Лабораторки ФИЗИКА
.pdfМіністерство освіти і науки України Державний вищий навчальний заклад «Криворізький національний університет» Кафедра фізики
навчально-методичний посібник
ФІЗИКА
методичні вказівки до лабораторного практикуму
частина І
КЛАСИЧНА МЕХАНІКА. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА
для студенів інженерно-технічних спеціальностей усіх форм навчання
Кривий Ріг 2013
1
Укладачі:
Т.В. Грунтова, асист. каф. фізики ДВНЗ «Криворізький національний
університет» |
|
|
|
О.І. Перевертайло, |
асист. каф. фізики |
ДВНЗ |
«Криворізький |
національний університет»
Рецензент:
Є.О. Несмашний, докт. техн. наук, проф., зав. каф. фізики ДВНЗ
«Криворізький національний університет»
Відповідальний за випуск:
Є.О. Несмашний, докт. техн. наук, проф., зав. каф. фізики ДВНЗ
«Криворізький національний університет»
Даний навчально-методичний посібник охоплює першу частину лабораторного практикуму з курсу загальної фізики «Механіка, молекулярна фізика і термодинаміка» та містять всі необхідні матеріали для аудиторної і самостійної роботи студентів: короткі теоретичні відомості, опис лабораторних установок, порядок виконання лабораторних робіт, питання для самоконтролю, якісні задачі, перелік рекомендованої літератури, елементи теорії похибок, додатки тощо. Мають на меті допомогти студентам у засвоєнні теоретичного матеріалу і здобуванні навичок самостійної дослідницької роботи з фізики.
Відповідають чинній програмі курсу загальної фізики і призначені для
студентів інженерно-технічних спеціальностей усіх форм навчання.
Розглянуто на засіданні |
Схвалено вченою радою |
кафедри фізики |
електротехнічного факультету |
(протокол № 12 від 11.06.2013) |
(протокол № від ) |
2
ЗМІСТ |
|
ВСТУП...................................................................................................................... |
5 |
РОЗДІЛ І. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ................ |
6 |
Лабораторна робота № 1 ..................................................................................... |
6 |
Лабораторна робота № 2 ................................................................................... |
10 |
Лабораторна робота №3 .................................................................................... |
13 |
Лабораторна робота №4 .................................................................................... |
17 |
Лабораторна робота №5 .................................................................................... |
21 |
Лабораторна робота №6 .................................................................................... |
25 |
Лабораторна робота №7 .................................................................................... |
28 |
Лабораторна робота №8 .................................................................................... |
32 |
Лабораторна робота №9 .................................................................................... |
35 |
Лабораторна робота №10 .................................................................................. |
38 |
Лабораторна робота №11 .................................................................................. |
42 |
Лабораторна робота №12 .................................................................................. |
46 |
Лабораторна робота №13 .................................................................................. |
50 |
Лабораторна робота №14 .................................................................................. |
54 |
Лабораторна робота №15 .................................................................................. |
57 |
Лабораторна робота №16 .................................................................................. |
61 |
Лабораторна робота №17 .................................................................................. |
65 |
Лабораторна робота №18 .................................................................................. |
69 |
Лабораторна робота №19 .................................................................................. |
72 |
Лабораторна робота №20 .................................................................................. |
76 |
Лабораторна робота №21 .................................................................................. |
80 |
Лабораторна робота №23 .................................................................................. |
83 |
Лабораторна робота №24 .................................................................................. |
87 |
РОЗДІЛ ІІ. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ВИМІРЮВАНЬ ................................... |
90 |
Елементи теорії похибок................................................................................... |
90 |
Класифікація похибок........................................................................................ |
92 |
Обчислення похибок при прямих вимірюваннях........................................... |
94 |
Обчислення похибок при непрямих вимірюваннях....................................... |
98 |
Графічні методи опрацювання результатів вимірювань.............................. |
101 |
Визначення параметрів лінійної залежності................................................. |
