Школски експеримент из физике

Експеримент у науци и школи

у науци – метод истраживања, пут налажења истине и начин проверавања теоријеу школи – извор знања, метода учења, потврда истина, веза теорије и праксе, ...

Експеримент – историја

Галилеј – пре више од 300 година, као метода истраживањапре њега, појаве су изучаване само у моменту догађања (природно)експеримент = изазивање природних појава у вештачким условима

Галилејев жљеб – стрма раван

Експеримент у настави физике

однос радова из теоријске и експерименталне физикеразлози?Капица, нераскидива веза теорије и експеримента

Експерименти у науци – подела

истраживачки (доводи до новог сазнања у датој области – Мајкелсон - Морли)

у настави такође до новог сазнања али у субјективном смислу (новог)

критеријумски (потврђују или оповргавају претпоставке – Херц, LHC, ...)

Експерименти у школи – према дидактичком циљу

демонстрационилабораторијске вежбелабораторијски експериментални задацидомаћи експериментални задациизрада учила и апарата

Експерименти у школи – према карактеру

илустративнифундаменталниистраживачки

Фундаментални експерименти

откриће најважнијих закона у физици (осциловање математичког клатна – Галилеј, закони електродинамике – Кулон, Ом, Ленц, Ампер, Џул, Фарадеј; закон фотоефекта, гасни закони, ...)

Кулонов законКулонов закон

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806)

Француски физичар, вршио експерименте са торзионом вагом. Показао да за два наелектрисана тела• Вектор силе лежи на правој која пролази кроз та тела (сила је централна)• обрнуто је пропорционална квадрату растојања честица, F ~ 1/r 2

• директно пропорционална углу упредања нити, тј. наелектрисању, F ~ q:

Омов законКаква је веза између електричног напона примењеног у колу (U), струје која протиче кроз њега (I) и отпора (R)?

VA

R

UI

R

UI ;

][

][][ ;

Georg Simon Ohm(1789-1854)

Смисао Омовог закона

VA

R

UI

R

UI ;

][

][][ ;

1. Електрична струја и напон су пропорционални једно другом.

2. Да ли Омов закон може да се примени на све отпорнике? НЕ. Нису сви отпорници омски!

Индукована електромоторна сила

Два кола нису повезана – нема струје у другом колу?Међутим, када се коло затвори може да се примети да се игла компаса помериНишта се не дешава ако је струја у примарном колу сталнаИста ствар се деси и приликом “отварања кола”, са том разликом што се игла помера у супротном правцу…

Фарадејев експеримент

Шта се уствари дешава?

Индукована EMS

Фарадеј је открио да промена магнетног поља индукује струју у колу. Постојање струје уствари указује на то да постоји индукована електромоторна сила (EMS).Смер индуковане EMS зависи од смера релативног кретања магнета и проводникаЈачина индуковане струје зависи од износа промене магнетног поља.Како се добија ова EMS?

v

FL

Електрони иду доле раздвајају се+

наелектрисања

++

FL

Fe

v

Ствара се електрично поље тј Разлика поте

нцијала тј ЕМ сила Е лектрони се крећу све

док се не изједначе е лектрична и лоренцова

сила

Ако спојимо крајеве пр оводника потећи ће ст

руја

• Амперметар повезан у колоАмперметар повезан у коло• Када се стални магнет помера час ближе, час даље Када се стални магнет помера час ближе, час даље

од кола, индукује се ЕМ сила у колуод кола, индукује се ЕМ сила у колу• Амперметар показује да кроз коло тече струја чији Амперметар показује да кроз коло тече струја чији

смер зависи од релативног кретања магнета и смер зависи од релативног кретања магнета и кола/контурекола/контуре

• Када магнет престане да се креће, струја постаје Када магнет престане да се креће, струја постаје једнака нулиједнака нули

Технички смер струје

I l x B

dx

Наелектрисања која се раздвајају се крећу кроз спојеве, јавља се индукована струја, тј. ЕМ сила.

BlIF

Међутим, када кроз проводник тече струја I на њега у магнетном пољу делује сила

dq

dA

Да би одржали константу брзину проводника на десно, морамо на њега да делујемо силом једнаког интензитета

F = IlB

Промена флукса магнетног поља dBdS=Bldx

За интервал dt, покретни проводник пређе пут dx,па је извршени рад

I l x B

dx

dt

dN

Објашњење: Када расте флукс, ЕМ сила индукције ствара струју која својим магнетним пољем (супротно усмерено од спољашњег) смањује флукс

BdSIIlBdxFdxdA Фарадејев закон: ЕМ сила при индукцији једнака је негативном диференцијалном количнику магнетног флукса и времена

dt

d

dq

d

dt

dq

dq

dSIB

dq

dxIlB

Закон важи и ако контура мирује а флукс се на други начин мења. Ако контура има N намотаја

dt

d

Магнетни флукс

Јединица: T·m2 или Weber (Wb)

SBBSSB

cos

Униформно магнетно поље по интензитету и правцу и смеру. Поставимо струјну контуру у такво поље.Флукс, , се дефинише као производ интензитета нормалне компоненте поља и површине кроз коју пролазе линије поља.

