Файл: Методическое пособие для выполнения лабораторных работ по предмету Физика. Ташкент туит имени Мухаммада ал.pdf

1
МИНИСТЕРСТВО РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ И КОММУНИКАЦИИ РЕСПУБЛИКИ
УЗБЕКИСТАН
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
ИМЕНИ МУХАММАДА АЛ-ХОРАЗМИЙ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ
ЗАНЯТИЯМ ПО ФИЗИКЕ
ЧАСТЬ I
МЕХАНИКА. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И
ТЕРМОДИНАМИКА
Ташкент-2021

2
Авторы: Х.М. Холмедов, Х.Н. Каримов, Ш.И.Абдуллаева,
С.С.Халилов
“Механика. Молекулярная физика и термодинамика” часть I.
Методическое пособие для выполнения лабораторных работ по предмету «Физика». – Ташкент: ТУИТ имени Мухаммада ал-
Хоразмий. 2021, 88 с.
Данное методическое пособие разработано на основе учебной программы предмета «Физика» для студентов 1-курса бакалавриата
Ташкентского Университета информационных технологий имени
Мухаммада ал-Хоразмий, в ней представлены: темы лабораторных работ, цель работы, необходимое оборудование, краткие теоретические сведения, порядок выполнения работы, необходимые формулы и понятия для выполнения математических расчётов, а также таблицы для ввода данных. Также представлены вопросы по теоретическому материалу, а также список литературы для самостоятельного изучения.
Данное методическое пособие предназначено для студентов
1 го курса всех направлений бакалавриата ТУИТ имени Мухаммада ал-Хоразмий.
Методическое пособие утверждено и рекомендовано к тиражированию НМС ТУИТ имени Мухаммада ал-Хоразмий
(протокол № 9(134) от «27» апрель 2021 г.)
Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий, 2021

3
ЗАДАЧИ СТУДЕНТОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Цель выполнения лабораторных работ по физике — это закрепление полученных теоретических знаний, подготовка студентов к практическому применению законов физики в повседневной жизни и производстве, формирование навыков и умений измерения физических величин.
Поэтому все студенты обязаны выполнять лабораторные работы!
Студенты полностью выполнившие и сдавшие лабораторные работы будут допущены к промежуточным и итоговым контролям по теоретическому курсу физики.
Требования к выполнению лабораторных работ:
1. Необходимо завести отдельную тетрадь для лабораторных работ. Студент должен приходить на лабораторные занятия подготовленным и без опоздания.
2. В начале студент подробно изучает описание лабораторной работы и необходимое оборудование, после собеседования с преподавателем студент получает допуск к выполнению лабораторной работы.
Студент не знающий цели и порядка выполнения работы не допускается к выполнению лабораторной работы.
3. Подключение электрической цепи к источнику тока допускается только с разрешения преподователя или лаборанта.
4. Во время выполнения лабораторной работы студенты должны соблюдать тишину и не покидать место выполнения работы, нельзя оставлять цепь подключённой к источнику тока.

4 5. После выполнения работы цепь отключается от источника тока.
6. На основании полученных результатов производятся расчёты. Данные представляются преподавателю и, если всё верно, получают подпись преподавателя.
7. После выполнения работы все приборы и оборудование сдаётся лаборанту.
8. Преподавателю сдаётся отчёт по выполненной работе.
9. Студенты получают задания на следующий урок.
10. Если остаётся свободное время до конца урока студенты занимаются самообразованием.
ВИДЫ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
Любое измерение всегда имеет погрешность. Эти погрешности делятся на два вида – систематические и случайные.
1. Систематическая погрешность присутствует всегда.
Погрешность, связанная с не правильной установкой измерительного прибора (связанная с точностью измерения) и не правильным выбором методики измерений является систематической погрешностью. Эта погрешность может появиться в следствии некоторых внешних факторов, например неравномерная градуировка линейки, несоответствие нуля градусов на термометре реальному нулю, неравномерность толщины капилляра термометра, амперметр показания которого отличаются от нуля даже при отсутствии электрического тока и т.д.

5
Изменение объёма сосуда, содержащего жидкость или газ при нагревании, воздействие выталкивающий силы действующей на гири рычажных весов и теплообмен калориметра с окружающей средой, если не учитывать эти факторы, то возникает систематическая погрешность.
При округлении табличных данных (например плотность, удельная теплоёмкость, модуль упругости и т.д.), а также постоянных входящих в формулы (π,
e
– основание натурального логарифма, ε и другие) могут также возникнуть систематические погрешности.
Например, если вместо π=3,14159265 взять π =3; π =3,1;
π =3,142, или для показателя преломления воды вместо n=1,333 взять n=1,3; n=1,33, то возникает систематическая погрешность.
Систематическая погрешность возникает вследствие ряда причин.
Систематическая погрешность может оставаться даже если проведено несколько измерений или она может меняться по некоторой закономерности. Систематическую погрешность можно уменьшить, изменив методику измерений, откалибровав измерительные приборы, удалив воздействие систематических внешних воздействий.
2. Случайная погрешность – погрешность возникающая вследствие случайных факторов, которые трудно предугадать, воздействие которых может по разному проявляться при каждом измерении. Например, скачок напряжения в электрической цепи, не однородность в толщине измеряемой пластины, не достаточная освещённость при измерении, несовершенство наших органов

6 восприятия и т.д. приводят к возникновению случайных погрешностей. Из-за случайных погрешностей измеряя одну и ту же физическую величину можно получить различные значения.
Хотя в некоторых случаях нет возможности удалить случайную погрешность, с помощью математических теорий случайных процессов можно уменьшить влияние случайных погрешностей, и найти наиболее приемлемое выражение для расчёта величины погрешности. Для уменьшения случайной погрешности измерение проводят не один, а несколько раз. Если случайная погрешность больше систематической, нужно уменьшить её величину до величины погрешности измерительного прибора методом многократных измерений.
Кроме систематических и случайных погрешностей существуют также грубые ошибки. Грубые ошибки возникают при неправильном выполнении и измерении. При вычислениях такие значения не должны учитываться. Такие ошибки возникают при не аккуратном использовании шкалы, при без разборном записывании значений. Для удаления таких ошибок нужно заново просмотреть записи и заново проделать измерения. Для того, чтобы не делать грубых ошибок нужно внимательно выполнять измерения по несколько раз и аккуратно записывать их.

