Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
34.69 Mб
Скачать

Ä4n* jjgjg-Sf

1

i i |

®|й|: '-рй® aSseis

1§Ш

ШЩ

!;ШІ

ÉSipf І Щ

p i ®

*;Ѣ.

ІвнвІ ч ■ ШйЗ \ X

® - - ч •■< 3IÉ?)

ІЦЧ iSNШйМя’--

РУКОВОДСТВО

ЛАБОРАТОРНЫМ

ЗАНЯТИЯМ ПО ФИЗИКЕ

Под редакцией Л. Л, ГОЛЬДИНА

Издание второе, дополненное и переработанное

Д о п у щ е н о Министерством вы сш его и среднего специального образования С С С Р

в качестве учебн ого пособия для студентов ф и зи чески х специальност ей

вы сш их уч еб н ы х заведений

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»

ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕ

М о с к в а 1973

 

Г м . публичная.

 

пнучмо - Test*..

 

V.. > *. к

530

ЗЯЗйМПЛ- ■'•

УДК 530 (075.8)

ЧИТАЛЬНОГО 3AJ

Р 85

 

$ о Ъ І

Авторы:

Л.Л. ГОЛЬДИН, Ф. Ф. ИГОШИН, С. М. КОЗЕЛ,

Н.Н. КОЛАЧЕВСКИЙ, И. П. МАЗАНЬКО, Л. В. НОГИНОВА,

И.А. РАДКЕВИЧ, К. А. РОГОЗИНСКИЙ, ІО. А. САМАРСКИЙ

Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под ред. Л. Л. Г о л ь ­

д и н а, изд. 2-е, переработанное. Главная редакция

физико-математической

литературы изд-ва «Наука», 1973.

 

Книга содержит описание работ практикума по

общей физике Москов­

ского физико-технического института и рассчитана на

студентов физического

и физико-технического профиля. В отличие от обычных руководств к лабора­ торным занятиям, книга имеет вводный раздел, работы которого знакомят студентов с основами измерительной техники и с наиболее употребительными физическими приборами: с весами, с термопарой, с мостиком Уитстона, с по­ тенциометром, с микроскопом, с осциллографом и т. д.

В состав руководства входят работы по атомной физике, по физике твер­ дого тела и по ядерной физике. В отличие от некоторых других высших учеб­ ных заведений, в МФТИ эти разделы изучаются в курсе общей физики и представлены в общем практикуме.

В конце руководства содержатся приложения, в которые вынесено изло­ жение некоторых вопросов измерительной техники, описание электронных приборов, выпускаемых промышленностью, сведения о простейших электрон­ ных схемах, описание методов обработки результатов измерений и т. д. Эти сведения позволяют студентам, еще не подготовленным к чтению специальной литературы, сознательно пользоваться современными приборами и методами измерений.

Большое внимание уделено оценкам точности измерений и различным спо­ собам обработки экспериментальных результатов, в особенности простым графическим методам.

Рис. 346.

© Издательство «Наука», 1973 г., с изменениями

' Р

0231 —1825

92—73

 

042 (02)—73

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие..............................................................................................................

 

9

 

 

 

 

В в е д е н и е

 

 

 

 

Погрешности измерений. Советы и указания

 

§

 

1.

Измерения и погрешности измерений....................................................

11

§

 

2.

Случайные

и систематическиепогрешности............................................

13

§

 

3.

Вычисление

погрешностей. 1 .....................................................................

14

§

 

4.

Запись результатов о п ы т а ........................................................................

19

§

 

5.

Вычисление

погрешностей. II ..............................................................

20

§

6. Систематические погрешности и контрольные опыты. Класс точности

23

§

 

электроизмерительных приборов...........................................................

7. Средние величины..............................................................................................

26

§

8. Графические методы обработки результатов........................................

28

§

9. Приборы и изучаемое явление.......................................................................

30

§ 10.

Приближенные вычисления..............................................................................

31

§11.

Некоторые советы и указан ия.......................................................................

31

Р а з д е л п е р в ы й

Ознакомление с простейшими методами физических измерений

Р1. Изучение статистических ошибок, возникающих при измерении ин­

Р

2.

тенсивности космического излучения в лаборатории............................

36

Измерение линейных размеров и объемов твердых т е л ....................

44

Р

3.

Точное взвеш ивание........................................................................................

51

Р4. Определение электродвижущей силы гальванических элементов ком­

 

пенсационным методом................................................................................

58

Р

5. Измерение сопротивлений при помощимостаУитстона.......................

62

Р

6. Градуирование термопары ......................................................................