Три начина да се промени флукс

Кретање магнета

Промена димензије контуре

Ротирање магнета или контуре/намотаја

Како се мења смер струје/поља (Ленцово правило)?

Кружница је коло.Ленцово правило: Смер ефеката индукције је такав да се

супротставља ономе што га изазива!

BindBind

Ленцово правило

Ленц: Индукована струја има такав смер да својим магнетним пољем спречава промену магнетног флукса који изазива индукцију (знак минус у изразу).

На слици индукована струја има смер супротан од казаљке на часовнику, а поље које она ствара пробада раван слајда према нама.

дефинише смер индуковане дефинише смер индуковане струје, смер силе која мора да се струје, смер силе која мора да се примени да би постојала примени да би постојала индукција, поларитет индуковане индукција, поларитет индуковане ЕМ силе, ...ЕМ силе, ...

I l x B

dt

d

N

S

N

SS

N

S

v v

промена промена

Ленцово правило и очување енергије

Када се систем (контура са једним покретним делом нпр) не би опирао промени, једном покренут проводник би се стално убрзавао (знак + уместо знака – у изразу), промена флукса би се повећавала, струја би расла и проводник би се истопио. Енергија би се добијала ни из чега.

dt

d

1820, Ампер (Andre Marie Ampere)

је показао да две паралелна проводника кроз које протиче струја у истом смеру привлаче један другог, док се у случају супротно усмерених струја одбијају Сила није електричне природе! (фарадејев кавез не делује на њу)Она уствари не делује на проводник већ на наелектрисања која се крећу кроз њега.

Maгнетна сила

I1

I2

Два проводника са струјама које теку у ИСТОМ смеру

Maгнетна сила

Делује ПРИВЛАЧНА сила.

супротни смерови одбојна сила)

I1

I2

Два проводника са струјама које теку у ИСТОМ смеру

Уобичајена грешка у објашњењу:Привлачење/Одбијање је последица електростатичког деловања

I1

I2

Није. Проводници су електронеутрални. Електрони се крећу кроз проводник али је и даље укупно наелектрисање једнако нули.

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Амперов закон - експеримент

4

','2 021 kld

IIkF

d- растојање између проводника,

l – дужина проводника

ld

IIF 210

2

ld

IIF 21~

o- универзална магнетна константа-магнетна пермеабилност (пропустљивост) вакуума

Један ампер је стална електрична струја која пролази кроз д ва паралелна проводника бесконачне дужине и занемарљиво

г попречног пресека који су један од другога на растојању о д једног метра која изазива између њих силу од 2x10-7N по

метру дужине проводника.

FB = q v x B

Амперов закон и Лоренцова сила

Tоплотно дејство струје – Џул Ленцов закон

Струја загрева проводник кроз који протиче. Извор одржава сталну разлику потенцијала

За померање dq кроз отпорник R сила електричног поља врши рад

Idtdq UIdtdA UdqdA

Tоплотно дејство струје

Џул-Ленцов закон

R

UI

RtIQ 2

UItdtUIdAAt

0

Укупни рад за неко време

RtItR

UUItA 2

2

Електрони се убрзавају, ударају у јоне кристалне решетке и губе енергију (предају им је) којом загревају проводник

Фундаментални експерименти

откриће нових физичких појава које теоријски нису биле “најављене” (електрична струја – Галвани, магнетна својства електричне струје – Ерстед, електромагнетна идукција – Фарадеј, рентгенско зрачење, природна радиоактивност- Бекерел, цепање језгра урана под дејством неутрона – Хан и Штрасман, ...)

Фундаментални експерименти

е. који леже у основи физичких теорија или су потврда неких последица (електронска теорија супстанције – Томсон, молекуларно кинетичка теорија грађе супстанције, мерење брзине молекула гаса и расподела по брзинама, ....)

Фундаментални експерименти

е. којима је одређена први пут вредност дате физичке константе (гравитациона константа, брзина светлости у вакууму, елементарно наелектрисање, ...)

Демонстрациони експерименти

показивање физичких појава, процеса, законитости или објеката као и начина њиховог рада, ... (изводи га наставник)

Демонстрациони експерименти- општи захтеви

сврсисходност (правилан избор експеримента)поузданост (припрема наставника)видљивостприступачност и очигледностнаучна заснованостбезбедност и заштита

Лабораторијске вежбе

Лабораторијски експериментални задаци

Домаћи задатак – објасни појаву

Израда учила и апарата

Домаћи задаци

Ако бисмо направили прав тунел кроз Земљу тако да пролази кроз њен центар и са површине Земље у тунел пустили тело, како би се оно кретало? (Сматрати да је густина Земље свуда иста и занемарити отпор ваздуха)Тело занемарљивих димензија окачено о неистегљиву нит и тег окачен о опругу на Земљи осцилују са једнаким периодом Т. Ако се ови осцилатори пренесу у шатл који кружи око Земље, за периоде осциловања тела на нити Т1 и тега на опрузи Т2 ће важити

периоди оба клатна ће бити једнаки периоду кружења

шатла око Земље.

21 TT TTT 21 ,

21 ,TTT

21 ,TT