7
ПОГРЕШНОСТЬ НЕПОСРЕДСТВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.
СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН,
АБСОЛЮТНАЯ И ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ
ИЗМЕРЕНИЙ.
Считая, что в процессе измерений были устранены систематические погрешности, связанные с измерительными приборами и грубые ошибки, рассмотрим непосредственно основные правила теории ошибок.
Если в результате измерений некоторой физической величины получены значения x
1
, x
2
, x
3
, …x n
то наиболее близкое к истинному значение будет определяться по формуле
n
x
x
x
n
i
i





1
где
n
- количество измерений.
1. Значения, полученные при измерениях будут отличаться друг от друга, их разность от среднего значения называется абсолютной погрешностью.
i
x
x
x





При каком измерении самая маленькая абсолютная погрешность, то измерение наиболее точное. Значения, сильно отличающиеся от среднего значения не учитываются, так как имеют грубую ошибку.
Если в результате
n
количества измерений найдено
n
x
x
x
x




,
,
3 2
1
абсолютных погрешностей, то средняя абсолютная

8 погрешность равняется среднему арифметическому значению этих погрешностей.
n
n
i
i
x
x






1
Естественно, истинное значение физической величины будет отличаться на




x
от найденного среднего значения






x
x
x
2. Если во время эксперимента необходимо измерить несколько физических величин, для каждой из них нужно будет найти погрешность измерений. Однако нельзя сравнивать абсолютные погрешности полученных измерений, так как они не однородны, в таких случаях используется относительная погрешность.
Относительная погрешность равняется отношению среднего значения абсолютной погрешности



x
к средней измеренной величине


x
т.е.






x
x
E
или если выразить в процентах,
%
100







x
x
E
Имеется другие методы определения погрешностей.

9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ
ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА
Цель работы
В результате выполнения работы студент должен:

знать смысл таких физических величин как скорость

ускорение

масса

сила

импульс

содержание трех законов
Ньютона;

уметь делать простейшие измерения и применять законы кинематики и динамики для описания движения системы связанных грузов

Задание
1.
Изучить устройство машины Атвуда и метод измерений

2.
Проверить закон пути

3.
Проверить закон скорости

4.
Проверить второй закон Ньютона

5.
Оценить точность проделанных измерений

Описание лабораторной установки
Машина Атвуда (рис

1) состоит из длинной вертикальной стойки А с разделенной на сантиметры шкалой

Наверху стойки укреплен очень легкий

вращающийся с малым трением блок В

Через блок перекинута легкая нить с грузами С и С
I
на концах

имеющими одинаковые массы m

Внизу стойки укреплен электромагнит М

который может удерживать груз С
I
в нижнем положении

На стойке также имеются две платформы – верхняя Р с

10 круглым отверстием для свободного прохождения груза С
(кольцевая платформа) и нижняя D (сплошная платформа)

которые можно перемещать вдоль стойки А и крепить в нужных положениях стопорными винтами

Для работы нужны два перегрузка

снимающиеся кольцевой платформой и имеющие разные массы m
1
и m
2

в несколько раз отличающиеся друг от друга

Кроме того

имеется секундомер

Если один или оба перегрузка положить на груз С или более тяжелый перегрузок положить на груз С

а более легкий - на груз С
I

удерживаемый электромагнитом

и выключить ток в электромагните

то система начнет двигаться равноускоренно

так как действующие силы постоянные


Для наблюдения равномерного движения перегрузки надо класть только на груз С

Тогда после снятия перегрузков кольцевой платформой система начнет двигаться равномерно до удара груза С о сплошную платформу
Если же более легкий перегрузок лежит на грузе С
I

то после снятия перегрузка кольцевой платформой с груза С движение будет равнозамедленным

По второму закону Ньютона ускорение материальной точки пропорционально равнодействующей силе

которая равна
A m
D
Р
Α
С
I
C
M
K
B
Рис.1

11 векторной сумме всех действующих на нее сил

и обратно пропорционально ее массе

Грузы движутся поступательно

и поэтому их можно считать материальными точками

Нить практически нерастяжима

и поэтому ускорения (как и скорости) грузов С и С
I
отличаются только направлениями

Если предположить

что блок В невесом

то натяжение нити будет одинаково справа и слева

Порядок выполнения работы
I

Проверка закона пути при движении тела из положения
покоя с постоянным ускорением
1. На груз С кладут перегрузок

замыкают цепь электромагнита и устанавливают систему в начальном положении так

чтобы груз
С
I
находился внизу и удерживался электромагнитом

Устанавливают сплошную платформу D на некотором расстоянии от нижнего основания груза С

Кольцевую платформу ставят выше перегрузка

2. Выключая ток в электромагните

одновременно пускают секундомер

Он останавливается в момент удара груза С о сплошную платформу D

Опыт повторяют 5 раз

Записывают в таблицу 1 результаты измерений и вычисляют среднее время

3. Передвигают сплошную платформу на 10 – 20 см

измеряют расстояние от нее до нижнего основания груза и снова определяют
5 раз время прохождения этого расстояния при том же перегрузке и вычисляют среднее время

4. Опыт нужно проделать для трех различных расстояний
