II PRACOWNIA FIZYCZNA

Tematyka ćwiczeń i uwagi metodyczne

NR 98

II PRACOWNIA FIZYCZNA

Tematyka ćwiczeń i uwagi metodyczne

Wydanie drugie poprawione

Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego Katowice 2009

Jerzy Stasz

Redaktor serii: FizykaWładysław Borgieł

Recenzent wydania pierwszegoHenryk Szydłowski

I. Uwagi o ćwiczeniach laboratoryjnych w II Pracowni Fizycznej .

Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Przebieg ćwiczeń w II Pracowni Fizycznej . . . . . . . . .

Regulamin II Pracowni Fizycznej . . . . . . . . . . .

Przepisy bezpieczeństwa obowiązujące w II Pracowni Fizycznej . . . .

II. Tematyka ćwiczeń . . . . . . . . . . . . .

Ćwiczenie 1. Wyznaczanie stałej Verdeta cieczy . . . . . . .

Ćwiczenie 2. Badanie dyfrakcji i interferencji światła w świetle spójnym .

Ćwiczenie 3. Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocąrefraktometrów Rayleigha i Abbego . . . . . . .

Ćwiczenie 4. Wyznaczanie długości fali światła za pomocą luster i bipry-zmatu Fresnela oraz soczewki Billeta . . . . . .

Ćwiczenie 5. Badanie widm molekularnych w cieczach i foliach za po-mocą spektrografu na podczerwień . . . . . . .

Ćwiczenie 6. Wyznaczanie temperatury przejść fazowych ferroelektry-ków za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego . . . .

Ćwiczenie 7. Badanie widm emisyjnych gazów za pomocą spektrografuo wysokiej zdolności rozdzielczej . . . . . . .

Ćwiczenie 8. Badanie ciał stałych za pomocą ultradźwięków . . . .

Ćwiczenie 9. Spektrograf pryzmatyczny � analiza jakościowa . . .

Ćwiczenie 10. Badanie rezonansów magnetycznych (EPR i NMR) . . .

Spis treści

9

9

10

12

13

15

17

19

23

27

31

34

36

38

41

44

6 Spis treści

Ćwiczenie 11.

Ćwiczenie 12.

Ćwiczenie 13.

Ćwiczenie 14.

Ćwiczenie 15.

Ćwiczenie 16.

Ćwiczenie 17.

Ćwiczenie 18.

Ćwiczenie 19.

Ćwiczenie 20.

Ćwiczenie 21.

Ćwiczenie 22.

Ćwiczenie 23.

Ćwiczenie 24.

Ćwiczenie 25.

Ćwiczenie 26.

Ćwiczenie 27.

Ćwiczenie 28.

Ćwiczenie 29.

Ćwiczenie 30.

Ćwiczenie 31.

Ćwiczenie 32.

Ćwiczenie 33.

Ćwiczenie 34.

Wyznaczanie stałej sieciowej materiałów polikrystalicznychmetodą Debye�a�Scherrera . . . . . . . .

Badanie przepuszczalności roztworów za pomocą spektro-fotometru . . . . . . . . . . . . .

Badanie charakterystyk elementów mikrofalowych . . .

Wyznaczanie stałej Plancka . . . . . . . . .

Orientowanie kryształów metodą Lauego . . . . .

Wyznaczanie ładunku elementarnego metodą Millikana .

Pomiar ładunku właściwego elektronu metodą ogniskowa-nia torów śrubowych i efektu magnetronowego . . . .

Doświadczenie Francka�Hertza . . . . . . .

Sprawdzanie prawa Stefana�Boltzmanna . . . . .

Technika wysokiej próżni � pomiary niskich ciśnień . .

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i temperaturyCurie próbek ferromagnetycznych w słabych polach za po-mocą mostka Maxwella�Wiena . . . . . . .

Badanie parametrów magnetycznych próbek ferromagne-tycznych za pomocą galwanometru balistycznego . . .

Badanie parametrów magnetycznych próbek ferromagne-tycznych za pomocą strumieniomierza . . . . . .

