Министерство образования Российской Федерации

Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО

М Е Х А Н И К Е

Санкт-Петербург

Печатается по решению УМО вузов России по педагогическому образованию

Авторы: В.А.Бордовский, В.Т.Аванесян,

Н.И.Анисимова, В.И.Сельдяев

Научный редактор: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физической электроники С.Д.Ханин

Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения РГПУ им. А.И.Герцена В.Г.Бойцов; кандидат физико-математичес- ких наук, доцент кафедры физической электроники РГПУ им. А.И.Герцена

С.А.Потачев

Содержит описание 7 лабораторных работ по общей физике (механике), предназначенных для студентов факультетов технологии и предпринимательства, химии, биологии и института естествознания.

©Коллектив авторов, 2000

©Издательство РГПУ им. А.И.Герцена, 2000

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Физика - опытная наука, законы которой устанавливаются и проверяются в результате эксперимента. Работа в физической лаборатории является неотъемлемой частью процесса изучения как физических законов, так и методов физики. Лабораторные работы позволяют проиллюстрировать теоретические положения физики, познакомиться с приборами, приобрести опыт в проведении экспериментов. Для изучения физики выполнение цикла лабораторных работ просто необходимо. Лабораторные работы особенно ценны, когда проводятся физические измерения, устанавливаются количественные связи между наблюдаемыми величинами, анализируются полученные результаты.

В ходе выполнения лабораторных работ вырабатываются навыки и умения пользования измерительными приборами. Однако в процессе работы в лаборатории достигается и другая цель физического практикума - приобретение опыта проведения эксперимента, освоение методики анализа полученных результатов. Необходимо уметь подбирать требуемые приборы, собирать установку, проводить измерения с достаточной точностью, учитывать влияние различного рода погрешностей и оценивать точность окончательного результата, делать правильные выводы из эксперимента.

На всех этапах работы, безусловно, должна соблюдаться техника безопасности. К выполнению цикла лабораторных работ студенты допускаются лишь после знакомства с правилами техники безопасности, о чем они расписываются в журнале.

Выполнение лабораторных работ фиксируется в журнале. Рекомендуются следующие обозначения:

2 - на данное занятие назначена работа № 2; 2 - студент получил допуск на выполнение этой работы; 2 - работа выполнена; 2 - отчет по работе сдан;

2н, 2нг - студент не явился или удален за неподготовленность к работе.

В последнем случае номер этой работы вписывается еще раз в одну из пустых клеток графика в конце или середине семе-

4

стра. В лаборатории имеется график выполнения лабораторных работ на весь семестр.

Работы в лаборатории должны выполняться строго по графику. В случае пропуска занятия, на котором следовало делать работу, например № 2, студент к следующему занятию должен готовиться уже не к этой пропущенной работе, а к следующей по графику, поскольку работу № 2 будет выполнять другой студент. В случае пропуска занятия по уважительной причине преподаватель, проверив подготовленность, может дать письменное разрешение на выполнение работы в часы подготовки в присутствии лаборанта. Если же причина пропуска занятий была неуважительная, то эта работа откладывается на конец семестра.

Студент должен приходить на занятия подготовлен-

ным к очередной работе. В руководстве к каждой из них указаны вопросы и литература. Для подготовки и выполнения лабораторных работ студенту необходимо завести одну общую тетрадь. Дома в эту тетрадь студенту следует законспектировать руководство и сведения из рекомендованной литературы (но не переписывать полностью). В лаборатории выделены часы для самостоятельной подготовки.

Занятия начинаются с проверки подготовленности студента. Если обнаруживается, что студент не знает перечисленных в начале каждого руководства к работе вопросов, он к занятию не допускается и считается пропустившим его по неуважительной причине.

По окончании работы необходимо привести в порядок рабочее место, сдать лаборанту принадлежности, взятые под студенческий билет, после чего попросить преподавателя от-

метить в журнале выполнение работы.

Защита отчетов по выполненным работам проводится на специальных контрольных занятиях, включенных в график. Студент, не отчитавшийся за три работы, к выполнению следующих работ не допускается. Об образовавшейся задолженности преподаватель обязан сообщить в деканат и на кафедру.

При описании лабораторных работ авторы заимствовали некоторые вопросы из существующей методической литерату-

5

ры.