65

Р7. Измерение коэффициента линейного расширения стержня с помощью

 

 

микроскопа....................................................................................................

71

Р

 

8. Измерение скорости звука по методу сдвига фаз. .*..............................

80

Р

9. Изучение электронного осциллографа....................................................

85

 

 

Р а з д е л в т о р о й

 

 

 

Механика

 

Р

10.

Исследование прямолинейного движения тел в поле тяжести на ма­

94

 

 

шине А т в у д а ................................................................................................

Р

11.

Изучение законов вращательного движения на крестообразном маят­

99

 

 

нике Обербека .............................................................................................

Р12. Определение моментов инерции твердыхтел спомощью трифиляр-

ного подвеса...............................................................................

101

Р 13. Измерение скорости полета п у л и ...........................................................

105

1*

4

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

Р

14. Определение ускорения силы тяж ести ..................................................

и и зги б а

 

 

111

Р 15. Определение модуля Юнга из растяжения

и динами­

118

Р

16. Определение

модуля кручения

стержней

статическим

 

Р

17.

ческим методам и........................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

121

Исследование прецессии свободного гироскопа и измерение угловой

125

Р

18.

скорости его вращения...............................................................................

 

 

 

 

 

 

 

Изучение колебаний струны и градуировка шкалы частот звукового

129

 

 

генератора ...................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р а з д е л т р е т и й

 

 

 

 

 

 

Механика жидкостей и молекулярная физика

 

 

 

Р 19. Исследование стационарного потока жидкости в трубе....................

 

ме­

137

Р 20.

Определение

коэффициента

внутреннего трения жидкостей по

140

Р 21.

тоду С токса...................................................................................................

коэффициента

вязкости воздуха

по скорости течения

Определение

147

 

 

через тонкие т р у б к и ..................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

Р 22. Определение коэффициента теплопроводности газов и исследование

152

Р 23.

температурного скачка на стенках сосуда

...........................................

 

 

 

Определение коэффициента теплопроводности твердых т е л .............

 

159

Р 24.

Определение ср/сѵ методом Клемана и Д езорм а...............................

 

 

162

Р 25.

Определение ср/сѵ по скорости звука в газе

..........................

 

 

166

Р 26.

Измерение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении

170

Р 27.

Определение теплоемкости твердых тел .................................................

коэффициента

затухания

173

Р 28.

Измерение скорости распространения

и

178

Р 29.

ультразвука импульсным методом...........................................................

 

 

 

 

 

Измерение скорости ультразвука в жидкости с помощью ультразву­

188

Р 30.

кового интерферометра...............................................................................

 

 

поверхностного

натяжения

Изучение зависимости коэффициента

196

Р 31.

жидкости от температуры с помощью прибора Ребиндера.............

 

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

201

Р

32.

Измерение коэффициента поверхностного натяжения методом капил­

209

 

 

лярных в о л н ......................................................................................

 

 

 

 

 

'. . .

 

 

 

Р а з д е л ч е т в е р т ы й

 

 

 

 

 

 

 

Электричество и магнетизм

 

 

 

Р

33.

Электростатический вольтметр.................................................................

 

с помощью электролити­

214

Р

34.

Исследование электростатических полей

218

Р

35.

ческой в ан н ы ................................................................................................

 

 

 

 

 

(метод мас­

Определение заряда электрона по методу Милликена

224

Р

36.

ляных капель) ............................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

Измерениё удельного заряда электрона (отношение заряда электрона

230

Р

37.

к его массе)

...................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

Исследование электронной лампы (триода)..........................................

 

 

 

239

Р 38.

Ламповый вольтметр.................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

247

Р

39.

Определение

горизонтальной

составляющей

напряженности

маг­

252

Р

40.

нитного поля Земли и значения электродинамической постоянной

Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре при

256

Р 41.

помощи осциллографа

 

 

 

 

 

 

 

Исследование вынужденных колебаний в колебательном контуре

259

Р

42.

Исследование сдвига фаз

в цепи переменного т о к а ..........................

 

 

262

Р

43.

Закон Ома для цепи переменного тока................................................

 

 

 

 

265

Р

44.

Измерение емкости конденсаторов и

коэффициента самоиндукции

269

Р

45.

катушек с помощью мостов переменного т о к а .....................................

 

 

Исследование баллистического гальванометра...................................

 

 

274

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

5

Р 46.

Изучение релаксационных колебаний в схеме с газоразрядной лам:

 

Р 47.

п ой .........................................................................................................

283

287

Изучение параметрического возбуждения электрических колебаний

Р

48.