Badanie parametrów magnetycznych próbek ferromagne-tycznych metodą oscyloskopową . . . . . . .

Badanie parametrów magnetycznych próbek ferromagne-tycznych za pomocą hallotronu . . . . . . . .

Badanie przestrzennego rozkładu pola magnetycznegow szczelinie elektromagnesu za pomocą hallotronu . . .

Badanie efektu piezoelektrycznego . . . . . . .

Badanie pętli histerezy ferroelektryka . . . . . .

Badanie temperaturowej zależności przenikalności elektry-cznej dielektryka . . . . . . . . . . . .

Wyznaczanie temperaturowej zależności lepkości cieczy. .

Kompensator prądu stałego . . . . . . . . .

Badanie czułości fotopowielacza . . . . . . . .

Badanie zjawiska termoemisji elektronów . . . . .

Badanie półprzewodnikowych przyrządów fotoelektrycz-nych . . . . . . . . . . . . . . .

46

49

52

54

57

59

61

66

69

71

74

77

80

82

87

91

93

95

97

99

102

104

108

112

7Spis treści

Ćwiczenie 35.

Ćwiczenie 36.

Ćwiczenie 37.

Ćwiczenie 38.

Ćwiczenie 39.

Ćwiczenie 40.

Wyznaczanie charakterystyk elementów nieliniowych zapomocą oscyloskopu . . . . . . . . . .

Pomiar parametrów galwanometru lusterkowego . . .

Badanie drgań własnych i wymuszonych w obwodach RLC .

Badanie filtrów elektrycznych . . . . . . . .

Pomiar częstotliwości i przesunięć fazowych . . . .

Technika pomiaru oporności . . . . . . . .

117

121

124

128

130

133

I. UWAGIO ÆWICZENIACH LABORATORYJNYCHW II PRACOWNI FIZYCZNEJ

Wstêp

Zgodnie z pakietem ECTS II Pracownia Fizyczna A (liczba punktówECTS: 8) jest przedmiotem obowi¹zkowym dla studentów fizyki magi-sterskiej 5-letniej; zajêcia trwaj¹ 2 semestry w wymiarze 8 godzin tygo-dniowo.

II Pracownia Fizyczna B (liczba punktów ECTS: 3) obowi¹zuje stu-dentów: NFI (dwuprzedmiotowego kszta³cenia nauczycieli z zakresu fi-zyki i informatyki), NFCh (dwuprzedmiotowego kszta³cenia nauczycieliz zakresu fizyki i chemii), GM (geofizyki) i LFMed (fizyki medycznej �3-letnie studia zawodowe). Zajêcia trwaj¹ 1 semestr.

W ramach II Pracowni Fizycznej studenci wykonuj¹ zaawansowanepomiary z ró¿nych dziedzin fizyki, korzystaj¹c z wiedzy zdobytej w I Pra-cowni Fizycznej i Pracowni Elektronicznej. Tematyka æwiczeñ obejmuje:pomiary sta³ych fizycznych, badania ferroelektryków i ferromagnetyków,defektoskopiê ultrad�wiêkow¹, rentgenografiê, optykê, elektryczno�æ.

W II Pracowni Fizycznej prowadzi siê te¿ æwiczenia z zakresu fizykij¹drowej. Pracownia J¹drowa znajduje siê w Zak³adzie Fizyki J¹droweji Jej Zastosowañ. Obowi¹zuj¹ w niej odrêbne przepisy bezpieczeñstwai higieny pracy.

Charakter zajêæ laboratoryjnych w II Pracowni Fizycznej (dla zaawan-sowanych) jest odmienny od zajêæ w I Pracowni Fizycznej. Tematy eks-perymentalne s¹ bardziej skomplikowane, czêsto wymagaj¹ pos³ugiwa-nia siê aparatur¹ naukow¹ o du¿ym stopniu z³o¿ono�ci. Student wyko-nuje pomiary samodzielnie (lub w zespole dwuosobowym), w sta³ym kon-takcie z asystentem prowadz¹cym dane æwiczenie. Wykonanie i opraco-wanie æwiczenia, oprócz opanowania wiedzy szczegó³owej z podanej lite-ratury, wymaga korzystania z wiedzy podstawowej zdobytej na pierw-szym i drugim roku studiów oraz znajomo�ci statystycznych metod opra-cowywania wyników pomiarów.

