книги / Механика.-1

3

1.ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ

ВЛАБОРАТОРИЯХ КАФЕДРЫ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью изучения курса физики. Цель работ – дать студенту возможность самому воспроизвести некоторые физические явления, научить его обращению с основными физическими приборами и ознакомить с важнейшими методами измерений. Студент должен приобрести навыки ведения лабораторного журнала, построения графиков, оценки достоверности полученных результатов и оформления отчета.

Общие методические указания

1.На каждое лабораторное занятие студентам необходимо приносить с собой:

а)лабораторныйжурнал(тетрадьвклеткунеменее48листов); б) несколько листов миллиметровой бумаги формата А4; в)клей для вклеивания графиков; г) калькулятор для инженерных расчетов (можно один на

несколько человек); д)ручку, карандаш ирезинку;

е)линейку длиной 25–30 см.

2.К выполнению каждой лабораторной работы студенты должны быть подготовлены следующим образом:

а) ознакомиться с темой и названием выполняемой работы, изучить теоретический материал по теме выполняемой работы и понимать физическую сущность изучаемого явления;

б) подготовить лабораторный журнал к выполнению лабораторной работы.

4

3.Отчет о лабораторной работе заносят в лабораторный журнал.Вотчетеприводят:

а) на новой (правой) странице журнала номер и название лабораторной работы, перечень приборов и принадлежностей, цель работы и дату проведения работы;

б) краткую теорию по теме лабораторной работы, включая вывод основной рабочей формулы и формулы для оценки погрешностей результатов эксперимента;

в)схемуэкспериментальнойустановки; г) таблицы с результатами измерений и вычислений, рас-

четы, графики; д) ответы на контрольные вопросы.

4.Оформление лабораторногожурнала:

а) все записи в журнале выполняют аккуратно ручкой (не карандашом);

б)таблицывычерчиваюткарандашомполинейке; в)насхемеустановкиобозначаютвсеееэлементы;

г) графики строят на миллиметровой бумаге карандашом, затемвклеиваютихвлабораторныйжурнал.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.Выполнение работы начинают с детального изучения лабораторной установки. Необходимо записать заводские номера измерительных приборов, их технические характеристики, цену деления шкалы приборов. Включать приборы разрешается только после проверки установки преподавателем или лаборантом.

2.Проведению серии измерений предшествуют пробные замеры, с помощью которых проверяют соответствие результатов измерений ожидаемым результатам.

3.Далее приступают к основным экспериментам.

4.Данныеосновнойсерииизмеренийзаписываютвтаблицу.

5

5.После выполнения измерений производят расчеты искомых величин и их погрешностей. Все черновые записи тоже делаются

влабораторном журнале.

6.Строят необходимые графики.

7.Окончательный результат представляют в стандартном виде: указывают среднее значение измеряемой величины, абсолютную и относительную погрешности, вычисленные по методу Стьюдента, и надежность измерений.

Например, результат измерений плотности твердого тела

встандартном виде выглядит так:

ρ= (6,5 ± 0,3)·103 кг/м3, ε = 5 % при = 0,95,

где ρ – обозначение плотности твердого тела; 6,5 – среднее значение плотности (среднее значение величины обозначается чертой над символом либо угловыми скобками); 0,3 – абсолютная погрешность измерения (округляется до первой значащей цифры или до первых двух, если первая значащая цифра – единица); 103 – общий множитель; ε = 5 % – относительная погрешность

(ε= 6,50,3 ·100 % ~ 5 %); = 0,95 – коэффициент надежности.

Оформление таблиц

Каждую таблицу желательно вычерчивать на новой странице, оставляя место над таблицей (5 см) и под таблицей (10 см).

Над таблицей указывают названия приборов, класс точности, цену деления шкалы прибора и др.

Желательный размер клеток 1,5 2,5 см. Таблица выполняется в полном объеме для соответствующего количества измерений (в задании приводится лишь заготовка таблицы – верхняя и нижняя ее части). Место под таблицей необходимо для повторных измерений, если они потребуются.

6

В верхней строке таблицы указывают обозначения измеряемых или рассчитываемых величин, единицы их измерения, включая множитель, на который установлен переключатель чувствительности измерительного прибора. Запись отсчетов производится в делениях шкалы измерительногоприбора.

