FY 10 Työkurssi

Työ15a

Vastuslangan resistiivisyyden määrittäminen

 

Työn tarkoitus

 

Työssä määritetään annetun vastuslangan (d = 0,2 mm) resistiivisyys eli ominaisresistanssi.

Välineet

 

vastuslankaa, metrinmitta, eristepylväät, yleismittari

Työn suorittaminen

 

Kytke noin metrin pituinen vastuslanka eristepylväiden väliin. Kirjaa ylös langan tarkka

pituus l. Mittaa vastuslangan resistanssi käyttämällä yleismittarin resistanssiasteikkoa. Lyhennä lankaa sopivin välein ja mittaa resistanssit ainakin viidellä eripituisella langalla. Piirrä mittaustulokset (l, R) –koordinaatistoon.

 

Johtimen resistanssi R voidaan ilmaista muodossa

[[$ R= \rho \frac{l}{A} $]]​

missä r = johdinmateriaalin resistiivisyys eli ominaisresistanssi, l = johtimen pituus ja

A = johtimen poikkipinta-ala.

 

Tulosten analysointi

 

Määritä graafisen esityksen avulla käytetyn vastuslangan resistiivisyys.

Työ 15 b

Vastuslangan poikkipinta-alan vaikutus resistanssiin

Työn tarkoitus


Työssä tarkastellaan vastuslangan paksuuden ja resistanssin välistä riippuvuutta.

Välineet


vastuslankaa, jonka halkaisija tunnetaan, eristepylväät, yleismittari

Työn suorittaminen


Kiinnitä noin 50 cm pätkä vastuslankaa eristepylväisiin. (Huomaa, että lankaa ei tarvitse katkaista vaan voit jättää ylimääräisen osan rullalle.)

tyo15.jpg

Mittaa langan resistanssi yleismittarin avulla. Pidä eristepylväiden välinen etäisyys vakiona, mutta kytke vastuslanka kaksinkertaiseksi. Mittaa uusi resistanssi nyt, kun langan poikkipinta-ala A on kaksinkertainen edelliseen mittaukseen nähden. Jatka mittauksia vielä ainakin kolmin- ja nelinkertaisella langalla.

Tulosten analysointi


1. Esitä mittaustulokset graafisesti (A,R)-koordinaatistossa ja edelleen (1/A,R)-koordinaatistossa.
2. Millainen riippuvuus on langan resistanssin ja poikkipinta-alan välillä?
3. Mitkä muut seikat vaikuttavat langan resistanssin arvoon?

Työ 3

TYÖ 3 Taittumislaki

Työn tarkoitus

Työn tarkoituksena on selvittää kokeellisesti

  1. muovin ja ilman rajapinnan taitekerroin
  2. kahden eri nesteen taitekertoimen määritys

Välineet

  1. a) Optiikan mittaussarja (pistevalaisin ja rakohimmennin tai laserpointteri tai laserhila , D-levy, optinen levy) ja jännitelähde
  2. b) 3 nuppineulaa, millimetripaperia, korkkialusta, allas, vettä, etanolia

Työn suoritus

  1. a) Muodosta valolähteen avulla yhdensuuntaisesta valokeilasta kapea säde rakohimmentimellä (tai suoraan laserilla). Aseta D-levy optisen levyn keskipisteeseen. Suuntaa valonsäde ilmasta normaalin ja rajapinnan leikkauspisteeseen (ks. kuva alla). Mittaa valon tulokulma ja taittumiskulma. Suuntaa valo uudestaan ja toista koe. Kerää kolme eri tulokulmaa ja niitä vastaavat taittumiskulmat taulukkoon ja laske havainnoista rajapinnan taitesuhde [[$ n_{12}=\frac{\sin \alpha_1}{\sin \alpha_2} $]]​

 

tyo3.jpg

 

 

 

  1. b) Nesteen taitekertoimen määrittämiseksi suorakulmaisen särmiön muotoinen ohutseinäinen lasiastia täytetään tutkittavalla nesteellä ja asetetaan millimetripaperin päälle. Astian toiselle puolelle millimetripaperiin pistetään kaksi neulaa (ks. kuva). Kolmas neula asetetaan kuvion mukaisesti siten, että nesteen läpi katsottaessa neulat näyttävät olevan samalla suoralla HUOM! Jos käytät laseria, älä katso astian läpi laserin suuntaan, vaan etsi kohdat esim apupaperin avulla. Katso alla olevaa millimetripaperikuvaa.

