Файл: ВсяМехЛАБраб2части.doc

Министерство образования Российской Федерации

Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина

Филимонова л.В., Боброва т.М.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

для лабораторных занятий

по изучению раздела общей физики

«Механика»

В двух частях

(для студентов инженерно-физического и

физическо-математического факультетов)

Елец – 2004

УДК 531/534

ББК 22.3я721

Ф 37

Печатается по реше­нию редакционно-издательского совета ЕГУ им. И.А. Бунина

Рецензенты:к.т.н.,доцент кафедры естественнонаучных дисциплин МГСУ, филиала в г. Воронеже, Полев В.А.

к.ф-м н., доцент кафедры физики,Бровко С.В.

Филимонова Л.В., Боброва Т.М.

Ф 53 Методические рекомендации для лабораторных занятий по изучению раздела общей физики «Механика». В двух частях. – Елец: ЕГУ им. И.А. Бунина, 2004. – 139 с.: ил.

Целью данного пособия является оказание помощи студентам в подготовке и выполнении лабораторных работ по темам из раздела общей физики «Механика».

В пособии приводятся описания к 13 лабораторным работам. Работы первой части затрагивают преимущественно материал по кинематике, колебаниям и волнам, движению тел в вязкой жидкости; во второй части содержатся работы по динамике материальной точки и твердого тела. К каждой работе дается формулировка цели ее выполнения, перечень используемого оборудования, краткие основы теории по теме работы, описание метода, вопросы к допуску, содержание экспериментальных заданий, вопросы к отчету. Представленный в каждой работе материал достаточен для ее выполнения, но требует изучения дополнительных литературных источников для подготовки отчета. В приложениях приводятся краткая справка по вычислению погрешности результатов учебного эксперимента по физике, необходимые справочные таблицы, дополнительный материал.

Учебно-методическое пособие рекомендуется к использованию на лабораторных занятиях со студентами инженерно-физического и физико-математического факультетов ЕГУ в лаборатории механики.

УДК 531/534

ББК 22.3я721

 ЕГУ им. И.А. Бунина, 2003

 Филимонова Л.В., 2003

Эксперимент должен по возможности ставиться так, чтобы не допускать не только ошибок, но и неоднозначного истолкования его результатов.

Введение.

Формирование и развитие экспериментальных знаний и умений студентов в процессе изучения общей физики является одной из первостепенных задач ее преподавания в вузе. Это связано со многими причинами, в частности: значением экспериментального метода в физической науке и практике, его местом в обучении физике в школе с учетом разновидностей методики его использования. В процессе подготовки будущих учителей физики необходимо сформировать у студентов знания о составе и структуре экспериментальной деятельности в целом и умения осуществлять эту деятельность в связи с конкретными познавательными целями.

В этой связи, главная цель, поставленная в данном пособии, состоит в обеспечении целенаправленного руководства изучением теоретических вопросов по общей физике с активным применением экспериментального метода как для подтверждения теоретических положений, так и для самостоятельного вывода студентами субъективно новых для них физических закономерностей.

При этом учитывалась необходимость побуждения студентов к активной творческой работе в физической лаборатории. Для этого им предлагается большой перечень вопросов к допуску перед началом выполнения работы, которые акцентируют их внимание на особенностях постановки конкретного эксперимента, на специфике изучаемых явлений и процессов, на возможности присутствия в работе неучтенных дополнительных факторов, сказывающихся на получаемых результатах и т.д.

Предлагаемое пособие посвящено отдельным темам из раздела «Механика» курса общей физики. Изложенные вопросы раскрывают следующие понятия и методы: плотность вещества и тела и методы ее измерения; вязкое трение и метод Стокса; стробоскопический эффект и методы измерения промежутков времени; деформация, модуль Юнга и метод его измерения для проволоки; виды движения и методы изучения соответствующих законов движения и кинематических зависимостей; виды движения твердого тела, его кинематические и динамические характеристики и различные методы определения моментов инерции; колебания и упругие волны, физический и математический маятник, методы определения длины волны и ускорения свободного падения.

Все приведенные в пособии лабораторные работы имеют одинаковую структуру: цель, приборы и принадлежности, основные сведения по теории вопроса и метода, перечень вопросов к допуску, содержание экспериментальных заданий, таблицы для занесения данных и результатов, вопросы к отчету. Кроме того, ясно и обоснованно выведены и особо выделены расчетные формулы. Экспериментальные задания содержат указания по расчету погрешностей и требования подведения итогов в соответствии с поставленной в работе целью.

Подборка экспериментальных заданий предполагает использование математического аппарата, применения графического метода анализа полученных данных, исследование изучаемого явления в вариативных условиях, контроль за обеспечением необходимой экспериментальной ситуации. Это допускает и обеспечивает дифференцированную по уровню сложности и самостоятельности студентов постановку учебного физического эксперимента.

Предлагаемое содержание может быть по-разному использовано преподавателями в соответствии с уровнем подготовки студентов, количеством отводимого на лабораторные занятия аудиторного времени и названием факультета.

Лабораторная работа № 0.

Вводная фронтальная работа.

Нониусы, их назначение и практическое использование при измерении линейных размеров.

Цель работы: познакомиться с принципами построения шкал с нониусами, правилами пользования штангенциркулем и микрометром; получить практические навыки в определении с их помощью линейных размеров различных тел.

