Аксенова Лабораторный практикум курса обсчей физики 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Раздел «Электричество и магнетизм»

Под редакцией В.Ф. Федорова

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

ВВЕДЕНИЕ. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Важную роль в изучении фундаментальной дисциплины физики играет физический эксперимент, поскольку физика, по определению, – наука экспериментальная. Поэтому лабораторным занятиям по физике следует уделять достаточно большое внимание.

Основным требованием при работе с установками фирмы PHYWE в лаборатории «Электричество и магнетизм» остается требование соблюдения правил техники безопасности. Такие требования есть в каждой лабораторной работе. Тем не менее отметим еще раз, что при любых неполадках или коротком замыкании необходимо немедленно выключить источник тока (рубильник). Необходимо бережно относиться к электрическим приборам, не ронять их. Прежде чем приступить к выполнению работы, нужно внимательно прочитать и приложение к лабораторной работе, находящееся на рабочем месте, и следовать указаниям, содержащимся в приложениях.

Для измерения физических величин на установках фирмы PHYWE используются универсальные цифровые вольтметры и многофунциональные цифровые мультиметры. Поэтому при подготовке к работе необходимо изучить описания основных приборов лабораторного комплекса, обратив внимание на порядок работы с используемыми измерительными приборами. Приступая к сборке электрических схем, нужно обратить внимание на соблюдение полярности в цепи постоянного тока. Сначала рассчитать пределы изменения измеряемых величин, а затем установить соответствующие диапазоны измерения на приборах.

Начиная с третьего семестра, в лабораторном практикуме используются статистические методы обработки результатов физического эксперимента. Поэтому предварительно следует проработать и изучить руководство В.В. Светозарова «Основы статистической обработки результатов измерений». Необходимо научиться грамотно излагать результаты эксперимента и писать отчет о проделанной работе.

Напомним, что в отчете должны быть отражены следующие моменты: цель работы, схема установки, содержание заданий с необ-

4

ходимыми таблицами, расчет основных величин и погрешностей, графики и заключение по работе.

В заключении необходимо коротко описать суть изучаемого явления и методику эксперимента, указать основные результаты, изложить их обсуждение и дать анализ погрешностей.

При подготовке нужно уяснить цель лабораторной работы: что, каким методом и с использованием каких приборов будет измеряться. В лабораторном журнале указать цель работы, дать краткое описание используемых приборов, а также аккуратно начертить карандашом схему установки.

Следует тщательно продумать и в журнале начертить карандашом таблицы к каждому заданию с учетом того, что результаты эксперимента должны заноситься в таблицы непосредственно в делениях шкалы прибора, поэтому на каждую измеряемую величину в этом случае необходимо предусмотреть три графы в заготовленной таблице: 1 – измеряемая величина в делениях шкалы; 2 – цена деления шкалы прибора в данном эксперименте; 3 – измеряемая величина в физических единицах ее измерения.

Необходимо выписать основные расчетные формулы для обработки экспериментальных результатов и вывести формулы для расчета погрешностей. Если в работе предстоит измерять какуюлибо табличную величину, например работу выхода электрона из данного материала, удельный заряд электрона и т.д., полезно заранее выяснить табличное значение измеряемой величины и записать его в журнале.

Для самоконтроля готовности к работе рекомендуется (устно) ответить на контрольные вопросы. Именно эти моменты проверяются преподавателем в первую очередь при допуске студента к лабораторной работе. При этом предполагается, что при подготовке к работе студент использует рекомендованную к данной работе литературу и введение к данной работе.

Почти к каждой лабораторной работе по разделу «Электричество и магнетизм» должна быть составлена отдельная таблица, куда студенты в лаборатории заносят данные приборов, используемых в эксперименте, номинальные значения сопротивлений, индуктивностей и емкостей с указанием погрешностей. Наличие этих данных позволяет определить приборные погрешности, кото-

5

рые в большинстве случаев превышают статистические случайные погрешности.

Если же в работе существенным является и вклад случайных погрешностей, то для их расчета используется метод Стьюдента. Напомним последовательность расчета погрешностей и оформления результатов.

Измеряем и получаем значения случайной величины Xi. Сначала исключаем промахи, т.е. заведомо неверные результаты.

По оставшимся n значениям определяем среднее значение величины X:

< X >= ∑Xi / n .

i

Вычисляем среднеквадратичную погрешность среднего значения X:

Задаемся доверительной вероятностью α. С помощью таблицы коэффициентов Стьюдента определяем по известным значениям числа измерений n и доверительной вероятности α коэффициент Стьюдента tαn.

Находим случайную погрешность X сл :

X сл = tαnσ < X > .

Для цифровых измерительных приборов приборная погрешность X пр определяется по паспортным данным, которой при-

мерно соответствует доверительная вероятность α = 0,99.

X прямого измерения величины X:

6

X = X сл2 + X пр2 .

Записываем результат с указанием доверительного интервала и доверительной вероятности:

X = (< X > ±ΔX )10k , α = …,

где k – порядок величины X.

При косвенных измерениях искомая величина Х вычисляется по результатам прямых измерений величин ai , связанных с искомой

определенной математической зависимостью: X = X (a1, a2 , ..., an ) . В этом случае среднее значение < X > определяется по средним

значениям < ai > :

< X >= X (< a1 >, < a2 >, ..., < an >) .

Погрешность X при косвенных измерениях вычисляется по формуле:

где ai – погрешности прямых измерений величин ai , определенные по вышеизложенной методике для одного и того же значения

α; ∂X – частные производные функции Х по переменным ai .

∂ai

Если математическая зависимость представляет собой произве-

7

центре которых расположены экспериментальные точки, или в виде прямоугольника, стороны которого равны доверительным интервалам (рис. В.1). Кривая, описывающая функциональную зависимость измеренных величин, должна проходить через доверительные интервалы возможно ближе к экспериментальным точкам. Не следует соединять точки ломаной линией. На каждом участке графика экспериментальные точки должны располагаться примерно поровну по обеим сторонам кривой. В случае линейной зависимости при построении графика могут быть использованы метод парных точек, метод наименьших квадратов и др.

Рис. В.1

9

ОПИСАНИЯ ОСНОВНЫХ ПРИБОРОВ

Источник питания универсальный стабилизированный

(Constanter Universal) 13500.93

Рис. 1

Универсальный источник питания (рис. 1) предназначен для использования в цепях постоянного и переменного тока. Источник питания имеет два выходных канала – постоянного (DC) и переменного (AC) тока.

При постоянном токе:

плавная регулировка выходного напряжения в диапазоне 0,05– 18 В (пульсации напряжения не более 5 мВ);

режим ограничения силы тока (плавная регулировка предельного тока в диапазоне 0–5 А).

При переменном токе:

дискретная регулировка выходного напряжения (U = 2; 4; 6; 8; 10; 12; 15 В);

10