10 I. Uwagi o æwiczeniach laboratoryjnych w II Pracowni Fizycznej

Celem zajêæ laboratoryjnych w II Pracowni Fizycznej jest nie tylkopog³êbienie wiadomo�ci teoretycznych i poznanie metod fizyki do�wiad-czalnej, lecz przede wszystkim przygotowanie do samodzielnego wyko-nywania badañ naukowych.

Przebieg æwiczeñ w II Pracowni FizycznejPrzed przyst¹pieniem do wykonywania æwiczenia student zdaje ko-

lokwium wstêpne obejmuj¹ce:� podstawy fizyczne badanego zjawiska,� stosowane metody pomiarowe,� znajomo�æ aparatury,� sposób planowania i wykonywania pomiarów.

W celu zapoznania siê z podstawami fizycznymi i metodami pomia-rowymi nale¿y przestudiowaæ literaturê zamieszczon¹ w tematyce dane-go æwiczenia. Pomocne tu mog¹ byæ zagadnienia do kolokwium wstêpne-go, podane równie¿ w Tematyce æwiczeñ.

Szczegó³owe zapoznanie siê z aparatur¹ umo¿liwiaj¹ instrukcje przy-rz¹dów dostêpne w czasie zajêæ na terenie II Pracowni Fizycznej. Sposóbwykonania pomiarów jest podany w instrukcji æwiczenia.

Po uzyskaniu pozytywnego wyniku kolokwium (przebieg zdawania,uwagi asystenta i ocena z kolokwium zostaj¹ wpisane do zeszytu pomia-rowego studenta) i omówieniu z asystentem szczegó³owego planu pracymo¿na przyst¹piæ do wykonywania æwiczenia.

Wiêkszo�æ przyrz¹dów potrzebnych do przeprowadzenia pomiarówznajduje siê na stanowisku pomiarowym. Niektóre przyrz¹dy, jak: mier-niki uniwersalne, stopery oraz niektóre próbki wypo¿ycza siê za rewer-sem od laboranta. Po skoñczonych pomiarach wypo¿yczone przyrz¹dynale¿y zwróciæ.

W zeszycie laboratoryjnym oprócz szczegó³owego planu powinny siêznale�æ schematy uk³adów pomiarowych, dane przyrz¹dów i badanychpróbek. Po sprawdzeniu obwodów elektrycznych przez asystenta mo¿naprzyst¹piæ do wykonywania pomiarów wstêpnych. Wyniki tych pomiarów,sposób ich optymalizacji i dalszy plan pracy nale¿y konsultowaæ na bie-¿¹co z asystentem. Uszkodzenia aparatury powsta³e w czasie zajêæ labora-toryjnych studenci maj¹ obowi¹zek zg³aszaæ asystentowi i laborantowi.

Po zakoñczeniu pomiarów wyniki zapisane w zeszycie czy na dys-kietce w postaci tabel, lub wykresów na ta�mie nale¿y uporz¹dkowaæ.Stanowisko pomiarowe trzeba zostawiæ w stanie uporz¹dkowanym, ze-szyt laboratoryjny przedstawiæ do podpisu. Podpis asystenta pod wyni-kami pomiarów �wiadczy o zakoñczeniu æwiczenia.

Sprawozdanie z æwiczenia powinno zawieraæ nastêpuj¹ce czê�ci:� Krótki opis teorii, zastosowane metody pomiarowe.