Приборы и принадлежности: различные штангенциркули ( в том числе демонстрационный), микрометр, образцы твердых тел правильной геометрической формы (шар, цилиндр, параллелепипед).

Основные теоретические сведения

Опр. Нониусом (линейным или круговым) называется специальная шкала, дополняющая обычный масштаб и позволяющая повысить точность измерений в 10-20 раз.

1. Линейный нониус представляет собой небольшую линейку, скользящую вдоль основной шкалы (рис.1, а)).

Чтобы понять принцип действия линейного нониуса, рассмотрим на 2-х примерах его изготовление (построение шкалы) и применение.

Пример 1. Пусть имеется основная шкала с сантиметровыми делениями. Выберем следующие значения основных необходимых для достижения поставленной цели параметров:

Длина эталона – 10 см,

N=10 - число делений на шкале нониуса,

k=1 – коэффициент кратности (натуральное число: чаще 1 или 2).

Длина эталона – это отрезок длины на основном масштабе, с которым производится сравнение длины всей шкалы нониуса, равен (k∙N) см, т.е. 1∙10=10 см. Сравнение состоит в следующем: длина шкалы нониуса берется меньшей на единицу (у нас единица – это 1 см), чем длина эталона. В нашем примере длина всей шкалы нониуса будет равна

10 см – 1 см = 9 см.

Следовательно, далее на отрезке длиной 9 см размечаем N делений нониуса, т.е. 10 делений. При этом цена деления шкалы нониуса будет равна:

(1) - формула для определения цены деления нониуса.

В формуле (1) цифра 1 означает одно деление основной шкалы. Тогда величина измеряется в делениях основной шкалы. А найти ее величину в единицах длины, т.е. в сантиметрах или миллиметрах и пр. можно, умножая полученную по (1) величину на цену одного деления основной шкалы.

Имеем в данном примере:

(делений) 

Вывод: одно деление нониуса меньше одного деления основного масштаба на 0,1 см  эта величина и будет (в данном примере, а не «всегда») точностью измерений на полученном приборе (например, штангенциркуле).

Иначе говоря, по построению имеем: 10 делений нониуса меньше 10 делений масштаба на 1 см, тогда 1 деление нониуса меньше 1 деления масштаба на 1/10 см.

Применение. При совмещении нулей обеих шкал расстояние между рабочими зажимами шкал равно нулю (рис.1 б)). При измерении длины образца, например диаметра болта (рис.1 в)), он вплотную располагается между зажимами. При этом нулевая отметка на нониусе смещается относительно нуля основной шкалы на искомое расстояние. По рисунку видно, что в это расстояние вмещается 1 целое деление масштаба и еще какая-то его часть. Для определения длины этой части ищут номер деления на нониусе, совпавшего с некоторым делением основной шкалы: на рисунку это – 9-ое деление, совпадающее в точности по положению с делением номер 10 на основной шкале.

Теперь будем рассуждать, следуя от места совпадения делений к месту измерения (отсчета значения диаметра):

9-е деление нониуса отстоит от 10-го деления шкалы на 0 см (они совпадают),

8-е деление нониуса отстоит от 9-го деления шкалы на 0,1 см (т.к. разница в цене деления, определенная нами выше составляет 0,1 см),

7-е деление нониуса отстоит от 8-го деления шкалы на 0,1+0,1=0,2 см,

6-е деление нониуса отстоит от 7-го деления шкалы на 0,2+0,1=0,3 см,

5-е деление нониуса отстоит от 6-го деления шкалы на 0,3+0,1=0,4 см,

4-е деление нониуса отстоит от 5-го деления шкалы на 0,4+0,1=0,5 см,

3-е деление нониуса отстоит от 4-го деления шкалы на 0,5+0,1=0,6 см,

2-е деление нониуса отстоит от 3-го деления шкалы на 0,6+0,1=0,7 см,

1-е деление нониуса отстоит от 2-го деления шкалы на 0,7+0,1=0,8 см,

0-е деление нониуса отстоит от 1-го деления шкалы на 0,8+0,1=0,9 см – а это и есть длина искомой части (см. по рисунку 1 в)). Т.е. длина искомой части равна произведению порядкового номера совпавшего деления нониуса, т.е. 9, на величину разницы цен делений, т.е. на 0,1 см, и равна 0,9 см.

В целом размер диаметра болта равен одному целому делению основной шкалы, т.е. 1 см, и плюс длина части 0,9 см, итого 1,9 см.

Теперь разберем пример для случая, когда коэффициент кратности равен 2, при равенстве прочих условий и величин.

Пример 2. Пусть имеется основная шкала с сантиметровыми делениями. Выберем следующие значения основных необходимых для достижения поставленной цели параметров:

Длина эталона 20 см,

N=10 - число делений на шкале нониуса,

k=2 – коэффициент кратности.

Тогда отрезок длины на основном масштабе (называем его эталоном), с которым производится сравнение длины всей шкалы нониуса равен (k∙N) см, т.е. 2∙10=20 см. Сравнение состоит в следующем: длина шкалы нониуса берется меньшей на единицу (у нас единица – это 1 см), чем длина этого отрезка. В нашем примере длина всей шкалы нониуса будет равна