ГМИ методичка

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.О. Григоров, Н.В. Зудинов, К.Л. Восканян, А.Г. Саенко

Руководство к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Методы и средства гидрометеорологических измерений»

Практикум

РГГМУ

Санкт-Петербург

2018

Введение

Настоящее «Руководство к лабораторным работам по курсу «Методы и средства гидрометеорологических измерений» представляет собой набор описаний лабораторных работ, которые предлагается выполнить студентам, изучающим данный курс. Изучение курса в РГГМУ проводится в течение двух семестров. В процессе выполнения лабораторных работ студенты закрепляют знания, полученные ими на лекциях о практических занятиях, а также приобретают навыки работы с измерительными приборами, овладевают методикой обработки результатов измерений и составлению отчетных документов.

Предполагается, что к моменту начала работы в лаборатории студенты уже ознакомлены с основными физическими измерительными приборами (например, в лаборатории физики). В данной лаборатории основное внимание уделяется изучению именно физических принципов, которые заложены в основу метеорологических измерительных приборов. В этом состоит основное отличие работы в лаборатории от работы на учебной практике, где основное внимание уделено результатам измерений атмосферных параметров и их последующему анализу. В процессе работы в лаборатории студенты знакомятся с такими понятиями, как чувствительность прибора, его инерция, его специфические погрешности.

Работа в лаборатории организована так, что каждый студент перед выполнением работы обязан сдать коллоквиум – пройти собеседование с преподавателем, в ходе которого контролируются знания студентом основных сведений из теории, а также готовность студента к выполнению данной работы (порядок действий, техника безопасности и т. п.). При неудовлетворительной подготовке студент не допускается к выполнению работы и должен повторить подготовку. Все записи во время работы студент проводит в специальной тетради, которая должна сохраняться в течение семестра. Записи на отдельных листках не допускаются. После домашней обработки результатов измерений каждый студент обязан написать отчет, который сдается преподавателю и проверяется им. Форма отчета приведена в Приложении 1.

Ранее при подготовке лабораторных работ использовалось «Руководство к лабораторным работам по экспериментальной физике атмосферы», написанное в 1969 году сотрудниками кафедры

4

Рекомендации по применению компьютерных программ для обработки

результатов лабораторных работ

Вбольшинстве лабораторных работ по курсу «Методы и средства гидрометеорологических измерений» студенты должны про­ вести­ ряд измерений и на их основе построить графики некоторых зависимостей, а также вычислить те или иные параметры, характеризующие исследуемые методы измерений.

Так в лабораторной работе «Исследование терморезисторов» студенты,изменяятемпературутерморезистора,измеряютегосопротивления. Данные заносят в таблицу, на их основе строят график и вычисляют значение температурного коэффициента сопротивления.

Влабораторной работе «Исследование тепловой инерции термометра» студенты должны изучить изменение температуры термометра от времени и на основе своих измерений определить коэффициент тепловой инерции термометра.

Вдругих лабораторных работах изучаются иные зависимости, но в большинстве работ требуется построить графики исследуемых зависимостей и на их основе определить те или иные численные значения величин.

Вруководствах к работам даны рекомендации по решению вышеперечисленных задач. Эти рекомендации предполагают ручную процедуру построения графиков и определения требуемых пара­ метров.

Вданном разделе приводятся общие для всех работ рекомендации по использованию ПК для ускорения оформления работ. Кроме того компьютерные программы позволяют избежать рутинных процедур, которые были необходимы в докомпьютерную эпоху.

Вкачестве одного из вариантов для решения описываемых задач рассматривается частный случай, а именно: использования электронных таблиц Excel из пакета Microsoft Office.