ОБЩИЕ ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ СТУДЕНТОВ В УЧЕБНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Прежде чем студент может быть допущен к выполнению цикла лабораторных работ в лаборатории, необходимо ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и неукоснительно выполнять ее требования.

Основные положения:

1. Прежде чем приступить к выполнению работы, внимательно ознакомьтесь с заданием, оборудованием, правилами обращения с приборами и проверьте их исправность.

2. В случае неисправности приборов и нарушения правил техники безопасности немедленно сообщите об этом преподава-

телю или лаборанту. Работа на неисправном оборудовании

запрещена.

3.При выполнении работ следует строго выполнять реко-

мендованный порядок. Не включайте без разрешения руководителя или лаборанта рубильники или другие приборы. От ошибочного включения может произойти несчастный случай или выйти из строя прибор.

4.Выполняйте только ту работу, которая вам поручена. Нельзя ходить без дела по лаборатории, так как этим вы отвлекаете внимание товарищей и оставляете без контроля свою установку.

5.При выполнении работы запрещается в лаборатории оставаться одному. Присутствие второго лица необходимо для оказания помощи при несчастном случае.

6.Запрещается находиться в лаборатории в верхней одежде. Нельзя загромождать рабочее место оборудованием, не относящимся к выполнению работы, сумками, портфелями.

7.По окончании работы необходимо привести в порядок свое рабочее место, заявить руководителю или лаборанту об окончании работы и сдаче приборов. Только после этого можно оставить лабораторию.

6

8. Обтирочный материал, использованный в работе, не разбрасывается по лаборатории, а убирается в мусорное ведро.

9. Если с вами или вашим товарищем произошел несчастный случай, немедленно сообщите об этом преподавателю или лаборанту и вместе с ними окажите первую помощь.

КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ!

1.Включать силовые рубильники.

2.Включать электрические схемы без предварительной проверки их преподавателем или лаборантом.

3.Устранять неисправности в электрических цепях без предварительного отключения напряжения.

4.Оставлять работающие установки без наблюдения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Во время выполнения работы студенту необходимо вести протокол измерений. В протокол заносятся непосредственные результаты измерений без какой-либо промежуточной обработки. Там же изображается рабочая схема установки, данные об измерительных приборах, их постоянные и т.д.

Если характер работы таков, что показания приборов удобно наносить непосредственно на график, то последний составляет часть протокола (графики наносятся только на миллиметровую бумагу). В протоколе должны фиксироваться не только окончательные результаты, но и результаты пробных, неудавшихся измерений и т.п. Желательно заносить в протокол и все возникшие в ходе работы соображения о возможных улучшениях методики измерения, о помехах, неисправностях и т.д. Кроме протокола не должно быть никаких дополнительных листочков, черновиков. Протокол не является окончательным, оформленным результатом работы, но он является единственным документом, по которому эти окончательные результаты могут быть получены. Протокол ведется таким образом, чтобы по нему можно было восстановить весь ход работы. Записи в протоколе должны вестись чернилами. В большинстве случаев показания приборов следует заносить в заранее составленные

7

студентами таблицы. Такой способ записи помогает лучше усвоить последовательность измерений при подготовке к работе, а при выполнении работы придает ей большую четкость, избавляет от нерациональных операций.

После выполнения работы протокол следует подписать у преподавателя. Протокол и отчет ведутся в одной тетради. По требованию преподавателя отчет по лабораторной работе может быть оформлен отдельно и сдан преподавателю. При выполнении лабораторной работы рекомендуется обратить внимание на следующее:

1.При сборке экспериментальной установки следует удобно расположить приборы, учитывая их высоту, степень использования при выполнении работы.

2.Следует стремиться к одинаковой точности измерений величин, по которым в дальнейшем рассчитывается окончательный результат. Нет смысла значительно повышать точность измерения одной из величин, если другая может быть измерена с гораздо более низкой точностью.

3.Сколько измерений той или иной величины следует проводить - одно, два, десять? Ответ на этот вопрос зависит от объекта и метода измерения. Здесь надо руководствоваться следующими соображениями. Если повторные измерения дают одинаковый результат, это означает, что точность ограничена только чувствительностью прибора. Поэтому в качестве погрешности берется погрешность градуировки прибора (определяется по классу точности, по величине наименьшего деления). Если же разброс значений при последовательных измерениях выходит за пределы точности прибора, повторные измерения необходимы. Их количество определяется как трудоемкостью измерения, так и местом измеряемой величины в ряду других величин, определяющих окончательный результат. Во многих случаях достаточна оценка ошибки, которая может быть сделана на основании трех-пяти измерений.