 

työ3_b.png


tyo3c.png

 

 

Tulosten analysointi

  1. Kerää kolme eri tulokulmaa ja niitä vastaavat taittumiskulmat taulukkoon ja laske havainnoista rajapinnan taitesuhde
  2. Piirrä kuva yhdensuuntaissiirtymästä millimetripaperille (vedelle ja etanolille) ja määritä taittumislain mukaan taitekerroin molemmille nesteille. Astian ohuiden seinien vaikutusta ei tarvitse ottaa huomioon.

 

Työ 17 Lämpösäteily

Tutkitaan lämpösäteilyä kahden metallisen astian avulla. Astioiden ainoa ero on väri: tonen on musta ja toinen metallinharmaa.

Välineet: Lämpömittari ja kello ajanottoon. Vaihtoehtoisesti voit käyttää tietokonepohjaista mittausta.

Vaihe 1. 

Täytä astiat piripintaan kuumalla vedellä ja mittaa lämpötilaa ajan funktiona. Voit tehdä mittaukset erikseen eri värisille astioille tai samaan aikaan. 

Vaihe 2 . Tee samat mittaukset mahdollisimman kylmälle vedelle.

Lisätehtävä. 

Tutki kahvin jäähtymistä. Mittaa lämpötila infrapunamittarilla.

1) Onko väliä kaataako kuuman kahvin sekaan välittömästi kylmän maidon vai vasta esim kahden minuutin kuluttua?

Vakioi tässä kuppi, kahvin ja maidon määrät ja lämpötilat. Älä sekoita!

2) Onko väliä lisääkö maitoa useassa erässä vai heti kerralla (reilu maitovara).

Työ5

TYÖ 5 Vastuksen resistanssin määrittäminen Wheatstonen

siltakytkennän avulla



Työn tarkoitus

 

Tässä työssä selvitetään tuntemattoman vastuksen resistanssi käyttämällä apuna englantilaisen Charles Wheatstonen vuonna 1843 esittelemää kytkentää.

 

Välineet

 

100 Ω vastus sekä resistanssiltaan tuntematon vastus, konstantaanilankaa (noin 50 cm pätkä), tasajännitelähde 5-10 V, herkkä virtamittari (analogisella näytöllä), eristepylväät, metrimitta, johtimia

 

Työn suoritus

wheat.gif

Wheatstonen silta on kytkentä, jolla voidaan mitata tarkasti tuntemattoman vastuksen Rx resistanssi käyttämällä apuna tunnetun vastuksen resistanssia R. Välillä AC on homogeeninen vastuslanka kiinnitettynä eristepylväisiin. Huomaa, että vastuslankaa ei tarvitse katkaista, vaan voit jättää ylimääräisen osan rullalle. Kytkentään tulee mukaan siis vain eristepylväiden välinen osa langasta. Vastuslangan osien, joiden pituudet ovat a ja b, resistanssit ovat Ra ja Rb.

 

Kytke virtamittari toisella johtimella pisteeseen B ja kosketa toisen johtimen päällä vastuslankaa. Siirrä kosketuspistettä langalla eri kohtiin ja etsi sellainen piste D, että virtamittarin läpi ei kulje ollenkaan sähkövirtaa. Silloin pisteiden B ja D potentiaali on yhtä suuri. Tällöin tunnetun vastuksen jännitehäviö UR on yhtä suuri kuin vastuslangan jännitehäviö UAD. Samoin jännitehäviö URX ja UDC ovat yhtä suuret. Mitattavan vastuksen resistanssi saadaan määritettyä yhtälöstä 

[[$ R_x=\frac{b}{a}\cdot R $]]​

 

Tulosten analysointi

 

Johda yhtälö  
[[$ R_x=\frac{b}{a}\cdot R $]]​

sekä ilmoita tuntemattoman vastuksen resistanssin arvo.