Измерение магнитной проницаемости диаипарамагнетиков

. . . .

293

Р

49.

Исследование полупроводников с помощью эффекта Холла

. . . .

296

Р 50.

Исследование газового р азр я д а ...................................................

299

 

Р

51.

Измерение магнитных характеристик ферромагнитных материалов

305

Р

52.

с помощью двойного яр м а .........................................................................

 

Исследование кривых гистерезиса ферромагнетиков в переменном

310

Р

53.

магнитном поле с помощью осциллографа...........................................

 

Определение точки Кюри ферромагнетика спомощью магнитометра

315

Р 54.

Исследование явления магнитострикции..................................

318

322

Р 55.

Исследование сегнетоэлектриков ..........................................................

325

Р

56.

Исследование эффекта Баркгаузена в ферромагнетиках........

 

Р 57.

Исследование доменной структуры ферромагнитной пленки при

 

 

 

помощи магнитооптического эффекта К е р р а ..............................

 

ЗЗІ

Р а з д е л п я т ы й Оптика и атомная физика

Р58. Определение фокусных расстояний положительных и отрицатель­ ных линз и положения главных плоскостей сложной оптической

 

 

систем ы ...............................................

; ........................................................

 

335

Р 59. Моделирование оптических приборов и определение их увеличения

343

Р 60.

Измерение

показателей преломления жидких н твердых тел с по­

352

Р 61.

мощью рефрактометра А б б е ......................................................................

 

Определение дисперсии стеклянных призм с помощью гониометра

356

Р 62.

Определение радиуса кривизны линзы по кольцам Н ью тона.............

361

Р 63.

Интерферометр Релея...................................................................................

 

366

Р 64.

Интерферометр Ж а м е н а .............................................................................

 

375

Р 65.

Изучение дифракции света..........................................................................

 

381

Р 66. Изучение дифракционной решетки с помощью гониометра.................

388

Р 67.

Дифракция света на ультразвуковых волнах в жидкости. Наблюдение

395

 

 

акустической решетки методом темного п о л я .....................................

 

Р 68. Изучение поляризованного света .........................................................

: ,

402

Р 69.

Изучение спектра атома водорода............. .......................................

410

Р

70.

Дифракция

рентгеновских л у ч е й ............................................................

 

414

Р 71.

Определение постоянной Планка по коротковолновой границе рент­

424

Р

72.

геновского

излучения . ................................................................................

Экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

431

 

 

и определение постоянной Планка .........................................................

 

 

 

 

Р а з д е л ш е с т о й

 

 

 

 

 

Ядерная физика

 

 

Р

73.

Измерение

коэффициентов поглощения у-лучей

в свинце, железе

436

 

 

и алюминии ...........................................

 

Р 74. Определение пробега а-частиц в воздухе...............................................

 

443

Р 75. Исследование схемы распада я-мезонов ...............................................

при помощи маг­

450

Р

76.

Исследование энергетического спектра ß-частиц

460

Р

77.

нитного спектрометра...................................................................................

 

Измерение

абсолютной активности препарата Со60 мегодом гамма-

467

Р

78.

гамма-совпадений..........................................................................................

 

Исследование кривой поглощения космических л у ч е й ....................

471

Р 79. Измерение углового распределения космических лучей....................

477

Р 80. Определение энергии гамма-квантов с помощью сцинтилляционного

480

 

 

спектрометра........................................

 

6

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

Р

81.

Применение

поверхностно-барьерного кремниевого счетчика для

487

Р

82.

спектрометрии заряженных ч асти ц ........................................................

гамма-квантов

(эффект

Исследование

резонансного

поглощения

 

Р

83.

Мёссбауэра)..........................................................................................................

 

 

 

нейтронов

 

501

Деление урана под действием тепловых

 

514

 

 

 

 

 

Р а з д е л с е д ь м о й

 

 

 

 

 

 

 

Физика

твердого тела

 

 

Р 84. Ядерный магнитный резонанс........................................................

 

...

521

Р

85.

Электронный

парамагнитный

резонанс, ..................................................

533

• Р 86. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника

.............в полу­

546

Р

87.

Исследование собственной и примесной фотопроводимости

559

 

 

 

проводниках . . .

. ............................................................................ - . .

 

 

 

 

 

Приложения

 

 

 

I.

О системах единиц

. •....................................................................................

 

 

 

566

II.

 

Свободные и вынужденные колебания в колебательном контуре . . .

569

§ 1,

Свободные колебания в к о н т у р е ..............................................................

 

 

569

§ 2.

Вынужденные колебания. Метод комплексных амплитуд ................