4.Сколько точек следует получить для построения графика? Это число должно быть таким, чтобы было обеспечено надежное проведение кривой. Отсюда следует, что "частота" измерений определяется видом зависимости: чем более монотонной и

8

плавной является зависимость между двумя величинами, тем меньшим может быть число экспериментальных точек, и наоборот, чем зависимость более сложная, чем более резко изменяется функция (Y) при изменении аргумента (X), тем большим должно быть число экспериментальных точек.

О приближенных вычислениях

При выполнении вычислений следует всегда руководствоваться практически необходимой точностью. Вести вычисления с точностью большей, чем это допускают данные задачи, бессмысленно.

При округлении руководствуйтесь следующими правилами:

1.Округление достигается простым отбрасыванием цифр, если первая из отбрасываемых цифр меньше, чем 5.

2.Если первая из отбрасываемых цифр больше, чем 5, то последняя цифра увеличивается на единицу. Последняя цифра увеличивается также и в том случае, когда первая из отбрасываемых цифр - 5, а за ней есть одна или несколько цифр, отличных от нуля. Например, различные округления числа 35.856 бу-

дут 35.86; 35.9; 36.

3.Если отбрасываемая цифра равна 5, а за ней нет значащих цифр, то округление производится на ближайшее четное число, т.е. последняя сохраняемая цифра оставляется неизменной, если она четная, и увеличивается на единицу, если она нечетная. Например, 0.435 округляем до 0.44; 0.465 округляем до

0.46.В этом случае при многочисленных округлениях избыточные числа будут встречаться примерно так же часто, как и недостаточные, т.е. будет иметь место их взаимная компенсация.

Из правил округления имеется существенное исключение: при округлении погрешностей последняя сохраняемая цифра увеличивается на единицу, если старшая отбрасываемая цифра 3 или больше 3.

Имея результаты измерений, можно определить верные, сомнительные и неверные цифры. Разряд сомнительной цифры совпадает с разрядом первой значащей цифры погрешности. Цифры, стоящие слева от сомнительной, называют верными, а

9

стоящие справа от сомнительной - неверными. Неверные цифры должны быть отброшены как в исходных данных, так и в окончательном результате расчета.

При округлении пользуются понятием о значащих цифрах. Все цифры числа, начиная с первой слева, отличной от нуля, до последней (может быть и нуль), называются значащими цифрами. К значащим цифрам относятся все верные и сомнительные цифры. К незначащим цифрам относятся: 1) нули в начале числа, определяющие разряды десятичных дробей в числах, меньших единицы; 2) нули в конце числа, заменившие цифры, отброшенные после округления; 3) неверные цифры, если они по каким-либо причинам не отброшены.

Например, числа 0.002583 ± 0.00003, 0.0258 ± 0.0002, 258 ± 2 содержат по 3 значащие цифры. В числе 2547 все числа значащие, так как ошибка не указана.

При сложении и вычитании округление всех чисел произ-

водится по правилам 1-3 до разряда на единицу меньшего, чем разряд наименее точного числа. В результате следует сохранять столько десятичных знаков, сколько их в приближенном данном с наименьшим числом десятичных знаков:

23.2 + 0.442 + 7.247 ≈ 23.2 + 0.44 + 7.25 = 30.89 ≈ 30.9.

При умножении и делении в результате следует сохранять столько значащих цифр, сколько их имеет приближенное данное

снаименьшим числом значащих цифр:

30.9×1.8394 ≈ 30.9 × 1.84 = 56.856 ≈ 56.9,

56.9 : 2.412 ≈ 56.9 : 2.41 = 23.609 ≈ 23.6.

При возведении в степень в результате следует сохранять столько значащих цифр, сколько их имеет возводимое в степень приближенное число:

(11.38)2 = 129.5044 ≈ 129.5.

При извлечении корня в результате следует сохранять столько значащих цифр, сколько их имеет подкоренное (приближенное) число:

2.97 =1.724 ≈ 1.72 .

При нахождении логарифма приближенного числа нужно брать из таблиц столько знаков, сколько верных знаков содержит данное число:

10