Työ 16

TYÖ 16 Jännitelähteen kuormituskäyrä

 

Työn tarkoitus

Avoimessa virtapiirissä (I = 0 A) jännitelähteen napajännite (U) on yhtä suuri kuin jännitelähteen lähdejännite (E). Suljetussa virtapiirissä napajännite muuttuu, kun piirissä kulkeva virta muuttuu. Jännitelähteen kuormituskäyräksi kutsutaan kuvaajaa, jossa napajännite esitetään kuormitusvirran funktiona. Tässä työssä määritetään tasajännitelähteen kuormituskäyrän avulla jännitelähteen sisäinen resistanssi.

 

Välineet

Tasajännitelähde, keskenään samanlaisia hehkulamppuja (3-5 kpl), jännitemittari, virtamittari, johtimia

fy_10 kuormituskäyrä.png



Työn suorittaminen

Tee kuvan mukainen kytkentä. Kytke aluksi piiriin vain yksi lamppu. Käytä sellaista jännitettä, että lamput eivät vaurioidu. Lisää samanlaisia lamppuja rinnan ja mittaa joka kerta napajännite ja sähkövirta. Pidä kytkin suljettuna vain hyvin lyhyen ajan kerrallaan. Piirrä jännitelähteen kuormituskäyrä eli esitä mittaustulokset IU -koordinaatistossa.

 

Tulosten analysointi

 

Määritä kuvaajan avulla jännitelähteen sisäinen resistanssi RS , jännitelähteen lähdejännite E sekä oikosulkuvirran suuruus.

Työ 14

TYÖ 14 Putoamisliike ja oma hyppykorkeus

 1. Putoamisliike

Työn tarkoitus

Työssä tutkitaan kappaleen vapaata putoamista videon ja tietokoneen avulla.

Välineet 

Videokamera, jalusta, pallo, taustamitta, videonkäsittelyohjelmisto, kuvausvalot?

Työn suorittaminen

Valitse kuvauspaikaksi sopiva tausta, jotta pallo erottuu. Kiinnitä mitta seinään. Aseta videokamera kuvaamaan riittävän lyhyellä suljinajalla ja vakiokuvausnopeudella (esim 24 kuvaa/s). Aseta kamera jalustalle symmetrisesti (korkeus ja sivusuunta) ja valitse aukkoluku niin, että kuva on riittävän terävä mittausalueella. Tee mittaukset vähintään kolme kertaa. Siirrä video tietokoneelle ja tarkastele videota kuva kuvalta (frame by frame). Kun kuvanopeus on vakio, saadaan aika kuvasta (järjestysluku) ja pudonnut matka taustan mitasta.

fy10 pudotus.png

Tulosten analysointi

Taulukoi pudotusmatka eri ajanhetkillä ja piirrä ts-kuvaaja jokaiseen mittaukseen. Sovita kuvaajiin toisen asteen polynomifunktio (kaavoineen, pyydä apua opettajalta). Määritä kiihtyvyys tulosten keskiarvona.

2. Vauhditon korkeushyppy

Työn tarkoitus

Työssä tutkitaan pystysuoraa heittoliikettä valoportin ja tietokoneen avulla. Määritetään hypyn kesto, suurin korkeus ja oma lähtönopeus.

Välineet

Logger pro –mitauslaitteisto ja ohjelmisto, valoportti, laserosoitin, statiiveja.