 

574

§ 3.

 

Установление колебаний...................

 

 

 

577

§ 4.

 

Резонанс............................................................................................................

 

 

 

 

 

578

III.

К работам по исследованию магнитных свойств ферромагнетиков . . .

581

§ 1.

Ферромагнетики................................................................................................

 

 

 

 

581

§ 2.

Напряженность

поля в образце..................................................................

 

 

584

§ 3. Индукция в образце......................................................................................

 

 

 

586

IV. Методы обработки наблю дений.......................

 

 

588

§ 1.

 

Распределение Пуассона...............................................................................

 

 

 

588

§ 2.

 

Распределение

Г а у с с а ..................................................................................

 

 

 

591

§ 3.

 

Метод наименьших

квадратов....................................................................

 

 

 

592

§ 4.

 

Критерии значимости. Метод %2 .................................................................

 

 

594

V.

 

Ионизационные

камеры и счетчики..................................................

 

'. . .

598

§ 1.

Введение.............................................................................................................

к а м е р ы

 

*

' ’ ’

59g

§ 2.

Ионизационные

 

£01

§ 3.

Пропорциональные счетчики.........................................................................

 

 

 

603

§ 4. Счетчики Гейгера...................................................................................

 

 

 

 

606

VI. Сцинтилляционные счетчики...................

 

 

 

611

§ 1. Сцинтилляторы.............................................................

 

 

 

 

612

§ 2.

Фотоэлектронные умножители....................................................

 

 

 

616

§ 3. Измерение ионизации с помощью сцинтилляционных счетчиков . . .

618

YH. Некоторые сведения об электронной аппаратуре.......................

 

619

§ 1.

Усилители......................................................................................

 

 

 

 

 

. £20

§ 2. Дискриминаторы...................................................................................................

 

 

’ ’ [

 

624 *

§ 3.

Схемы совпадении........................................................

 

 

 

625

§ 4.

Схемы антисовпадений. Схема дифференциального дискриминатора

627

§ 5.

Пересчетные схемы ........................................................

 

 

. .

.

. 629

§ 6. Пересчетные схемы на декатронах..........................

631

§ 7.

Математическое

дополнение..............................

 

] ‘ ] j ‘ ] ] ‘ ‘

( ] ' ‘

£35

СОДЕРЖАНИЕ

7

1.Поправки на мертвое время счетчиков и электронной аппарату­ ры (635). 2. Разрешающее время схем совпадений и случайные сов­ падения (637).

VIII. Некоторые электронные приборы, выпускаемые промышленностью

638

§ 1. Усилитель постоянного тока (микрорентгенометр типа «Кактус») . . .

638

§ 2. Схема совпадений ССА типа «Яблоня»......................................................

640

§ 3.

Пересчетный блок типа ВСП (от установки Б-2)

643

§ 4.

Радиометр

П П - 8 .............................................................................................

 

644

 

1. Блок газовых счетчиков УГС-1 (644). 2. Блок фотоумножителя

 

 

УСС-1 (645). 3. Высоковольтный выпрямитель ВСВ-2 (645). 4. Пе-

 

 

ресчетная схема ПСТ-100 (646).

649

§ 5. Пересчетная схема ПС-20 .............................................................................

 

§ 6.

Термопарный вакуумметр типа В Т -2 .........................................................

650

§ 7. Дифференциальный амплитудный анализатор ААДО-1 ....................

652

 

 

 

Таблицы

физических величин

 

1. Основные физические постоянные................................................................

660

2.

Плотности

некоторых элементов.................................................................

663

3.

Плотности

некоторых вещ еств.....................................................................

664

4. Скорость звука в различных средах............................................................

665

5.

Ускорение силы тяжести g (см/с2) на различных ш иротах.......................

666

6. Упругие свойства некоторых веществ .....................................................

666

7.

Некоторые постоянные газов .........................................................................

 

667

8. Некоторые тепловые постоянные газов ..................................................

668

9. Вязкость воздуха при различных температурах.....................................

668

10

Теплопроводность воздуха при различных температурах....................

669

11. Давление р и плотность р насыщенного водяного пара при различных

669

 

температурах........................................................................................................

 

12. Некоторые

постоянные жидкостей...............................................................

670

13.

Некоторые

постоянные жидкостей..............................................................

671

14

Вязкость некоторых жидкостей при различных температурах . . . .

672

15.

Коэффициенты поверхностного натяжения воды и анилина при раз­

672

16

личных температурах .......................................................................................

 

Удельная теплоемкость воды и скорость звука в воде при различных

673

17.

