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

1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО 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 1
Тольятти 2005

2
УДК 53
ББК 22.3
Л 12
Рецензенты:
С.В. Талалов – заведующий кафедрой «Общая и теоретическая физика», доцент, д.ф.-м.н.;
А.А. Викарчук - директор ФТИ, профессор, д.ф.-м.н.
Л 12 Лабораторный практикум по физике. Часть 1 Сарафанова
В.А., Цыбускина И.И., Грызунова Н.Н., 2005 – 95с.
Представлены методические указания к 14-ти лабораторным работам по разделам физики «Физические основы механики, статистической физики и термодинамики». 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, 2005.

3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель настоящего учебно-методического пособия – оказать помощь студентам-заочникам 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.
Предлагаемый «Лабораторный практикум» является отражением многолетней работы учебной физической лаборатории при
Тольяттинском государственном университете и составлен на базе лабораторных работ, представленных в ней. В соответствии с программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений
России данный лабораторный практикум содержит следующие разделы: «Механика»,
«Молекулярная физика и термодинамика».
Авторы выражают благодарность всему коллективу кафедры
«Общая физика» за создание физической лаборатории и постановку отдельных лабораторных работ.

4
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.

5
Отчет о лабораторной работе должен содержать:
1.
Титульный лист.
2.
Цель работы.
3.
Приборы и принадлежности.
4.
Схема установки.
5.
Расчетные формулы.
6.
Результаты измерений.
7.
Расчеты, графики.
8.
Выводы.

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

8 случае, если исследуемая величина имеет дискретный характер: число атомов в молекуле; число электронов в атоме.
Отклонение результата измерения от истинного значения 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.

9
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 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.

10
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





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

11
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.
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 № М1
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕМАТИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО И
ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЙ ТВЕРДОГО ТЕЛА С
ПОМОЩЬЮ МАЯТНИКА ОБЕРБЕКА
Цель работы: изучить поступательное и вращательное движение; определить кинематические характеристики тел, движущихся поступательно и вращающихся относительно неподвижной оси.
Приборы и принадлежности: маятник Обербека, секундомер, штангенциркуль, набор грузов.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Маятник Обербека (рис.1) представляет собой маховик с крестообразными стержнями 2, по которым могут перемещаться и закрепляться в нужном положении цилиндрические грузы 1 одинаковой массы. На оси маховика находятся два шкива 3, 4 различного радиуса. На один из шкивов наматывается нить 5. Нить перекинута через неподвижный блок 6. К концу нити прикреплена площадка 8. При помощи грузов 7 различной массы, помещаемых на площадку, маятник приводится во вращательное движение.
Рис. 1. Схема установки: 1 – цилиндрический груз; 2 – стержень; 3 – большой шкив; 4 – малый шкив; 5 – нить; 6 – блок; 7 – груз;
8 – площадка.

13
Если груз 7, удерживаемый на высоте h, отпустить, то он будет двигаться поступательно с некоторым ускорением а.
Воспользуемся формулой пути при равноускоренном прямолинейном движении:
2 2
0
at
t
V
h


. Отсюда, с учетом нулевой начальной скорости, получим формулу для расчета ускорения груза:
2 2
t
h
a 
,
(1) где t – время, за которое груз пройдет расстояние h.
Скорость в конце движения груза определяется по формуле:
at
V 
(2)
При падении груза маятник Обербека будет вращаться с некоторым угловым ускорением

Если нить, на которой подвешен груз массой m, нерастяжима и сматывается со шкива маятника Обербека без проскальзывания, то касательное ускорение точек, лежащих на поверхности шкива, будет равно ускорению опускающегося груза:
a
a 

Зная связь между касательным ускорением точек вращающегося шкива и его угловым ускорением:
R
a



, можно определить угловое ускорение маятника Обербека:
R
a
R
a




,
(3) где R - радиус шкива маятника.
Используя формулу связи между угловой скоростью тела и линейной скоростью точек тела, рассчитаем угловую скорость маятника Обербека:
R
V


(4)
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Расположить цилиндрические грузы массой m на концах стержней маятника Обербека симметрично относительно оси вращения.
2. Измерить штангенциркулем диаметр d шкива, на который будет наматываться нить. Записать радиус шкива:
2
d
R 
. Оценить абсолютную погрешность измерения радиуса R

по прибору.