 

Työn suorittaminen

Aseta valoportti ja laserosoitin mahdollisimman lähelle lattiatasoa (kuva). Avaa Logger pro –pohja ”Vauhditon hyppy.cmbl”, käynnistä mittaus ja asetu portin sisään siten, että peität lasersäteen. Hyppää suoraan ylös ja pyri laskeutumaan siten, että lasersäde taas peittyy. Lue tietokoneelta hypyn kesto ja suurin korkeus. Laske lähtönopeus.

fy10_käpälät.png

Työ 13

TYÖ 13 Gay-Lussacin laki

 

Työn tarkoitus

Työssä tutkitaan kaasun lämpötilan ja tilavuuden välistä riippuvuutta vakiopaineessa.

 

Välineet

Vesihaude, umpinainen lasiastia, lämpömittari, vesiallas, kaasuletku, mittalasi ja tietokonepohjainen painemittari.

 

Työn suorittaminen ja tulosten analysointi

Kokoa laitteisto: Kytke ilmaa sisältävään suljettuun astiaan lämpö- ja painemittarit ja yhdysletku. Aseta astia lämmitettävään vesihauteeseen ja vie kaasuletku toisessa altaassa olevaan, osittain vettä sisältävään mittalasiin. Ota ylös mittalasissa olevan vesimäärä (ja kaasumäärä). Aloita mittaus. Muuta hauteen lämpötilaa ja piirrä TV –kuvaaja. Mitä voit päätellä mittauksista?

FY10_GL.jpg

Työ 12

TYÖ 12 Charlesin laki

 

Työn tarkoitus

Työssä tutkitaan kaasun lämpötilan ja paineen välistä riippuvuutta vakiotilavuudessa.

 

Välineet

Vesihaude, umpinainen lasiastia, lämpömittari ja tietokonepohjainen painemittari.

 

Työn suorittaminen ja tulosten analysointi

Kokoa laitteisto: Kytke astiaan lämpö- ja painemittarit. Aseta astia vesihauteeseen ja aloita mittaus. Muuta hauteen lämpötilaa ja piirrä Tp –kuvaaja. Mitä voit päätellä mittauksista?

charles.jpg

Työ 11

TYÖ 11 Boylen lain tutkiminen

 

Työn tarkoitus

 

Työssä tutkitaan kaasun tilavuuden ja paineen välistä riippuvuutta vakiolämpötilassa.

 

Välineet

Boylen lain laitteisto, lämpömittari

 

Työn suorittaminen ja tulosten analysointi

  1. Ota ruiskuun 50 ml ilmaa, ruuvaa venttiili kiinni ja lue ruiskussa olevan ilman paine painemittarin asteikolta.
  2. Paina ruiskun mäntää eli pienennä ruiskussa olevan ilman tilavuutta ja mittaa vastaava paine. Puristuksen aikana ruiskun lämpötila ei saisi muuttua vaan ruiskussa olevan ilman pitäisi pysyä koko ajan huoneenlämpöisenä, joten suorita mittaussarja hitaasti.
  3. Toista mittaus niin, että saat ainakin viisi mittausarvoa. Piirrä kuvaaja sekä (V, p) että (1/V, p) koordinaatistoon. Pitääkö Boylen laki paikkaansa? Voidaanko (1/V, p) -kuvaaja ekstrapoloida kulkemaan origon kautta? Jos voidaan, miten tulkitset tilanteen fysikaalisesti?
  4. Määritä samoista koetuloksista vielä arvo yleiselle kaasuvakiolle R. Kaasujen yleinen tilanyhtälö pV = nRT , joten p = nRT × 1/V. Tämä vastaa origon kautta kulkevan suoran yhtälön muotoa y = k × (1/V, p) -kuvaajan fysikaalinen kulmakerroin = nRT , joten R voidaan laskea.

T = huoneen lämpötila

n = normaalipaineisen ilman ainemäärä (arvioi tiedosta 1mol ilmaa vastaa 22,4 l )

Työ 7

TYÖ 7 CD-levyn hilavakion määrittäminen

Työn tarkoitus

Tässä työssä määritetään CD-levyn hilavakio. Huom! Työ 6 suoritettava ennen tätä työtä!

