2012_phys_lp

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика

Лабораторный практикум

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Вологда

2012

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

2

УДК 530.1 ББК 22.5 Ф 50

Рецензент Домаков А.И., канд. техн. наук, профессор

Вологодского государственного педагогического университета

Ф 50 Физические основы механики, физика колебаний и волн, тер-

модинамика: лабораторный практикум / под ред. В.И.Богданова. Изд. 2-е испр.

– Вологда: ВоГТУ, 2012. – 175 с.

Представлены лабораторные работы по физике по первой части курса для студентов всех форм обучения и всех специальностей.

Составители:

Андреева А.В., ст. преподаватель Богданов В.И., профессор, д-р физ.-мат. наук Кузина Л.А., доцент, канд. физ.-мат. наук Мелконян Ш.Р., ст. преподаватель

Михайлов А.В., доцент, канд. физ.-мат. наук Попов В.А., ст. преподаватель

УДК 530.1 ББК 22.5

© Вологодский государственный технический университет, 2012

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

3

Лабораторная работа 1-01. Статистическая обработка результатов эксперимен-

Лабораторная работа 1-06. Определение коэффициента трения твердых тел. 46 Лабораторная работа 1-07. Определение момента инерции тела с помощью

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

4

Введение

Представлена первая часть физического практикума по курсу общей физики. Она состоит из 23 лабораторных работ по трем разделам: “ Физические основы механики”, “ Физика колебаний и волн” и “ Термодинамика”.

Поскольку в эксперименте важнейшая роль принадлежит оценке погрешностей измерений физических величин, то практикум предваряют 2 работы, посвящённые определению погрешностей при прямых и косвенных измерениях.

Выполнение лабораторной работы включает предварительную подготовку, проведение экспериментов и составление отчета о результатах исследований. В указаниях к каждой работе сформулирована цель работы, представлено теоретическое введение, методика измерений, описание установки, порядок выполнения работы и обработки результатов измерений.

Кафедрой физики подготовлены методические указания по оформлению отчетов по лабораторным работам, требований к допуску, защите работ и обработке результатов измерений.

Эти указания имеются в библиотеке и на сайте кафедры. Адрес сайта: http://physics.vstu.edu.ru. Образец оформления отчета по лабораторной работе также представлен на сайте кафедры.

Контрольные вопросы, приведенные в конце каждой работы, облегчают подготовку к ней и защиту. В конце лабораторной работы приведен список литературы, рекомендуемый для самостоятельной подготовки к выполнению лабораторных работ.

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

5

Общие указания к выполнению лабораторных работ

В лабораторном практикуме студенты, выполняя лабораторные работы, изучают физические явления, знакомятся с основными измерительными приборами и важнейшими методами измерений, овладевают навыками экспериментирования, обработки и анализа полученных результатов.

1.Правила оформления отчета по лабораторным работам.

1.1.Тетрадь для отчетов

a.Отчеты по лабораторным работам оформляются каждым студентом в отдельной тетради.

b.Тетрадь должна быть подписана на первой странице с указанием курса, группы и Ф.И.О. студента.

c.На первой же странице тетради должна быть таблица по форме 1.

d.Тетрадь сдается преподавателю при получении зачета по лабораторному практикуму.

e.Возможно оформление работ на компьютере с помощью редактора Word при наличии заверенных подписью преподавателя результатов измерений и при условии соблюдения всех правил оформления. В этом случае отчеты по каждой лабораторной работе оформляются на отдельных скрепленных между собой листах белой бумаги формата А4 и складываются в отдельную папку.

1.2.Оформление отчета.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

–№ лабораторной работы;

–название лабораторной работы;

–цель лабораторной работы;

–теоретическое введение;

–описание установки и методики измерения;

–таблицу с результатами измерений;

–обработку результатов;

–заключение (выводы).

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

6

Втеоретическом введении следует изложить сущность изучаемого физического явления (метода), законы, его описывающие, в виде сжатого конспекта.

Вописании установки и методики измерения необходимо привести перечень оборудования и приборов; описать метод определения величин, рабочую схему или экспериментальную установку; представить рабочую формулу.

Работа должна проводиться в полном соответствии с представленным ходом работы и в той последовательности, которая указана в работе.