104 |
Правила округлень в розрахунках.................................................................. |
107 |
ДОДАТКИ............................................................................................................ |
109 |
Якісні задачі...................................................................................................... |
109 |
Додаткові дані до лабораторних робіт........................................................... |
113 |
Фізичні константи............................................................................................ |
115 |
Множники і префікси утворення десяткових кратних одиниць................. |
116 |
Основні одиниці СІ.......................................................................................... |
117 |
Визначення похибок функцій однієї змінної ................................................ |
118 |
Визначення похибок функцій кількох змінних ............................................ |
119 |
Психрометрична таблиця................................................................................ |
120 |
Коефіцієнти Стьюдента................................................................................... |
121 |
Виконання вимірювань штангенциркулем.................................................... |
122 |
Виконання вимірювань мікрометром ............................................................ |
126 |
Приклад складання висновку до лабораторної роботи................................ |
128 |
Загальні рекомендації до порядку виконання лабораторних робіт............ |
129 |
ЛІТЕРАТУРА....................................................................................................... |
130 |
4
ВСТУП
Лабораторні роботи є першим кроком наукового експерименту, що передбачає використання теоретичних знань в експериментальних дослідженнях і практичній роботі та підтверджує їх достовірність. До виконання лабораторної роботи слід приступати після засвоєння необхідного теоретичного матеріалу та ознайомлення з лабораторною установкою.
Лабораторні роботи виконуються бригадами по 2 - 3 чол., що зумовлено як зручністю такої роботи, так і вимогами техніки безпеки. До початку виконань лабораторних робіт всі студенти проходять вступний, а під час роботи з кожною лабораторною установкою, поточний інструктажі з техніки безпеки. До виконання лабораторної роботи допускаються студенти, що мають належним чином оформлену заготовку звіту (номер і назва лабораторної роботи, мета роботи, обладнання, короткі теоретичні відомості, схема лабораторної установки, заготовки звітних таблиць). Студентам, згідно контрольним запитанням, рекомендується захищати свої лабораторні роботи до або в процесі їх виконання. За наявності допуску студенти виконують лабораторні роботи відповідно до інструкцій.
Результати вимірювань студент заносить у таблицю звіту і надає для перевірки викладачеві. Рекомендується узгоджувати результати вимірювань та їх обробку з викладачем кілька разів протягом виконання роботи, що значно підвищить ефективність роботи студентів та позбавить їх необхідності повторних розрахунків чи вимірювань. Обробка результатів вимірювань полягає у розрахунку шуканої величини та оцінці похибок вимірювань. Розрахунки бажано виконувати в одиницях СІ. Графіки будуються безпосередньо на листках звіту, або на міліметровому папері та вклеюються у звіт. Лінія, що виражає залежність величин повинна бути плавною, а відхилення експериментальних точок по обидва боки від неї – приблизно однаковими. Звіт слід закінчувати короткими висновками.
При оцінюванні враховуються робота студента в лабораторії, якість звіту та відповіді студента на контрольні запитання, вчасність здачі робіт.
5
|
|
РОЗДІЛ І. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лабораторна робота № 1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
ВИЗНАЧЕННЯ ГУСТИНИ ТВЕРДИХ ТІЛ |
|
|
||||||
|
Мета роботи: |
визначити |
густину |
твердих |
тіл правильної |
та |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
неправильної геометричної форми. |
|
|
|||
|
Обладнання: |
тверді тіла правильної (куля, циліндр, куб) та |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
неправильної форми; штангенциркуль; мензурка, терези. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Опис лабораторної установки |
|
|
|||
|
2 |
|
|
|
|
|
В |
роботі |
використовується |
металева |
||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
циліндрична мензурка |
1 (рис. 1.1), |
що |
має |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
міліметрову шкалу 2 на зовнішній поверхні |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
циліндра, і прозору вертикальну трубку 3, що |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разом з циліндром утворює сполучені посудини. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мензурка заповнюється |
дистильованою водою |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
Рис. 1.1 |
|
|
|
приблизно до середини її висоти. При зануренні |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
тіла неправильної форми у воду, рівень води в мензурці й трубці буде підніматися на висоту h , що вимірюється спостерігачем за шкалою.