Cd-levyn pinta koostuu pienistä kuopista ja niiden välisistä tasanteista, jotka seuraavat toisiaan

spiraalin muodossa sisäreunalta ulkoreunalle. Tasanteet ja kuopat ovat valoa hyvin heijastavalla alumiinikalvolla, jolloin kuoppa vastaa tallennetun binaaritiedon arvoa 0 ja heijastava tasanne arvoa 1. CD-levyä voidaan käyttää heijastushilana, jolloin spiraaliviivan muodostavalta ura-kuoppa –systeemiltä ja sen väliin jäävältä tasanteelta heijastunut valo interferoi ja muodostaa diffraktiokuvion.

Välineet

laser, CD-levy, statiivitarvikkeet, mittanauha

Työn suoritus

fy10_7.png

 

Kiinnitä CD-levy statiivin kouralla pystysuoraan laserin eteen kuvan mukaisesti. Pyöritä CD-levyä siten, että saat levystä heijastuneet valopisteet (diffraktiokuvion) vaakasuoraan. Huomaa, että kohtisuoraan CD-levystä takaisin heijastuva valo osuu laseriin (kertaluku k=0). Säädä levyn ja laserin välinen etäisyys sellaiseksi, että saat valomaksimit taululle vaakasuorana pistejonona. Taululla näkyvät siis ensimmäisen, toisen, jne.... kertaluvun valomaksimit.

 

Työn suoritus ja tulosten analysointi

fy10_7_2.png

 

 

Mittaa tarvittavat etäisyydet huolellisesti ainakin kolme kertaa. Laske etäisyyksistä taipumiskulman a suuruus ja määritä hilayhtälön  avulla CD-levyn hilavakio d. Toista vihreällä laserilla. Toista DVD-levylle.

Työ 6

TYÖ 6 Laservalon aallonpituuden määrittäminen

Työn tarkoitus

 

Tässä työssä määritetään laserin aallonpituus valon diffraktiokuvion avulla. Huom! Laserin säde ei saa koskaan osua silmään.

Välineet

Laser, hila (jonka hilavakio tunnetaan esim. 100 rakoa/mm), statiivitarvikkeet tai muu teline hilalle, varjostin ja paperiarkki, metrimitta ja viivoitin.

Työn suoritus

Aseta laser tukevasti pöydälle siten, että sen etäisyys varjostimesta (seinästä tai taulusta) on vähintään 2 metriä. Aseta hila laserin eteen. Kiinnitä varjostimelle paperiarkki siten, että diffraktiokuvio osuu siihen. Toista mittaus vihreälle laserille.

 


fy10_laser.gif

Mittaa hilan ja varjostimen välinen etäisyys. Merkitse valomaksimien paikat varjostimella olevalle paperille. Merkitse myös selvästi, mikä valomaksimeista on keskimmäinen (kertalukua k = 0).

Mittaa diffraktiokuviosta eri kertalukujen valomaksimien etäisyydet keskikohdasta. Laske saatujen tulosten perusteella laservalon aallonpituus hilayhtälöstä

[[$ d \cdot \sin \alpha =k \cdot \lambda $]]

​Kulma alfa saadaan laskettua hilan ja varjostimen etäisyyden ja valomaksimien etäisyyden avulla. Toista mittaus vielä niin, että muutat hilan ja varjostimen välistä etäisyyttä.

Tulosten analysointi

 

Tee tarvittavat laskut ja ilmoita tulosten keskiarvona saatu laserin aallonpituus. Sopiiko tulos yhteen laservalon värin kanssa?

Työ 4

TYÖ 4 Levykondensaattorin kapasitanssi

 

Työn tarkoitus

Rakennetaan yksinkertainen levykondensaattori ja tutkitaan sen kapasitanssia.

 

Välineet

2 kpl Al-elektrodeja, työntömitta, lasilevyjä, yleismittari.

