Файл: Практикум по физике для студентов заочной формы обучения инженернотехнических специальностей.pdf

ЁФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Тольяттинский государственный университет
Физико – технический институт
Кафедра «Общая и теоретическая физика»
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ФИЗИКЕ
для студентов заочной формы обучения инженерно-технических специальностей
ЧАСТЬ 2
Тольятти 2004 г.

3
УДК 53
ББК 22.3
Л 12
Рецензенты:
В.М. Азовский – профессор, заведующий кафедрой «Общая физика», к.х.н.;
В.И.
Скиданенко
– профессор, заведующий кафедрой
«Прикладная и теоретическая физика», к.ф.-м.н..
Л 12 Лабораторный практикум по физике. Часть 2.
Сарафанова В.А., Цыбускина И.И., Викарчук А.А. Тольятти: ТГУ,
2004. – 107 с.
Представлены методические указания к 20-ти лабораторным работам по разделам физики «Электричество и магнетизм. Колебания и волны. Оптика. Элементы атомной и ядерной физики». Даются рекомендации по самостоятельной подготовке к лабораторным работам и их выполнению. Предлагаются вопросы для самоконтроля.
Рекомендуется для студентов инженерно-технических специальностей заочной формы обучения.
УДК 53
ББК 22.3
Тольяттинский государственный университет, 2004.

4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель настоящего учебно-методического пособия – оказать помощь студентам заочной формы обучения инженерно-технических специальностей в изучении курса физики.
Лабораторный практикум по физике помогает глубже осознать и усвоить основные физические закономерности, приобрести навыки самостоятельной экспериментальной работы, ознакомиться с измерительной аппаратурой и методами физических измерений, научиться записывать и обрабатывать результаты измерений.

5
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ И ПОРЯДОК ЕГО
ВЫПОЛНЕНИЯ
Лабораторный физический практикум представляет собой совокупность лабораторных работ, которые студент выполняет на лабораторных занятиях.
Каждое лабораторное занятие должно включать следующие этапы:
1. Подготовка к лабораторной работе: а) необходимо составить бланк отчета по работе; б) написать в рабочей тетради ответы на вопросы для самоконтроля.
2. Получение допуска к лабораторной работе.
3. Проведение эксперимента.
4. Обработка результатов эксперимента.
5. Сдача зачета по теории.
6. Сдача оформленного отчета о лабораторной работе.
Вначале лабораторного занятия студент должен получить допуск к лабораторной работе. Для этого студенту необходимо знать цель работы, описание установки, измеряемые величины и представить преподавателю заготовленный бланк отчёта.
Преподаватель на титульном листе бланка отчёта ставит подпись в графе «К работе допущен».
После получения допуска студент выполняет необходимые измерения. Преподаватель проверяет их и если измерения верны, ставит подпись в графе «Работа выполнена».
Далее студент обрабатывает результаты эксперимента (делает необходимые расчеты, строит графики).
Затем преподаватель проверяет в рабочей тетради письменные ответы на вопросы для самоконтроля, проводит теоретический опрос студента и при положительных ответах ставит подпись в графе
«Теория зачтена».
После проверки полностью оформленного бланка отчета о лабораторной работе, на титульном листе которого должно стоять три подписи преподавателя с расшифровкой и датой проставления подписи, бланк сдается преподавателю и он проставляет в своем журнале, что данная лабораторная работа студентом зачтена.

6
Образец оформления титульного листа бланка отчета
-----------------------------------------------------------------------------------
Тольяттинский государственный университет
Кафедра «Общая и теоретическая физика»
Группа _______________
Студент ____________________
ОТЧЕТ о лабораторной работе № ______
«Название лабораторной работы»
К работе допущен:
Работа выполнена:
Теория зачтена:
Тольятти 2005