Итак, открываем программу Excel и видим на экране примерно следующее (Рис. 1) – большую часть поля занимает таблица со столбцами, обозначенными буквами латинского алфавита,

6

Рис. 1. Исходное окно программы Excel

исо строками, пронумерованными от 1 и далее. Сверху таблицы расположены панели инструментов позволяющие выбирать те или иные действия (например, вставка, разметка, формулы, данные,

идр.). В ячейки таблицы можно заносить различную информацию: числа, текст, формулы и др.

Итак, запомним главное: от того, что мы занесем в компьютер, зависит результат, который мы получим. Компьютер не умеет думать за Вас, но он может Вам помогать.

Простейшие навыки помогут Вам легко и без ошибок выполнить многие рутинные действия. Например: нужно занести данные измерений, выполненные через каждые 5 секунд. В первый столбик

впервую строку запишем 0, а во вторую строку – 5. Далее выделим две эти ячейки и наведём указатель мышки на маленький чёрный квадратик в правом нижнем углу выделения (Рис. 2). «Протянув» мышкой этот квадратик вниз, Вы получите весь столбец, заполненный арифметической прогрессией (Рис. 3).

Этот прием позволяет не только автоматически заполнять столбцы данными, но, что более важно, автоматизировать вычисления по однотипным формулам, но с различными исходными данными.

7

Теперь несколько слов о построении графиков. Пусть во втором столбце Вы занесли результаты Вашего эксперимента. Теперь, выделив оба столбца, выбираете «Вставка–График». В открывшемся окне выбираете тип графика и всё. Остальное компьютер сделает за Вас. Нужно только подсказать ему, какой тип графика необходим для данной работы. Чаще всего придётся выбирать точечный график. Это именно то, что требуется по обработке результатов лабораторной работы.

На этом первая часть работы окончена. Но можно продолжить работу с программой, получая дополнительную помощь от компьютера.

Эта часть состоит в аппроксимации данных по методу наименьших квадратов. В простейшем случае – это линейная аппроксимация, но в ряде работ придётся использовать нелинейную аппрокси­ мацию.

Пример 1. Заносим в таблицу Excel результаты измерения сопротивления металлического терморезистора от температуры (Рис. 4-а). Выделив

ячейкиA2:B7, построим график (Рис. 4-б).

Наводим мышь на любую из точек графика и щелчком правой кнопки вызываем контекстное меню (как говорит один мой хороший товарищ: «Работая в незнакомой программе, когда не знаешь, что делать, чаще щелкай правой кнопкой мыши»). В выпавшем меню выбираем «Добавить линию тренда…».

В появившемся окне «Линия тренда» на вкладке «Тип» выбираем «Линейная» (Рис. 5-а). Далее на вкладке «Параметры» ставим галочку в пункте «Показывать уравнение на диаграмме» (Рис. 5-б) и нажимаем «ОК».

На графике появилась прямая линия, аппроксимирующая нашу табличную зависимость (Рис. 6). Мы видим кроме самой линии уравнение этой линии. Именно по этому уравнению мы можем определить R0 = 994,95 Ом, а также температурный коэффициент для металлического терморезистора α = 4,1 10–3 К–1.

8

а)

б)

Рис. 4. Построение графика зависимости сопротивления терморезистора от температуры: а – таблица измерений сопротивления терморезистора; б – график зависимости сопротивления от температуры

Несколько более сложной задачей будет нелинейная аппроксимация. В этом случае необходимо правильно выбрать вид аппроксимирующей функции. Для термистора зависимость сопротивления

a

от температуры носит экспоненциальный характер R = AeT . Следует обратить внимание, что в этой формуле используется абсолютная температура в Кельвинах. Для построения аппроксимирующей функции необходимо в таблицу измерений занести данные о температуре в Кельвинах.

При определении коэффициента тепловой инерции термометра следует учесть одну очень важную деталь. Так как зависимость температурыотвремениноситэкспоненциальныйхарактерсасимптотой, равной значению температуры окружающей среды, нельзя

9

а)

б)

Рис. 5. Окно «Линия тренда»: а – вкладка «Тип»; б – вкладка «Параметры»