 

Työn suoritus

Kytke levyt yleismittariin. Mittaa kondensaattorin kapasitanssi levyjen etäisyyden funktiona (esim. 3 mm välein). Tee mittaukset kahdella väliaineella (ilma ja lasi). Voit kokeilla väliaineena myös puuta. Tutki levyjen välisen yhteisen pinta-alan (5 mm välein) vaikutusta kapasitanssiin.


kondensaattori.jpg


  1. Väliaineena ilma

 

Levyjen välinen etäisyys d [mm]

Kapasitanssi C [nF]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Piirrä dC-kuvaaja.

  1. Väliaineena lasi

 

Levyjen välinen etäisyys d [mm]

Kapasitanssi C [nF]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Piirrä dC-kuvaaja.

  1. Pinta-alan vaikutus (väliaineena yksi lasilevy)

 

Levyjen välinen yhteinen pinta-ala [mm2]

Kapasitanssi C [nF]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Piirrä AC-kuvaaja.

Tulosten analysointi

 

Esitä mittaustulokset Excel tai GeoGebra -kuvaajina. Määritä lasin suhteellinen permittiivisyys εr.

Työ 2

Työ2: Ilmakiväärin luodin nopeuden määrittäminen

 

Työn tarkoitus
Työn tarkoituksena on määrittää ilmakiväärin luodin nopeus liikemäärän ja vinon heittoliikkeen avulla.

Välineet
Ilmakivääri, luoti (3 kpl), pullonkorkki (3 kpl), analyysivaaka ja suojalasit.

Työn suoritus

  1. Punnitse kolmen luodin ja pullonkorkin massa analyysivaa’alla. Merkitse huolellisesti ylös luodin ja pullonkorkin numero.
  2. Koe suoritetaan oheisen kuvan mukaisesti koulun takapihalla. Kiinnitä tolppa maahan ja mittaa tolpan korkeus. Huom! Luoti ammutaan sinitarraan, jotta luoti jäisi kiinni pullonkorkkiin. Kiinnitä erityistä huomiota ampumatapahtumaan ja -suuntaan, jotta luodin mahdollisesta kimpoamisesta ei aiheudu vaaraa ihmisille ja omaisuudelle. Kiväärin piippu tulee asettaa mahdollisimman lähelle ammuttavaa kappaletta.
  3. Sijoita korkki puutolpan päähän ja ammu luoti no 1 korkkiin no 1. Mittaa kantama tolpan juuresta. Toista koe luodilla ja korkeilla no 2 ja no 3. Mittaa kantama jokaiselle laukaisulle.

 

FY10_ilmakko.jpg

 

Tulosten analysointi

 

 

Määritä luodin keskimääräinen nopeus tulosten avulla.

Työ 1

TYÖ 1 Tasaisesti hidastuva liike

Työn tarkoitus

Työn tarkoituksena on tutkia tasaisesti hidastuvaa liikettä rullalaudan avulla ja määrittää hetkellinen nopeus eri mittauspisteissä.

Välineet

Sekuntikello (4 kpl), mitta ja rullalauta.

Työn suoritus

  1. Merkitse koulun käytävälle neljä mittauspistettä 5 metrin välein.
  2. Toinen työpareista toimii kirjurina ja toinen rullalautailee. Huom! alkunopeuden täytyy olla riittävä 20 metrin matkan kulkemiseen. Mittaustapahtuman ajaksi pyydä avustajia toisesta ryhmästä.

Tulosten analysointi

  1. Piirrä kuvaaja (t,s)-koordinaatistoon (käytä millimetripaperia kaikissa kuvaajissa).
  2. Määritä keskimääräinen nopeus 0-20 m.
  3. Määritä hetkellinen nopeus eri mittauspisteissä (0, 4, 8, 12 ja 16 m) ja esitä sen perusteella rullalaudan liike (t,v)-koordinaatistossa. Piirrä selkeyden vuoksi kuvaaja jokaisesta mittauspisteestä.
  4. Vastaa seuraaviin kysymyksiin
  1. Kuinka hetkellinen kiihtyvyys eri mittauspisteissä voidaan ratkaista?
  2. Kuinka kuljettu matka (20 m) voidaan selvittää (t,v)-koordinaatiston avulla?