Все результаты измерений, черновые записи, идеи должны быть занесены

втетрадь (в том числе в подготовительную таблицу). О том, как обрабатывать результаты измерений и вычислить погрешности (ошибки) измерений, сказано

вработе 1-01.

Заключение (выводы) должны содержать: конкретный количественный и качественный результат работы, аналогичные справочные или теоретические данные, сравнение собственных результатов с известными.

2.Требования к допуску, выполнению и защите лабораторных работ.

2.1.Допуск

Для допуска к выполнению лабораторных работ необходимо к ней подготовиться. Это означает следующее:

a. Предварительное (с помощью учебных пособий, методических указаний к лабораторной работе, конспекта лекций) ознакомление с изучаемым в данной работе физическим явлением, экспериментальной установкой и методикой исследования.

Студент должен быть готов к ответу на вопросы о том, какое явление изучается в данной работе; какие основные законы описывают это явление; какая физическая величина подлежит экспериментальному определению, что она собой представляет и от чего зависит.

Кроме того, необходимо быть готовым показать на схеме или на реальной лабораторной установке ее основные элементы, измерительные приборы и приспособления, охарактеризовать их назначение и принцип действия, представить вывод формулы для расчёта погрешности.

b. Наличие полностью оформленного отчета по предыдущей лабораторной работе и подготовленного отчета по выполняемой работе.

Если студент доказал свою подготовленность к занятию:

–представил отчеты по лабораторным работам;

–ответил на вопросы допуска;

то преподаватель расписывается в таблице №1 в графе "допуск" данной лабораторной работы.

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

7

Студенты, не подготовившиеся к выполнению работы (не получившие "допуск"), оформляют отчеты на занятиях. Лабораторную работу им придется выполнять во внеурочное время.

2.2. Выполнение

Следует последовательно провести все измерения, указанные в порядке выполнения работы. Данные внести в таблицы. Экспериментальные данные и промежуточное значение результата измерений необходимо показать преподавателю, с тем, чтобы получить его подпись в таблице по форме 1 в графе "выполнение". В конце занятия целесообразно представить отчет по выполненной работе и защитить предыдущую работу.

Учебная подгруппа для выполнения лабораторных работ делится на бригады по 2-3 студента. Каждая бригада выполняет работы по маршруту, установленному для этой учебной группы. В маршрутах предусмотрены занятия для защиты лабораторных работ и зачетное занятие. Студенты, выполнившие три лабораторные работы и не защитившие ни одной из них, к выполнению следующей работы не допускаются. Во время занятия они защищают выполненные работы, а пропущенную работу обязаны выполнить во внеурочное время.

2.3. Защита работ

Для защиты лабораторной работы следует представить полностью оформленный отчет (образец дан на сайте кафедры). В него входят результаты всех необходимых вычислений с указанием единиц измерения размерных физических величин. Если имеется серия однотипных опытов, то достаточно привести подробный расчет только для одного опыта.

Графические зависимости оформляются в соответствии с правилами построения графиков, выполняются на миллиметровой бумаге и подклеиваются в тетрадь. Допускается оформление графиков с помощью компьютера.

Окончательный результат, если это число, следует записать в виде:

A = Aср ± A ,

где A – измеряемая величина, Aср – ее среднее значение, A – погрешность в ее определении.

Полученные результаты сопоставляются с литературными (как правило, справочными) данными.

Обсуждение и анализ экспериментальных данных следует завершить краткими заключениями (выводами), которые должны говорить о достижении основных целей лабораторной работы.

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

8

В каждой работе приведены примерные контрольные вопросы. Они могут касаться исследованных в работе физических явлений и законов, методики измерений и обработки результатов. Задания для защиты включают в себя как качественные вопросы, так и простейшие задачи, имеющие непосредственное отношение к проделанной работе.

При оценке лабораторной работы учитывается качество оформления: все записи должны быть аккуратными и разборчивыми, рисунки, схемы и таблицы выполнены с использованием карандаша, линейки и других необходимых чертежных инструментов. При оформлении отчета следует ориентироваться на образец, приведенный на сайте и на стенде кафедры.

Лабораторная работа 1-01 Статистическая обработка результатов эксперимента.

Случайные погрешности результатов наблюдений интервалов времени

Цель работы: ознакомление со статистической обработкой результатов измерений и оценкой случайной погрешности измерений интервалов времени.

