практикум_механика (1) (Физический практикум по механике (лабник))

Н.Б.БУТКО, С.П.СТЕПИНА,

Л.В.КОНОВАЛЬЦЕВА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ОБЩЕЙ ФИЗИКЕ

Раздел:

МЕХАНИКА

Москва

2015

Н.Б.Бутко, С.П.Степина, Л.В.Коновальцева Лабораторный практикум по курсу «Общая физика. Механика.» – М.:РУДН, 2015. – 220 с.

Пособие предназначено для студентов I курса, обучающихся на факультете физико-математических и естественных наук.

Подготовлено на кафедре прикладной физики.

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие «Лабораторный практикум по общей физике. Раздел Механика» является составной частью учебно-методического комплекта «Лабораторный практикум по общей физике» и является началом в комплексном обучении студентов в физической лаборатории.

Предлагаемое учебное пособие содержит описание и рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Общая физика» раздел «Механика». В каждом описании даются основы теории явления, экспериментально изучаемого студентами в условиях лаборатории «Механика», обсуждаются постановка эксперимента, методика проведения измерений и обработки результатов. Контрольные вопросы для самостоятельной работы студентов приведены в пособии Н.Б.Бутко, С.П.Степина «Методические рекомендации и задания для самостоятельной работы по физике. Механика».

Количество и темы выполняемых лабораторных работ определяет преподаватель согласно рабочему плану для каждой специальности. Подготовку к лабораторной работе, назначенной преподавателем, студент выполняет самостоятельно. Выполнение лабораторной работы происходит только в лаборатории (при необходимости помогает лаборант).

В данном пособии сохранена нумерация лабораторных работ, представленных в предыдущих сборниках.

ПОРЯДОК ПОДГОТОВКИ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

И ПРАВИЛА ЕЕ ОФОРМЛЕНИЯ

Для выполнения измерений по лабораторной работе студенту необходимо предварительно ознакомиться по конспекту лекций или по рекомендованному учебнику (стр.218 ) с теорией того физического явления, которое предстоит исследовать экспериментально.

Следующий этап подготовки – это ознакомление с описанием данной лабораторной работы, в котором изложена теория рекомендованного экспериментального метода исследований и его ограничения, дано описание экспериментальной установки, а также методики измерений, которую также необходимо изучить заранее.

Для самоконтроля усвоения материала необходимо ответить на ряд вопросов (стр.5-6 ), которые формируют первую часть отчета по лабораторной работе. Правильность ответов проверяется преподавателем и служит допуском студента к выполнению лабораторной работы.

Получив от преподавателя допуск на выполнение лабораторной работы, студент должен:

- ознакомиться с устройством экспериментальной установки и провести необходимое количество измерений;

- заполнить отчет по лабораторной работе п.1011-145

При защите лабораторной работы студент предоставляет полностью оформленный отчет и отвечает на теоретические вопросы по теме (Н.Б.Бутко, С.П.Степина «Методические рекомендации и задания для самостоятельной работы по физике. Механика»). При защите лабораторной работы на усмотрение преподавателя студенту могут быть предложены задачи.

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № ______

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Какое физическое явление исследуется в работе?

4. Какой основной закон описывает исследуемое явление?

• Какую физическую величину определяет этот закон (указать причинно-следственные связи между величинами, входящими в формулу)?

• Какие величины влияют прямо или косвенно на значение определяемой законом величины?

1. Какой физический метод рекомендуется в работе для исследования данного явления?

• Указать ограничения метода и перечислить факторы, определяющие несоответствие теоретически ожидаемых и практически получаемых результатов.

1. Зарисовать схематический чертеж основных элементов экспериментальной установки.

2. Какую физическую величину необходимо определить в работе (название, символическое обозначение, единицы измерения)?

• Как находится эта физическая величина (записать расчетную формулу без вывода)?

1. Дать перечень величин, измеряемых прямым методом (название, символическое обозначение, единицы измерения).

2. Записать величины, определяемые косвенным методом (название, символическое обозначение, единицы измерения).

3. Начертить таблицы для записи экспериментальных результатов для каждого упражнения, выполненные либо по образцу, рекомендованному в описании работы, либо составленные самостоятельно.

При выполнении лабораторной работы:

1. Занести все значения измеряемых величин в таблицы, выполненные либо по образцу, рекомендованному в описании работы, либо составленные самостоятельно.

2. Записать в соответствующие таблицы значения всех заданных величин, используемых в качестве параметра, а также абсолютные ошибки их измерения.

3. Произвести окончательную запись полученного результата с учетом статистической обработки измерений.

4. Выполнить соответствующие графические построения на миллиметровой бумаге.

5. Провести сравнительный анализ полученных экспериментальных и теоретических значений исследуемой величины.

ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ.

Помимо изучения теоретического материала программа по курсу физики включает выполнение студентами лабораторных работ. Чтобы стать квалифицированными специалистами, каждому студенту необходимо приобрести навыки экспериментатора, изучить современную исследовательскую аппаратуру и научиться работать с ней, овладеть разнообразными методиками самостоятельных экспериментальных исследований, методами математической и графической обработки полученных результатов, а также оценки ошибок проведенных измерений.

