescent de l’ampoule électrique en qualité de l’objet. On reçoit l’image réelle sur l’écran. Dans l’air ou dans le vide tous les rayons qui sont parallèles à l’axe optique principal de la lentille convexe, après le passage à travers de la lentille, se dévient de l’axe optique. C’est pourquoi les lentilles convexes sont nommées comme les lentilles divergentes. Les prolongements des rayons dans la direction contraire se réunissent dans un seul point F à l’axe optique principal devant la lentille. Ce point est nommé comme le foyer de la lentille divergente. Le foyer principal de la lentille divergente est imaginaire ctd en réalité les rayons de la lumière ne s’y réunissent pas. La lentille divergente crée la figure imaginaire qui n’est pas projetée sur l’écran ctd il ne faut pas mesurer la distance de la lentille jusqu’à la figure. La distance focale de la lentille divergente peut être déterminée, si on profite de la lentille convergente supplémentaire. Les rayons de la source S , passés par la lentille divergente, se divergent. Le faisceau lumineux divergeant, tombé sur la lentille convergente, se rammasera sur l’écran (image 7.2). Image 7.2. Passage des rayons par le système des lentilles convergente et divergente On utilisant le principe de la réversibilité des rayons lumineux, prolongeons les rayons de la lentille convergente à travers de la lentille divergente. Ils se réuniront à la distance de f de la lentille divergente. Omettons la lentille divergente et mettons la source de la lumière au point S , assurons-nous qu’à l’écran on a la figure fine de la source. La formule de la lentille fine est suivante: 1 1 1 F d f . (7.2) Ecrivons la formule pour la lentille divergente en tenant compte de la règle des signes: 1 1 1 F d f . (7.3) Donc: F d f d f . (7.4) Algorithme du travail I. Lentille convergente 1. Montez le circuit électrique, connectez l’ampoule à la source du courant. 2. Mettez l’ampoule sur le bord du banc optique et mettez la lentille près de cette ampoule. Branchez l’ampoule et déplacez l’écran le long du banc optique avant qu’on ait la figure fine de la ligne luminescente sur l’écran. Pour diminuer les défauts, il est nécessaire de recevoir la petite figure (elle sera plus claire). 3. Mesurez la distance entre d et f . d est invariable, répétez l’expérience quelques fois, en recevant chaque fois la figure fine. Ecrivez les résultats de mesure dans le tableau 7.1. Trouvez f , D et F . Tableau 7.1 № f f d D F m m m dptr m 1 2 3 II. Lentille divergente 1. Installez les appareils d’une manière suivante: la source de la lumière, la lentille divergente, la lentille convergente et l’écran. Il faut que la ligne qui passe par les centres des lentilles et de la source de la lumière, soit perpendiculaire à l’écran (image 7.2). 2. En déplaçant la lentille convergente, recevez la figure fine du fil de la source de la lumière. 3. Mesurez la distance d entre la lentille divergente et le fil du canal. 4. Cochez la position de la lentille divergente et démontez-la. La lentille convergente et l'écran restent à leurs places. 5. Approchez la source de la lumière de la lentille convergente avant qu’on reçoive la figure fine sur l’écran. Dans ce cas-là le filament sera à la place de sa figure imaginaire, sirgie à cause de la lentille divergente. 6. Mesurez la distance f du filament jusqu’à la place où se trouvait la lentille divergente. 7. Trouvez la distance focale de la lentille divergente selon la formule (7.4). 8. Mesurez la force optique de la lentille en dioptries. Tableau 7.2 № d m f m F m Fср m D dptr 1 2 3 Les questions de contrôle 1. Comment peut-on mesurer la distance focale de la lentille biconvexe pendant la journée ensoillée? 2. Exprimez la règle des signes pour la lentille fine. 3. Où a-t-on trouvé l’application technique de la lentille? 4. Quelle lentille rend des objectifs plus gros – celle de courte focale ou celle de longue focale? 