Теоретическое введение

Физика изучает наиболее общие закономерности явлений природы. Физика – экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. В основе любого эксперимента лежит измерение: последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемая с целью нахождения значения физической величины. Различают прямые и кос-

венные измерения.

При прямых измерениях определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно (например, определение длины стержня с помощью линейки) или при помощи измерительного прибора, проградуированного в соответствующих единицах (например, определение разности потенциалов на концах проводника с помощью вольтметра).

При косвенных измерениях измеряемая величина определяется (вычисляется) из результатов прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимостью (например, определение площади круга по измеренному диаметру).

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

9

Результат измерения дает лишь приближенное значение измеряемой вели-

чины. Погрешности результата измерения определяются разностью изме-

называют относительной погрешностью.

В зависимости от источников погрешностей измерений различают методические погрешности, связанные с выбором той или иной методики измерения данной величины (например, ускорение свободного падения тел можно определить через период колебаний математического маятника, а можно через расстояние, пройденное телом при свободном падении, и время, затраченное на это падение) и инструментальные (приборные) погрешности, связанные с несовершенством измерительной техники.

Погрешность, вносимая прибором при каждом отдельном измерении, связана с точностью прибора. Эта погрешность равна той доле деления шкалы прибора, до которой с уверенностью в правильности результата можно проводить отсчет. Обычно, если нет оговорок в паспорте прибора, приборная по-

грешность равна половине цены наименьшего деления шкалы.

По характеру проявления различают систематические, случайные по-

грешности и промахи.

Систематическая погрешность: при повторении одинаковых измерений она изменяется закономерным образом или остается неизменной. Например, у прибора сбит нуль отсчета, и он все время дает завышенный результат; при вычислении используем округленное значение констант и т. д. Этот вид погрешностей может быть учтен и существенно уменьшен путем введения поправок.

Случайная погрешность: при повторении одинаковых измерений она изменяется случайным образом, хаотично и не может быть заранее предсказана ни по величине, ни по знаку. Причиной появления случайных погрешностей являются неконтролируемые условия проведения эксперимента (вибрация здания, колебания напряжения в сети, перемещение воздуха в помещении и т.д.). Случайные погрешности оцениваются по данным многократных измерений методами математической статистики.

Промах: погрешность, возникающая в результате небрежности экспериментатора (например, неправильно снято показание, не по той шкале и т.п.).

Вологодский государственный технический университет

Физические основы механики, физика колебаний и волн, термодинамика: лабораторный практикум / под ред. Богданова В.И.

10

Промахи должны быть исключены из результатов измерения и анализу не подлежат.

Следует иметь в виду, что если в результате измерений случайная по-

грешность оказывается меньше приборной, то нет смысла увеличивать число измерений. Если случайная погрешность значительно меньше приборной, то измерение можно вообще выполнить лишь один раз. Другими словами, бессмысленно пытаться грубым прибором получить точное значение измеряемой величины.

Рассмотрим основные положения теории случайных погрешностей. Она базируется на двух главных предположениях, подтверждаемых опытом:

1.При большом числе наблюдений одинаково часто встречаются погрешности одинаковой величины, но разного знака.

2.Большие (по модулю) погрешности встречаются реже, чем малые, т.е. вероятность появления погрешности уменьшается с ростом величины погрешности.

Закономерности, связанные со случайными величинами, изучаются теорией вероятности. Будем использовать частотное определение вероятности. Оно эквивалентно принятому в математике, но является более наглядным и удобным. Это определение связано с представлениями о зависимости между вероятностью

ичастотой появления события, принятыми в повседневной практике.

Обозначим через dN (x) число измерений, для которых физическая вели-

чина X попала в интервал значений между x и x + dx , через N – полное число измерений. Соответственно следует говорить не о точном (истинном) значении величины Х , а некотором интервале ее значений, то есть о вероятности того,

что величина X имеет значения, лежащие в интервале между х и x + dx . Эту вероятность обозначают dp(x)

Значение функции f (x) численно равно вероятности того, что величина x

лежит в “ единичном” интервале вблизи заданного x. f (x) называется

плотностью вероятности или функцией распределения.

Вологодский государственный технический университет