11Przebieg æwiczeñ w II Pracowni Fizycznej

� Schemat aparatury, dane badanych próbek, opis przebiegu pomiarów.� Przejrzysty przebieg obliczeñ (u¿yte programy komputerowe).� Zestawienie wyników pomiarów i obliczeñ w postaci tablic i wykresów.� Analiza dok³adno�ci pomiarów.� Analiza wyników.� Literatura.

Opis teorii i metod pomiarowych opracowuje siê na podstawie poda-nej literatury i podrêczników ogólnych. Ta czê�æ sprawozdania nie po-winna byæ zbyt obszerna. Nale¿y zatem wybraæ najwa¿niejsze fakty,a nie przepisywaæ ksi¹¿ek.

Aparaturê pomiarow¹ stosowan¹ w æwiczeniu omawia siê, opisuj¹cdzia³anie bloków aparatury i podaj¹c podstawowe dane techniczne u¿y-wanych przyrz¹dów.

Wyniki pomiarów w zasadniczy sposób zale¿¹ od rodzaju badanychpróbek. W sprawozdaniu trzeba zatem umie�ciæ informacje o sposobieprzygotowania próbek, sk³adzie chemicznym, kszta³cie, wymiarach itp.Opis przebiegu pomiarów powinien �wiadczyæ o znajomo�ci podstaw fi-zycznych badanego zjawiska, powinien byæ jasny i zrozumia³y.

Obliczenia przeprowadza siê na podstawie wzorów umieszczonychw czê�ci teoretycznej. Przebieg obliczeñ musi byæ przejrzysty, mo¿liwy doponownego odtworzenia. Korzystaj¹c z danych tablicowych, sta³ych fi-zycznych lub sta³ych przyrz¹dów, obowi¹zkowo nale¿y podaæ odno�nikdo literatury, z której korzystano.

Zestawienie wyników obliczeñ przedstawia siê w postaci tabel i wy-kresów (wyniki pomiarów w zeszycie laboratoryjnym lub na karcie po-miarowej stanowi¹ odrêbn¹ czê�æ). W tabelach trzeba podaæ wielko�ciniepewno�ci pomiarowych. Wykresy powinny zapewniæ dobr¹ czytelno�æzaprezentowanych graficznie zale¿no�ci (odpowiednio dobrane skale naosiach, starannie wykonany rysunek). Na wykresach nale¿y zaznaczyæwielko�æ niepewno�ci pomiarowych. Rysunki, schematy, zdjêcia i wy-kresy zamieszczone w sprawozdaniu musz¹ byæ podpisane i ponume-rowane.

Przeprowadzaj¹c dyskusjê dok³adno�ci pomiaru nale¿y � na podsta-wie wyników pomiarów próbnych i dokonanej optymalizacji pomiarów �uzasadniæ konieczno�æ stosowania wybranej metody. Warto�ci niepew-no�ci przyjêtych dla pojedynczych pomiarów trzeba uzasadniæ.

Analiza wyników to bardzo wa¿na czê�æ sprawozdania. W celu prze-prowadzenia weryfikacji za³o¿onych hipotez, otrzymane wyniki zesta-wia siê z danymi teoretycznymi i tablicowymi. Na podstawie analizywyników mo¿na oceniæ przydatno�æ u¿ycia metody i aparatury pomiaro-wej. Ewentualnie zaproponowaæ zmiany i ulepszenia.

12 I. Uwagi o æwiczeniach laboratoryjnych w II Pracowni Fizycznej

Spis literatury wykorzystanej w opracowaniu æwiczenia jest ostat-nim punktem sprawozdania, które powinno byæ napisane poprawn¹ pol-szczyzn¹. Nale¿y unikaæ stosowania �¿argonu naukowego�.

Zaliczenie æwiczenia nastêpuje po przyjêciu tekstu sprawozdania przezprowadz¹cego æwiczenia. Wszelkie poprawki i uzupe³nienia omawia onbezpo�rednio ze studentem.