Поставленные задачи решаются на протяжении всего периода изучения курса физики в лабораториях общего физического практикума. Каждая лабораторная работа предусматривает самостоятельное выполнение и обработку измерений студентами, анализ и защиту полученных результатов.

2. ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ.

Физическая величина – это количественная характеристика явления, процесса или свойства материальных объектов.

Измерение – это последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемая с целью нахождения физической величины.

Измерить какую-либо физическую величину – это значит сравнить ее с другой однородной с ней величиной, которая принята за единицу меры. Единицы меры устанавливаются системой единиц измерения.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ.

В лабораторном практикуме студент встречается с прямыми и косвенными измерениями.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных, т.е. либо определяют его непосредственным сравнением с мерой, либо при помощи измерительных приборов. Примеры: измерение температуры термометром, измерение силы тока амперметром, измерение длины линейкой и т.д.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят с помощью вычислений по формуле, в которую входят величины, измеренные прямым методом. Пример: нахождение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам.

3.2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ.

Как бы ни были совершенны методы исследования и применяемые приборы, каково бы ни было постоянство условий, в которых эти приборы используются, измерения неизбежно сопровождаются ошибками. Поэтому каждый раз получается только приближенное значение величины.

Для характеристики степени приближения к истинному значению вводится понятие абсолютной и относительной погрешностей измерений.

Абсолютная погрешность (абсолютная ошибка) измерения – величина, показывающая, насколько найденное значение может отличаться от истинного значения измеряемой величины. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Точность измерений характеризуется относительной погрешностью (относительной ошибкой) , показывающей, какую долю измеренной величины составляет абсолютная погрешность, и определяемой как отношение абсолютной погрешности к полученному в результате измерений численному значению измеренной величины:

Относительные ошибки выражаются обычно в процентах и часто называются точностью измерения.

По типам ошибки (погрешности) делятся на кратковременные, случайные, систематические, грубые.

Кратковременные ошибки возникают в результате неисправности средств измерений, резких колебаний напряжения питания, изменений температуры, влажности, давления и т.д. Многократное повторение измерений способствует выявлению таких ошибок. Кратковременные ошибки при расчёте погрешности не учитываются, а исключаются путем изменения постановки эксперимента, например, путем стабилизации питающего напряжения.

Случайными называются ошибки, которые случайным образом изменяют свою величину и знак при повторных измерениях одной и той же физической величины в одинаковых условиях одним и тем же прибором. Случайная погрешность возникает как результат совместного действия большого количества факторов, характер и силу влияния которых на результат мы заранее не можем предсказать. Так, они проявляются как результат приближенной оценки показаний приборов, неточности задания разных величин в приборах, параллакса при отсчете. Иногда случайность ошибки заключается в существе изучаемого явления (космическое излучение).

Систематическими называются погрешности, остающиеся постоянными (т.е. сохраняющие величину и знак) или закономерно изменяющиеся от опыта к опыту при неизменных условиях. Систематические погрешности подразделяются на несколько групп.

1. Погрешности, величина и природа которых известна. В этом случае ошибку можно устранить внесением поправки:

Так в случае неточной градуировки прибора поправки указываются в паспорте прибора или графике поправок. Если начало масштаба линейки не удается совместить с концом измеряемого объекта, то поправка будет равна величине этого первоначального смещения.

2. Погрешности известного происхождения, но неизвестной величины. Примеры: неравномерность шкалы прибора, трение в подшипниках и т.д. Такие ошибки характеризуются предельной погрешностью – приборной ошибкой . Приборные ошибки учитываются как при планировании опыта, так и в окончательной записи результатов измерения. Так же, к систематическим ошибкам относятся погрешности округления . Они возникают при округлении целого ряда чисел, при считывании с цифровых приборов результата с конечным числом значащих цифр, при округлении результата по шкале стрелочных приборов.

3. Погрешности, о существовании которых мы не подозреваем, хотя величина их может быть значительной. Пример: погрешность измерения плотности вещества, в котором есть пустоты. Погрешности данного типа устраняются тщательной методикой проведения эксперимента (измерением других образцов и т.д.).

Кроме того, возможны грубые ошибки, существенно превышающие ожидаемую при данных условиях погрешность, возникающие при регистрации неверных данных. Например, неправильный отсчет показаний измерительного прибора, ошибка в записях и т.д. В случае выявления подобных ошибок, необходимо выявить их природу и провести повторные измерения, предварительно устранив причину грубых ошибок.

Таким образом, в физическом практикуме учитываются 4 вида погрешностей: поправки на систематическую погрешность , случайные ошибки измерений , приборная погрешность , ошибки округления . Поскольку поправки вносятся сразу в результат, то полная абсолютная погрешность измерения некоторой физической величины определяется квадратичным суммированием:

При вычислении суммарной погрешности по формуле (3) можно пренебречь любой из составляющих, если ее величина втрое или только вдвое меньше любой из остальных погрешностей. Более того, если три – четыре предварительных измерения показывают, что случайная погрешность не проявляется (при повторных измерениях получается один и тот же результат), дальнейшие измерения этой величины следует прекратить и вычислять только приборную погрешность и погрешность округления.