Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.В данной задаче вам необходимо измерить характеристики мыльной пленки. Вам предоставляется свобода творчества: установки, методики проведения эксперимента продумайте самостоятельно (используя сделанные в условии подсказки). В решении изобразите схемы установок, кратко опишите, что и как вы измеряли, как обрабатывали результаты эксперимента. Оцениваться будут те схемы эксперимента, которые:
- могут дать требуемый результат;
- реализуемы на предоставленном оборудовании;
- обоснованы теоретически.
Бонусные баллы предусмотрены за оптимальный выбор схемы эксперимента (простота измерений и обработки, точность).
Вы не обязаны использовать все предоставленное оборудование – используйте только то, что вам необходимо!
1.1 С помощью трубки выдуйте мыльный пузырь. Не закрывая трубку (чтобы воздух мог выходить из пузыря через нее), исследуйте зависимость радиуса пузыря от времени
Нарисуй схему установки и отметь на ней все измеряемые величины: время, радиус пузыря, начальный радиус и способ фиксации трубки. Подумай, какие условия нужно зафиксировать, чтобы повторные эксперименты были сопоставимы.
Запиши, какие измерения и с какой частотой нужно проводить: как фиксировать
- Закрепи трубку и срежь внешние потоки экранирующей картонкой; подготовь шкалу и секундомер.
- Для заданного начального радиуса выдуй пузырь, не закрывая трубку, и регистрируй
через равные промежутки времени до разрушения; повтори для пяти разных . - Выбери две серии с разными
и построй на одном графике зависимости для этих серий; проверь согласованность повторов и при необходимости усредни точки. - Из полученной совокупности экспериментальных данных выразите
из полученной системы.
1.2 По получите теоретическую зависимость радиуса пузыря от времени. Проверьте, соответствует ли ваша теоретическая зависимость полученным экспериментальным данным.
Подумай, что является движущей силой изменения радиуса: изменение давления из‑за кривизны и последующая утечка газа через трубку. Как это даёт временную зависимость?
Используй уравнение Лапласа для перепада давления на поверхности и закон для объёмного расхода через тонкую трубку (связь расхода с перепадом давления и вязкостью/геометрией трубки) вместе с уравнением сохранения массы газа в пузыре. Это даёт ОДУ для
- Впиши выражение для перепада давления через
(Лаплас) и для объёмного расхода как функции перепада давления и геометрии трубки (характер сопротивления).
- Впиши выражение для перепада давления через
- Подставь расход в уравнение сохранения объёма, перейди к уравнению для
.
- Подставь расход в уравнение сохранения объёма, перейди к уравнению для
- Реши полученное ОДУ для общего вида
(аналитически или численно), сохрани параметры, зависящие от поверхностного натяжения, вязкости и размеров трубки.
- Реши полученное ОДУ для общего вида
- Сравни форму решения с экспериментальными графиками и выразите из полученной системы параметры модели через параметры подгонки к данным.
1.3 Предложите такую величину
Рекомендации.
- Можете закрепить трубку в штативе и выдувать пузырь в закрепленной трубке.
- Используйте картонную папку в качестве экрана, закрывающие возможные воздушные потоки.
- Можете использовать и оптическое оборудование.
2.1 Измерьте длину волны излучения лазера. Оцените погрешность найденного значения.
Подумай, как с помощью набора дифракционных решёток и экрана получить положение максимумов (полос) от лазера и какие геометрические величины измерить линейкой.
Воспользуйся формулой дифракции решётки общего вида
- Стабильно закрепи решётку и экран, направь лазер, зафиксируй положения нулевого и нескольких боковых максимумов на экране.
- Измерь расстояние между максимумами и расстояние от решётки до экрана; вычисли соответствующие углы
.
- Измерь расстояние между максимумами и расстояние от решётки до экрана; вычисли соответствующие углы
- Для каждого порядка
вычисли по формуле значение и усредни результаты.
- Для каждого порядка
- Оцени погрешность по разбросу значений и по погрешностям измерений положений и расстояния до экрана; выразите оценку неопределённости.
2.2 Измерьте показатель преломления мыльного раствора.