7
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
ФИЗИЧЕКИХ ВЕЛИЧИН
Физика исследует различные закономерные связи в природе.
Закономерные связи между наблюдаемыми явлениями формулируются в виде физических законов, которые, как правило, записываются в виде равенств, связывающих различные физические величины.
Физическая величина является одним из основных понятий в физике. Данное понятие включает в себя свойство или совокупность свойств данного объекта, явления, процесса, которые могут быть измерены экспериментально.
Значение физической величины задается как определенное число принятых для нее единиц измерения и находится опытным путем с помощью специальных технических средств – измерительных приборов.
Результат измеренияфизической величины состоит из двух частей: численного значения и единиц измерения. Например, 5,2 м;
9,81 м/с
2
По способу получения числового значения физической величины различают прямые и косвенные измерения. При прямом измерении значение физической величины отсчитывают по показаниям средства измерения (измерение промежутка времени – секундомером, температуры – термометром, длины – масштабной линейкой и т.д.). Однако прямые измерения не всегда возможны. При косвенном измерении значение физической величины находят по известной зависимости между ней и непосредственно измеренными величинами (например, нахождение плотности тела по его массе и объему).
Любая физическая величина обладает истинным значением, т.е. значением, идеально отражающим в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта.
Как правило, при любых измерениях получают не истинное значение измеряемой величины, а лишь ее приближенное значение.
Это происходит в силу ряда объективных (несовершенство измерительной аппаратуры, неполнота знаний о наблюдаемом явлении) и субъективных причин (несовершенство органов чувств экспериментатора). Точные измерения можно произвести только в том случае, если исследуемая величина имеет дискретный характер: число атомов в молекуле; число электронов в атоме.
Отклонение результата измерения от истинного значения

8 измеряемой величины называется погрешностью измерения. По форме выражения различают абсолютные и относительные погрешности.
Абсолютная погрешность измерения – есть разность между результатом наблюдения и истинным значением измеряемой величины:
0
a
a
a
i



. Она выражается в единицах физической величины.
Относительная погрешность измерения – это сопоставление величины погрешности с самой измеряемой величиной:
%
100 0


a
a
Значение физической величины, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него, называется действительным значением физической величины.
При ограниченном числе измерений в качестве действительного значения может использоваться среднее арифметическое

a
, вычисленное из серии результатов наблюдения, полученных с одинаковой точностью:
N
a
a
N
i
i





1
. Поэтому в качестве абсолютной погрешности наблюдения используют величину:





a
a
a
i
, а качестве относительной погрешности:
%
100





a
a

Оценить погрешность измеряемой величины, значит указать интервал
)
;
(
a
a
a
a








, внутри которого с заданной вероятностью P заключено истинное значение измеряемой величины.
Такой интервал называется доверительным. При многократных измерениях доверительную вероятность принимают равной Р=0,95.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Дискретные величины.
Если измеряемая величина имеет дискретный характер, например, число атомов в молекуле; число электронов в атоме, то ее абсолютная погрешность равна нулю:
0

а
2. Постоянные величины.
Если величина берется из таблиц или для данной лабораторной работы приведена на установке, как измеренная

9 раньше, то абсолютная погрешность принимается равной половине единицы разряда последней значащей цифры взятого числа.
Например: для значения ускорения свободного падения
2
/
81
,
9
с
м
g 
, взятого из таблицы, абсолютная погрешность
005
,
0

g
м/с
2
; для значения гравитационной постоянной
11 10 67
,
6



G
м
3
/(кг∙с
2
) абсолютная погрешность
11 10 005
,
0



G
м
3
/(кг∙с
2
).
3. Измеряемые величины.
Абсолютная погрешность измеряемых в лабораторной работе величин определяется по прибору. а)
При использовании грубых приборов абсолютная погрешность равна половине цены деления шкалы прибора:
2 1
д
ц


б) При использовании приборов, содержащих дополнительную уточняющую шкалу нониуса, абсолютная погрешность берется равной цене деления шкалы нониуса:
.д
ц


в) При использовании электроизмерительных приборов абсолютная погрешность рассчитывается по формуле:
100
А




, где

- класс точности прибора,
А
- предел измерения.
Существует 8 классов точности приборов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5;
1,0; 1,5, 2,5, 4,0, поэтому  может принимать одно из перечисленных значений.
Предел измерения А означает: для приборов с односторонней шкалой - верхний предел измерения; для приборов с двухсторонней шкалой – сумма пределов измерений по левой и правой частям шкалы.
4. Величина, определяемая из графика.
Абсолютная погрешность величины, взятой из графика, также находится из графика как изменение ординаты, вызванное изменением абсциссы на
а