Regulamin II Pracowni Fizycznej1. Studenci odbywaj¹cy æwiczenia s¹ zobowi¹zani bezwzglêdnie stoso-

waæ siê do przepisów bezpieczeñstwa pracy, obowi¹zuj¹cych w II Pra-cowni Fizycznej oraz do ostrze¿eñ udzielanych przez prowadz¹cegoæwiczenie (w Pracowni J¹drowej obowi¹zuj¹ odrêbne przepisy BHP).

2. Student, przystêpuj¹c do æwiczeñ w II Pracowni Fizycznej, powiniensiê wykazaæ dostatecznymi wiadomo�ciami teoretycznymi z zakre-su tematu ka¿dego wykonywanego æwiczenia, a tak¿e zapoznaæ siêz metodami pomiaru na podstawie wskazanej literatury. Szczególn¹uwagê nale¿y zwróciæ na metodê pomiaru stosowan¹ w danym æwi-czeniu.

3. Zestawienie aparatury pomiarowej mo¿e nast¹piæ po pozytywnymzaliczeniu kolokwium z teorii dotycz¹cej tematu æwiczenia oraz poomówieniu z prowadz¹cym szczegó³owego planu i wpisaniu ocenyz kolokwium do zeszytu laboratoryjnego.

4. Plan pracy i pomiary nale¿y zapisywaæ w zeszycie laboratoryjnymw staranny sposób, w ka¿dej chwili umo¿liwiaj¹cy kontrolê pracystudenta.

5. Po zakoñczeniu æwiczenia wyniki pomiarów nale¿y uporz¹dkowaæi przed³o¿yæ do podpisu prowadz¹cemu. Wyniki pomiarów zapisanychna dyskietkach, na ta�mie, kliszach lub w zeszycie laboratoryjnymprzechowuje siê do czasu zaliczenia II Pracowni Fizycznej.

6. Zabrania siê w³¹czania �róde³ pr¹du i uruchamiania aparatury bezsprawdzenia przez prowadz¹cego prawid³owo�ci po³¹czeñ.

7. Bez zgody kierownika pracowni nie wolno zmieniaæ zestawu æwiczeñ.8. Student jest odpowiedzialny materialnie za zniszczenie lub uszko-

dzenie przyrz¹dów powierzonych mu na czas wykonania æwiczenia(uszkodzenia powsta³e z winy studenta).

9. Po skoñczeniu zajêæ student powinien zademonstrowaæ prowadz¹ce-mu prawid³owe dzia³anie przyrz¹dów u¿ytych w æwiczeniu.

10. Sprawozdanie z æwiczenia powinno zawieraæ:a) krótki opis teorii i metod pomiarowych,b) schemat aparatury, charakterystykê badanych próbek, szczegó-

³owy opis przebiegu pomiarów,c) przejrzysty przebieg obliczeñ,

13Przepisy bezpieczeñstwa obowi¹zuj¹ce w II Pracowni Fizycznej

d) zestawienie wyników obliczeñ w formie tabelarycznej i na wykre-sach,

e) dyskusjê dok³adno�ci pomiarów,f) analizê statystyczn¹ wyników � porównanie wyników do�wiad-

czalnych z wynikami teoretycznymi,g) literaturê.

11. Student nie mo¿e wykonaæ æwiczenia, je¿eli :a) w czasie kolokwium nie wyka¿e siê dostateczn¹ znajomo�ci¹ ma-

teria³u teoretycznego,b) nie wykona pomiarów samodzielnie,c) spowoduje uszkodzenie aparatury pomiarowej w wyniku niedba-

³ej i niesumiennej obs³ugi,d) nie bêdzie przestrzega³ przepisów BHP,e) sprawozdanie z poprzednich æwiczeñ nie zostanie oddane w ter-

minie.12. Podstaw¹ zaliczenia pracowni jest:

a) obecno�æ na æwiczeniach,b) uzyskanie w ka¿dym semestrze odpowiedniej liczby punktów za

zaliczone æwiczenia.13. Nieprzygotowanie siê do æwiczeñ bêdzie traktowane jak nieobecno�æ

na zajêciach.14. Osobom nieodbywaj¹cym æwiczeñ w danym dniu wstêp do Pracowni

jest wzbroniony.Ka¿de opuszczenie Pracowni przez studenta powinno byæ zg³oszone

prowadz¹cemu.