Результаты в таблицу записывают ручкой, не допуская сплошного зачеркивания, замазывания корректором или стирания уже записанного. Если был записан ошибочный результат, то его следует аккуратно зачеркнуть (так, чтобы его можно было прочитать) и записать рядом верный.

Правила построения графиков

Результаты измерений и вычислений во многих случаях удобно представлять в графическом виде. Графики строятся на миллиметровой бумаге карандашом. Размер графика – не менее половины страницы лабораторного журнала.

На лист наносят координатные оси. Независимая величина (аргумент) откладывается, как правило, по горизонтали. На концах осей указывают обозначения физических величин и их размерности. Затем на оси наносят масштабные деления с удобным для прочтения интервалом. Порядок масштаба (10±п) выносится на конец оси. Точка пересечения осей не обязательно должна соответствоватьнулю по одной или обеим осям.

Начало отсчета по осям и масштабы следует выбирать следующим образом:

а) чтобы линия графика заняла все поле графика (рис. 1.1); б) чтобы наклон линии был близок к 45°.

После выбора начала отсчета и масштаба по осям на лист наносятся экспериментальные точки. Их обозначают маркерами: маленькими кружками, крестиками, треугольниками и т.п., размеры которых могут соответствовать погрешности измерений в масштабе графика. После этого строится собственно график,

7

т.е. проводится плавная кривая так, чтобы она проходила как можно ближе к нанесенным точкам.

Готовый график сопровождается подписью и вклеивается в лабораторный журнал (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость степени поляризации света от числа стеклянных пластинок

Если известно из теории, что экспериментальная зависимость должна быть линейная, то по экспериментальным точкам проводится прямая, параметры которой определяются по методу наименьших квадратов (прил. II).

8

2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Виды измерений и погрешностей

Каждая лабораторная работа физического практикума связана с измерениями тех или иных физических величин. Под измерением понимается сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения.

Различают измерения прямые и косвенные.

Прямые измерения производятся с помощью приборов, непосредственно определяющих значение измеряемой величины (длина измеряется линейкой, штангенциркулем; время ‒ секундомером; сила тока ‒ амперметром и т.д.).

При косвенных измерениях неизвестная величина определяется по результатам прямых измерений других величин, с которыми она связана определенной формулой. Например, плотность вещества ρ вычисляют через измеренные массу m и объем

тела V по формуле m /V ; электросопротивление проводника

R ‒ через измеренные напряжение U и силу тока I по формуле

R U / I и т.д.

Одной из важнейших особенностей физического экспери-

мента является то, что при измерениях любой величины мы не можем получить ее истинное значение. Никакие измере-

ния не могут быть абсолютно точными, измеренное значение величины всегда отличается от истинного ее значения. Это объясняется принципиальной невозможностью устранить все посторонние влияния на процесс измерения. Факторы, вызывающие неточность измерений, могут иметь различный характер. Например, измерения могут быть неточными из-за вибрации экспериментальной установки, случайных неконтролируемых изменений внешних воздействий (температуры, влажности, дав-

9

ления; наводки в электрической цепи), ограниченной точности приборов, несовершенства методики измерений, ошибок округления и т.д.

Иначе говоря, измеряя какую-либо величину, мы всегда получаем результат с некоторой погрешностью (ошибкой). Погрешность измерения может быть абсолютной x и относительной . Эти характеристики не являются независимыми.

На способах определения х подробно остановимся ниже. Относительной погрешностью измерений называют отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

x . x0

Поскольку х0 – величина неизвестная, то на практике х0 заменяют найденным из опыта среднеарифметическим значением x, поэтому

в долях единицы. Но ее часто выражают в процентах, для этого правую часть (2.1) надо умножить на 100.

Таким образом, в ходе физического эксперимента помимо непосредственного измерения величины необходимо решить задачу нахождения наиболее вероятного значения измеряемой величины и оценки абсолютной и относительной погрешности. Эту стадию эксперимента назовем обработкой результатов. После ее завершения экспериментатор может сформулировать общий результат, в котором указывается интервал x x , с большой вероятностью содержащий истин-

ное значение измеряемой величины.

10