:
)
(
)
(
)
(
a
f
a
a
f
a
f






10
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
При косвенных измерениях искомая величина является функцией одного или нескольких аргументов:
,...)
,
,
(
c
b
a
f
U 
Величины
,...
,
,
c
b
a
находятся непосредственно из эксперимента.
Сначала находят среднее значение и абсолютную погрешность каждого аргумента. Затем рассчитывают среднее значение искомой величины:
,...)
,
,
(









c
b
a
f
U
Величину абсолютной погрешности вычисляют по формуле:
2 2
2
































c
c
f
b
b
f
a
a
f
U
Запишем эту формулу для нескольких частных случаев: а)




c
b
a
U
2 2
2








c
b
a
U
б)
m
l
k
c
b
a
U 
2 2
2
































c
c
m
b
b
l
a
a
k
U
U
В лабораторных работах приведены формулы для расчета абсолютных погрешностей искомых функций.
ЗАПИСЬ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО РЕЗУЛЬТАТА ИЗМЕРЕНИЙ
Окончательный результат измерения должен быть представлен в стандартной форме записи. Для этого:
1) абсолютную погрешность измерения округляют до первой значащей цифры;
2) результат измерения округляют до того разряда, до которого округлена абсолютная погрешность;
3) результат измерения должен содержать до запятой одну значащую цифру.
Например:
0004
,
0 000381
,
0


a
м;
0624
,
0 06243
,
0


 a
м;
2 10
)
04
,
0 24
,
6
(
)
(









a
a
a
м
ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ
1. Графики нужно строить на миллиметровой бумаге.
2. При построении графика следует заранее выбрать масштаб, нанести деления масштаба по осям координат. Значения независимого аргумента откладываются на оси абсцисс, а по оси ординат откладываются значения функции.

11 3. По координатным осям необходимо указать не только откладываемые величины, но и единицы измерения.
4. При выборе масштаба надо стремиться к тому, чтобы кривая занимала весь лист. Шкала для каждой переменной может начинаться не с нуля, а с наименьшего округленного значения и кончаться наибольшим.
5. После этого нанести на график экспериментальные точки.
Экспериментальные точки соединяют между собой карандашом плавной кривой, без резких искривлений и углов.
6. Кривая должна охватывать возможно больше точек или проходить между ними так, чтобы по обе стороны от нее точки располагались равномерно.

12
ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА № Э1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
МЕТОДОМ ЗОНДА
Цель работы: построить эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля между электродами определенной конфигурации.
Приборы и принадлежности: блок питания, электролитическая ванна, два электрода, пантограф, вольтметр, гальванометр, реостат, миллиметровая бумага.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 1. Схема установки: А, В – электроды; С – зонд; G – гальванометр; V – вольтметр; R – потенциометр; Т – понижающий трансформатор.
Установка для изучения картины электростатического поля состоит из ванны с двумя электродами А и В, наполненной электролитом (вода с растворенными в ней солями) (рис.1). На дно ванны нанесена координатная сетка с центральной осью ОX (рис.2).
Напряжение на электроды подается от понижающего трансформатора
Т. Изучению подлежит электростатическое поле, создаваемое электродами А и В с помощью зонда С.
Пусть зонд установлен в некоторой точке поля, потенциал которой необходимо определить. Перемещая движок реостата R, находят на нем такую точку Д, чтобы ее потенциал был равен

13 потенциалу точки С. В этом случае ток не проходит через гальванометр G. Значение потенциала исследуемой точки поля С можно определить с помощью вольтметра V (рис.1). Для зарисовки эквипотенциальных линий на бумаге служит пантограф (рис.2).
Рис. 2. Устройство пантографа.
Схема рычагов пантографа устроена так, что все положения в ванне зонда, закрепленного рычагом 1, воспроизводятся фиксацией острия проволоки, прикрепленной к рычагу 2. При нажатии сверху на острие проволоки, пружина рычага 2 укорачивается, и конец острия делает отметку на бумаге, закрепленной на столике пантографа.
Таким образом, процесс изучения исследуемого поля сводится к следующему: для каждого установленного значения потенциала находят путем перемещения зонда в ванне соответствующую эквипотенциальную линию и фиксируют ее с помощью пантографа.
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Закрепить на столике пантографа лист бумаги (один лист на маршрут).
2. Включить с разрешения лаборанта или преподавателя установку в сеть.
3. Установить измерительный зонд на центральной оси Х вблизи первого электрода.
4. Перемещая движок реостата R, установить гальванометр G на ноль. Нажимая сверху на острие пантографа, отметить на бумаге данное положение зонда в поле.
5. В таблицу 1 записать потенциал данной точки по показанию вольтметра и координату х (положение зонда) по делениям координатной оси на дне ванны.
6. Для определения эквипотенциальной линии сместить зонд влево от центральной оси на 2 см. Не изменяя положения движка