5. Quelles lunettes portent les myopes et les presbytes? Tracez le plan qui exprimerait la fonction des lunettes. 6. Qu’est-ce que c’est la force optique de la lentille? 7. Faites le schéma de la lentille convergente si: a) F d 2 F ; b) d 2 F ; c) d F. 8. Faites le schéma de la lentille divergente si: a) d F ; b) d F ; c) d F . 9. Comment s’appelle le point dans laquelle se croise un faisceau parallèle des rayons après la réfraction dans la lentille? 10. Construire le schéma de cet object dans la lentille. Quelle est ce schéma? (fig.) 11. Construire le schéma de cet object dans la lentille. Quelle est ce schéma? (fig.) 12. Construire l'image d'un objet dans la lentille convergente. L’objet est situé entre le foyer principal et le centre optique de la lentille perpendiculairement à l'axe optique principal d’une manière que le point le plus bas de cet objet est au-dessous de cet axe. 13. Pourquoi une lentille convexe s’appelle une lentille convergente? 14. Pourquoi une lentille concave s’appelle une lentille divergente ? 15. Pourquoi le foyer de la lentille divergente s’appelleun foyer imaginaire? 16. Pourquoi changent les images donnéespar les lentillesconvergantes? 17. Pourquoi une lentille concave ne donne pas l'image réelle? 18. A l’aide d’une lentille on a fait une image d’une flamme de bougie sur l'écran. Est-ce que cette image changera ? et comment ? si la moitié de lentilleon fermera par l’écran opaque? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 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____________________________________________________________ Travail pratique № 8 MESURE DE LA LONGUEUR DE L’ONDE LUMINEUSE A L’AIDE DU RESEAU DE DIFFRACTION Objectifs:de mesurer les longueurs des ondes pour de divers segments visibles de spectre à l’aide du réseau de diffraction. Equipement: appareil sur le support pourmesurer de la longueur de l’onde lumineuse, réseau de diffraction, source de la lumière. Théorie du problème et algorithme du travail Le réseau plat et transparant est le système des fentes étroites et transparantes qui sont séparées par les bandalette opaques. La somme de la largeur de la fente b et de la bandalette opaque a s’appelle la période du réseau d (image 8.1). Image 8.1. Réseau de diffraction Par exemple, si le réseau de diffraction comprend 100 traits à 1 mm, donc la période (où constante) du réseau de diffraction est d 0,01 mm. L’image 8.2 représente le schéma du passage des rayons par du réseau de diffraction. Les rayons qui traversent le réseau pérpendiculairement à sa superficie, entrent dans la pupille du spectateur et créent une image ordinaire de la source de la lumière sur la rétine de l’oeil. Les rayons contourant les bouts des fentes du réseau, passent d’une manière différente, qui dépend de l’angle . Si cette différence est égale à la longueur de l’onde ou n , où n est le nombre complet, alors chaque pair de rayons crée l’image sur la rétine de la source dont la couleur est déterminée par la longueur de l’onde . Image 8.2. Passage des rayons à travers le réseau En regardant la source de la lumière par le réseau, le spectateur voit aussi les spectres de diffraction qui se trouvent de tous les côtés symétriques. Le pair proche des spectres (du 1er ordre) correspond à la différence du passage des rayons qui est égale à pour la lumière conforme. Le pair éloigné des spectres (du 2ème ordre) correspond à la différence du passage des rayons qui est égale à 2 etc. La position des maximums principaux de l’intensité de la lumière sera déterminée à l’aide de la formule du réseau de diffraction: d sin n , (8.1) où d – est la période du réseau, et n – est l’ordre du spectre. Selon la formule (8.1) calculons la longueur de l’onde lumineuse : d sin . n (8.2) Alors, pour déterminer la longueur de l’onde de la ligne de la couleur conforme, il est suffit de trouver: sin b b . c a (8.3) Car les angles, sous lesquelles on examine les frontières