Короткі |
теоретичні відомості |
|
||
Густина однорідного тіла |
ρ – фізична величина, що |
вимірюється |
||
відношенням маси тіла m до його об’єму V : |
|
|||
|
ρ = |
m |
|
(1.1) |
|
V |
|||
|
|
|
||
Якщо тіло неоднорідне, то формула (1.1) визначає середню густину тіла.
Об’єм досліджуваного тіла правильної геометричної форми (кулі, циліндра чи куба) визначаються відповідно за формулами:
V = |
1 |
πD3 , |
(1.2) |
6 |
к |
|
|
де Dк – діаметр кулі; |
|
6
V = |
1 |
πD2 H |
|
, |
(1.3) |
|
ц |
||||
4 |
ц |
|
|
||
|
|
|
|
||
де Dц – діаметр циліндра; Hц – висота циліндра; |
|
||||
V = abc , |
|
|
(1.4) |
||
де a , b, c – лінійні розміри куба ( його ширина, довжина та висота).
Об’єм тіла неправильної форми дорівнює об’єму витісненої ним води:
V = πD2 h , (1.5) 4
де D – внутрішній діаметр мензурки; h – висота підняття води в мензурці.
Порядок виконання роботи
Тіло правильної геометричної форми
1.Визначте масу тіла (кулі, циліндра та куба) за допомогою терезів.
2.Виміряйте штангенциркулем необхідні геометричні розміри тіл (діаметр, довжину, ширину та висоту).
3.Обчисліть об’єми тіл (кулі, циліндра, куба) за виразами (1.2), (1.3) та (1.4).
4.За формулою (1.1) обчисліть густину речовини з якої виготовлене тіло.
5.Дії в пп. 1-4 виконайте не менше 5 разів, заносячи щоразу отримані результати до відповідної таблиці.
|
|
|
|
|
Таблиця 1.1 Куля |
mі , |
Dі , |
Vі , |
ρі , |
ρ − ρі , |
( ρ − ρі )2 , |
№ |
|
м3 |
кг/м3 |
кг/м3 |
кг2/м6 |
кг |
м |
||||
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Середнє: |
|
Сума: |
7
|
|
|
|
|
|
Таблиця 1.2 Циліндр |
mі , |
Dі , |
Hі , |
Vі , |
ρі , |
ρ − ρі , |
( ρ − ρі )2 , |
№ |
|
|
м3 |
кг/м3 |
кг/м3 |
кг2/м6 |
кг |
м |
м |
||||
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Середнє: |
|
Сума: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 1.3 Куб |
№ |
mі , |
aі , |
bі , |
cі , |
Vі , |
ρі , |
ρ − ρі , |
( ρ − ρі )2 , |
|
кг |
м |
м |
м |
м3 |
кг/м3 |
кг/м3 |
кг2/м6 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Середнє: |
|
Сума: |
Тіло неправильної форми
1.Визначте масу досліджуваного тіла за допомогою терезів.
2.Штангенциркулем виміряйте внутрішній діаметр мензурки.
3.За шкалою на мензурці зафіксуйте початковий рівень води в трубці.
4.Опустіть прив’язане до нитки досліджуване тіло на дно мензурки та визначте висоту підняття води h в трубці відносно початкового рівня.
5.Повторіть пп. 2-5 неменше 5 разів (внутрішній діаметр мензурки слід вимірювати в різних її перетинах) та занесіть результати вимірювань до звітної таблиці.
6.За формулою (1.5) обчисліть об’єм води витісненої тілом.
7.За формулою (1.1) визначте густину матеріалу, з якого виготовлено тіло.