температурах.......................................................................................................

 

Точки кипения воды при различных барометрических давлениях . . .

673

18. Плотность воды при различных температурах........................................

673

19.

Некоторые постоянные твердых т е л ...........................................................

674

2Q.

Коэффициенты линейного расширения твердых т е л ...............................

675

21.

Некоторые тепловые постоянные твердых т е л ........................................

676

22.

Электрохимические эквиваленты...................................................................

677

23.

Э. Д. с. нормального элемента

Вестона при различных температурах

677

24. Э. Д. с. термопар при различных температурах........................................

678

25.

Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления

678

26.

металлических п роволок ......................................................................

 

Электрические свойства полупроводников..................................................

679

27. Толщина обедненного слоя и

удельная емкость кремниевых поверх­

679

28.

ностно-барьерных счетчиков.........................................................................

 

Удельное сопротивление и диэлектрическая проницаемость некоторых

680

 

диэлектриков.......................................................................................................

 

29.

Удельная электропроводность электролитов ...........................................

680

30.

Средняя энергия, расходуемая на образование одной пары ионов а-час-

681

 

тицами с энергией 5 МэВ .........................................................

' . . . . . .

31.. Энергия

однократной ионизации г а з о в .................................

681

32.

Работа

выхода электронов из металлов....................................................

€81

8

СОДЕРЖАНИЕ

 

33.

Пробивное напряжение воздуха между плоскими пластинами . . . .

681

34.

Магнитная восприимчивость элементов и соединений...........................

682

35.

Точки К ю р и .............................................

 

682

36. Свойства ферромагнитных материалов........................................................

683

37. Яркость некоторых источников с в е т а ........................................................

683

38. Длины волн спектральных линий, наиболее характерных для некоторых

 

 

элементов в видимой части спектра...........................................................

684

39. Длины волн ярких линий в спектре ртутной лампы П Р К -4 .............

684

40.

Длины волн некоторых ярких линий в спектре н е о н а .......................

685

41.

Характеристики оптических ст ек о л ............................................................

685

42. Коэффициенты преломления кристаллов для характерных спектраль­

 

 

ных линий ..........................................................................................................

 

686

43.

Коэффициенты преломления некоторых жидкостей для спектральной

 

 

линии D .............................................................................................................

 

686

44.

Коэффициенты преломления в о д ы ...............................................................

 

687

45. Коэффициенты преломления газов

при нормальных условиях для

 

 

линии D .............................................................................................................

 

687

46.

Вращение плоскости поляризации

в кварц е...........................................

687

ПРЕДИСЛОВИЕ

Второе издание «Руководства к лабораторным занятиям по фи­ зике» существенно отличается от первого. Изъяты некоторые старые работы, потерявшие, на наш взгляд, интерес. Добавлено большое число новых работ, в том числе целый новый раздел: физика твер­ дого тела. Работы по ядерной физике модернизированы. Добавлена работа по изучению эффекта Мёссбауэра. Добавлено новое при­ ложение, посвященное сцинтилляционным счетчикам, и полностью переработано приложение, в котором описываются электронные приборы, выпускаемые промышленностью.

Вместо системы СГС в книге теперь в основном применяется система СИ.

Основные идейные установки книги не изменились. Мы попрежнему считаем своей главной целью не только дать возможность студентам изучить на опыте важнейшие физические явления, но и научить их обращаться с разнообразными, в том числе с самыми современными, физическими приборами. Мы старались дать сту­ дентам необходимые навыки по наладке и проверке-аппаратуры. Большое внимание, особенно в последних работах книги, уделено правильному распределению времени эксперимента.

В описаниях работ особое внимание обращается на «подход» студента к задаче. Перед началом работы с помощью нескольких простых контрольных опытов студент должен убедиться в исправ­ ности аппаратуры и оценить ошибку измерений. Эти опыты часто определяют всю методику дальнейшей работы.

Описания к работам не претендуют на то, чтобы создать у студентов полное представление об изучаемых явлениях. Такое представление может возникнуть только в результате проработки лекций и чтения учебников. В описаниях сообщается тот минимум сведений, без которых невозможно связное изложение эксперимен­ тальной методики и сознательная постановка контрольных опытов. В некоторых случаях оказалось целесообразным вынести теорию близких по замыслу работ в один общий раздел. Такие разделы приведены в конце книги в виде приложений.

Большое внимание уделяется методам обработки результатов и, в особенности, методам графического анализа. Студент должен научиться выбирать правильный метод обработки результатов, менее всего чувствительный к погрешностям отдельных опытов, лучше

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