Если мыльную вертикально расположенную пленку осветить светом лазера, то в отраженном свете можно увидеть систему горизонтальных интерференционных полос. Пленку освещайте рассеянным светом лазера и примерно параллельным потоком. Для рассеяния света используйте кусочек полиэтиленовой пленки, закрепленной на выходе лазерного пучка. Попытайтесь получить изображение полос на экране (будет оценено). В крайнем случае, наблюдайте их невооруженным глазом. Работу следует выполнять в затемненной аудитории. Для дополнительного затемнения можете использовать картонную папку. Пленку удобно получать на торце пластикового стакана – опустите срез стакана в тарелку с мыльным раствором и аккуратно поднимите стакан; положите его на пластилиновую подставку.
Наблюдая горизонтальные интерференционные полосы на вертикальной плёнке, заметишь, что полосы соответствуют линиям равной толщины плёнки. Подумай, как связать толщину с положением полосы.
Применяй условие интерференции для тонкой плёнки (учитывая фазовые сдвиги при отражении): общее соотношение связывает оптическую толщину
- Снимай изображение или отмечай на экране вертикальные координаты полос с известной шкалой по вертикали и фиксируй время (толщина меняется со временем).
- Определи номера полос (или разности порядков) между соседними линиями и свяжи их с разностью толщин по условию интерференции (учти фазовые сдвиги при отражении от тонкого слоя).
- Из измеренной вертикальной скорости смещения полос и геометрии клина извлеки профиль толщины
и её изменение во времени.
- Из измеренной вертикальной скорости смещения полос и геометрии клина извлеки профиль толщины
- По системе, связывающей разность порядков, длину волны и геометрические размеры, выразите показатель преломления
мыльного раствора.
- По системе, связывающей разность порядков, длину волны и геометрические размеры, выразите показатель преломления
2.3 Нарисуйте оптическую схему, с помощью которой вам удалось наблюдать интерференционную картину.
Дальнейшие измерения носят оценочный характер, допустимое отклонение от авторских результатов – 50%.
Нарисуй схему: лазер → рассеиватель → плёнка (вертикально) → экран; отметь направления падающего и отражённого лучей и положение наблюдаемых полос.
Укажи на схеме источник, рассеиватель (полиэтилен), плёнку, экран и расстояния; при анализе используй законы отражения и геометрию, связывающую угол падения с положением полос на экране. Эти соотношения помогут перейти от измеренной координаты полосы к углу и далее к условию интерференции.
- Схематично изобразь путь луча от лазера через рассеиватель и падающим почти параллельным пучком на вертикальную плёнку и путь отражённых компонентов на экран.
- Обозначь на схеме все измеряемые расстояния: расстояние от плёнки до экрана и вертикальные координаты полос.
- Запиши геометрическую формулу для перехода от координаты полосы на экране к углу отражения/падения (тригонометрия прямой видимости).
- По измеренным координатам и использованной длине волны выразите нужные углы и далее параметры интерференционной формулы.
2.4 По результатам наблюдения (и необходимых измерений) оцените: в каких пределах изменяется толщина пленки в процессе ее стекания; толщину пленки, при которой она лопается; угол клина, который образует вертикальная пленка.
Подумай, какие измерения дают толщину плёнки: положение и исчезновение полос (последний видимый порядок) дают оценку толщины при разрыве, а профиль полос — диапазон толщин при стекании.
Используй условие интерференции для тонкой плёнки, связь оптической толщины с порядком полос и геометрию клина плёнки (градиент толщины вдоль высоты связан с углом клина). Для оценки времени до разрыва опирайся на наблюдаемую последнюю видимую полосу как критерий минимальной толщины.
- Зафиксируй последовательность кадров/наблюдений, запиши положение полос по высоте и времени до разрыва; отметь последнюю видимую полосу в момент взрыва.
- По индексу полос и длине волны получи соответствующие значения оптической толщины
для разных высот; разность толщин между соседними полосами даёт ступень изменения .
- По индексу полос и длине волны получи соответствующие значения оптической толщины
- Аппроксимируй профиль толщины как клин (линейная зависимость по высоте) и вычисли угол клина из величины градиента толщины и геометрии плёнки.
- По последней видимой полосе выразите оценку толщины при взрыве и по набору полос — диапазон толщин при стекании; выразите угол клина из градиента и геометрических размеров.