Przepisy bezpieczeñstwa obowi¹zuj¹ce w II PracowniFizycznej1. W³¹czanie jakichkolwiek urz¹dzeñ elektrycznych do �ród³a napiêcia

mo¿e byæ dokonywane jedynie po sprawdzeniu obwodu przez prowa-dz¹cego i w jego obecno�ci.

2. W czasie wykonywania æwiczenia nie wolno pozostawiaæ w³¹czonejaparatury bez nadzoru.

3. Os³ony wszystkich urz¹dzeñ elektrycznych powinny byæ uziemione.Podczas pracy aparatury elektrycznej nie wolno dotykaæ nieuziemio-nych i nieizolowanych odcinków przewodów elektrycznych.

4. Nale¿y zachowaæ szczególn¹ ostro¿no�æ i stosowaæ siê do przepisóworaz ostrze¿eñ zamieszczonych przy aparaturze wysokiego napiêcia.

5. Szczególn¹ ostro¿no�æ nale¿y zachowaæ podczas pos³ugiwania siê od-czynnikami chemicznymi: rozpuszczalnikami, kwasami, zasadami,badanymi próbkami, rtêci¹ (termometrami).

14 I. Uwagi o æwiczeniach laboratoryjnych w II Pracowni Fizycznej

6. Aparatura rentgenowska mo¿e byæ uruchomiona wy³¹cznie przez oso-bê uprawnion¹.

7. W pracowni rentgenowskiej mog¹ przebywaæ wy³¹cznie studenci od-rabiaj¹cy æwiczenie z wykorzystaniem aparatury rentgenowskiej.

8. Surowo zakazuje siê przeprowadzania jakichkolwiek do�wiadczeñz promieniowaniem rentgenowskim i wi¹zk¹ �wiat³a laserowego nie-przewidzianych programem æwiczenia.

9. Warunkiem dopuszczenia do zajêæ w Pracowni J¹drowej jest pomy�lnywynik badañ lekarskich i zaliczenie kolokwium ze znajomo�ci prze-pisów bezpieczeñstwa pracy ze �ród³ami promieniowania jonizuj¹ce-go.

10. Spo¿ywanie posi³ków i napojów mo¿e siê odbywaæ wy³¹cznie na ko-rytarzu Pracowni.

11. W razie naruszenia przepisów wymienionych w pkt. 1�10 w stosun-ku do naruszaj¹cych bêd¹ wyci¹gniête odpowiednie konsekwencje,a¿ do usuniêcia z II Pracowni Fizycznej w³¹cznie.

12. Wszyscy studenci odbywaj¹cy æwiczenia w II Pracowni Fizycznej po-twierdzaj¹ w³asnorêcznym podpisem przyjêcie do wiadomo�ci przed-stawionych przepisów.

RedakcjaGra¿yna Wojda³a

Redakcja techniczna i projekt ok³adkiMa³gorzata Ple�niar

KorektaMiros³awa ¯³obiñska

Copyright © 2009by Wydawnictwo Uniwersytetu �l¹skiegoWszelkie prawa zastrze¿one

ISSN 1644-0552ISBN 978-83-226-1841-7

WydawcaWydawnictwo Uniwersytetu �l¹skiegoul. Bankowa 12B, 40-007 Katowicewww.wydawnictwo.us.edu.ple-mail: wydawus@us.edu.plWydanie II. Ark. druk. 8,5. Ark. wyd. 8,0. Przekazano do³amania w sierpniu 2008 r. Podpisano do druku w stycz-niu 2009 r. Papier offset. kl. III, 90 g

Cena 15 z³

£amanie: Pracownia Sk³adu KomputerowegoWydawnictwa Uniwersytetu �l¹skiegoDruk i oprawa: SOWA Sp. z o.o.ul. Hrubieszowska 6a, 01-209 Warszawa