des spectres pour le réseau d 0,01 mm, ne dépasse pas 4, on peut utuliser les valeurs de tagente au lieu des sinus, ctd: sin tg b a , alors d b n a . (8.4) Pour le travail on aura besoin d’une règle divisée en millimètres le long de laquelle se déplace l’écran noir. Au milieu de l’écran il y a une fente à l’aide de laquelle on dirige l’appareil vers la source de la lumière. En regardant la source de la lumière par le réseau et par la fente, le spectateur voit les spectres du 1 er, du 2ème etc ordres de deux côtés de la fente sur le fond noir. On mesure la distance a du réseau à l’écran avec la règle, et la distance b entre la fente et la ligne du spectre de la longueur de l’onde donnée. Algorithme du travail 1. Tracez le tableau dans vos cahiers pour noter les résultats de mesure et de calcule. 2. Mettez le réseau de diffraction dans le cadre de l’appareil et fixez-le sur le support. 3. En regardant par le réseau de diffraction, dirigez l’appareil vers la source de la lumière pour que celle-ci soit visible par le fente étroite sur l’écran. On voit les spectres de diffraction de quelques ordres de deux côtés sur le fond noir. S’il y a la position pente des spectres tournez le réseau pour éliminer cette pente. 4. Déterminez les frontière rouge et violettes des spectres du 1er et du 2ème ordres selon l’échelle de l’écran. 5. Déterminez la distance entre le réseau de diffraction et l’échelle selon les divisions sur les règles. 6. Ecrivez les résultats de mesures dans le tableau 8.1. 7. Déterminez la longueur de l’onde lumineuse pour les rayons rouges et violettes selon la formule (8.4). 8. Calculez la valeur moyenne de la longueur de l’onde des frontières rouge et violette du spectre. Tableau 8.1 Les frontière du spectre Ordre d , mm du spectre a, mm bdroit , mm R V bgauche , mm R V Longueur de l’onde , m b, mm R V R V er 1 2ème Les questions de contrôle 1. Le phénomène dediffractionde la lumière c’est… 2. De quoi est composé le réseau de diffraction? 3. La période du réseau de diffraction c’est…La capacité autorisée du réseau de diffraction c’est… 4. Comment se forme le spectre de diffraction et quelles sont les differences entre lui et le spectre dispersif? 5. Quelles sont les conditions pour l'observation de la figure de diffraction? Quelles sont les differences entre elle et l'image, qui se formeselon les lois de l'optique géométrique? 6. Pourquoi les lignes de diffraction sont floues? 7. Comment se modifie le spectre si on utilise un réseau de diffraction avec une periodequi esten deuxfois moins que сelle-ci dans la première expérience? 8. La lumière c’est… 9. Qui a prouvé que la lumière c’était une onde électromagnétique? 10. Est-ce que la position du maximumprincipalde diffraction dépend d’un nombre des fentes du réseau? 11. Formuler le principe de Huygens-Fresnel. Expliquer à son aide qu’est-ce que c’est la diffraction. 12. Décrivez la méthode des zones de Fresnel. Pourquoi on l’utilise? L’idée principale de cette méthode est… 13. Comment dépend le rayon de la zone de Fresnel du nombre des zones? De la longueur de l’onde de la lumière? 14. Ecrivez une formule du rayon des zones de Fresnel pour la surface plate du l'onde (A → ∞). 15. Quelle est la differance entre le schéma optique de l’observation de la diffraction de Fresnel etcelui-ci de la diffraction de Fraunhofer. Dessinez eux. 16. Obtenissez les conditions minimales et maximalesselon la diffraction surle réseau. 17. Faites une évaluation comparative des images de diffraction obtenues sur la fente et sur le réseau. Laquelles d'entre eux a des avantages et quelles sont-elles? 18. Pourquoi utilise-t-on des réseaux de diffraction dans les appareils scientifiques et techniques ? 19. Quelles ondes sont plus déclinées par un réseau? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ ______________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 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