8
Таблиця 1.4 Тіло неправильної форми
№ |
m³ , |
D³ , |
h³ , |
V³ , |
ρ³ , |
|
|
ρ − ρ³ |
|
, |
( ρ − ρ³ )2 , |
|
|
||||||||||
кг |
м |
м |
м3 |
кг/м3 |
|
|
кг/м3 |
кг2/м6 |
|||
|
|
|
|||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Середнє: |
|
|
|
|
|
Сума: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. Для кожної з таблиць 1-4 розрахуйте середні значення густин 
ρ
:
|
1 |
n |
|
|
ρ = |
∑ρi , |
(1.6) |
||
|
||||
|
n i=1 |
|
||
де n - кількість значень.
9. Обчисліть середньоквадратичні відхилення:
S = |
∑n ( ρ − ρi )2 |
|
||||
i=1 |
|
(1.7) |
||||
n(n −1) |
||||||
|
|
|
||||
10.Обчисліть абсолютні похибки: |
|
|
|
|
||
ρ = tn,α S , |
(1.8) |
|||||
де tn,α - коефіцієнт Стьюдента. |
|
|
|
|
||
11.Для кожної з таблиць 1-4 запишіть остаточний результат: |
|
|||||
ρ = ρ ± ρ |
(1.9) |
|||||
12.Розрахуйте відносні похибки обчислень: |
|
|||||
ε = |
|
ρ |
100% |
(1.10) |
||
|
|
|||||
|
|
ρ |
|
|||
13. Сформулюйте та запишіть висновок до роботи.
Контрольні запитання до лабораторної роботи № 1
Міжнародна система одиниць (СІ). Густина, питома вага, питомий об’єм речовини, їх одиниці вимірювання. Штангенциркуль, мікрометр, ваги: будова та робота з ними. Абсолютна та відносна похибки. Клас точності та похибка приладу.
9
Лабораторна робота № 2
ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ КІНЕМАТИКИ І ДИНАМІКИ ПОСТУПАЛЬНОГО І ОБЕРТАЛЬНОГО РУХІВ ТВЕРДОГО ТІЛА
Мета роботи: вивчити закони кінематики і динаміки поступального та обертального рухів твердого тіла, визначити прискорення вільного падіння.
Обладнання: лабораторна установка, секундомір.
|
|
|
|
|
Опис лабораторної установки |
|
||
|
|
|
|
1 |
Лабораторна |
установка |
(рис. 2.1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
складається з |
блоку (1) і двох важків (2) і (3), |
||
|
ε |
|
m0 |
|
зв’язаних між |
собою |
нерозтяжною, |
невагомою |
|
|
|
|
|
||||
|
R |
O |
|
|
ниткою (4). |
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Блок може обертатись навколо |
нерухомої |
||||
|
|
|
|
|
||||
T1 |
|
|
T |
|
горизонтальної осі O , що проходить через його |
|||
|
|
3 |
2 |
2 |
||||
|
|
a |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
геометричний центр, який співпадає з центром мас |
|||
|
|
|
|
|
блоку. |
|
|
|
a |
R |
|
R |
|
|
|
|
|
|
m1g |
|
m2g |
|
Короткі теоретичні відомості |
|||
Рис. 2.1 |
Обертання блоку здійснюється силами тертя |
|
|
спокою між ниткою і ободом блоку. |
|
Якщо нерозтяжна нитка не проковзує по поверхні блоку, то дотичне |
|
прискорення точок поверхні блоку aτ , дорівнює прискоренню нитки a в
будь-якій її точці, а значить, і прискоренню важків, тобто:
a = aτ = εR , |
(2.1) |
де ε - кутове прискорення блоку; R – радіус блоку.
В даній роботі перший важок має більшу масу ніж другий (m1 > m2 ). Тому при обертанні блока важок (1) опускається, а важок (2) підіймається. На кожний важок діє сила тяжіння і сила реакції нитки, що й показано на рисунку. Користуючись другим законом Ньютона, запишемо рівняння руху відповідно для важків (1) та (2):
10