Лаб физика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ФИЗИКИ

_______________________________________________________________

Физика

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

(колебания, волны и оптика)

для студентов дневного, вечернего и заочного отделений

Допущено УМО по образованию в области прикладной геологии в качестве учебного пособия для студентов ВУЗов,

обучающихся по специальностям 650100 «Прикладная геология», 650200 «Технология геологической разведки» и 650600 «Горное дело»

Москва 2012

Физика. Лабораторные работы (колебания, волны и оптика). Описание, формулы, таблицы, графики. Учебно-методическое пособие по лабораторному практикуму.

Составители: акад. РАЕН, д. ф. – м. н., зав. каф. физики РГГРУ, проф. В.Н. Родионов, д. ф. – м. н., проф. А.К. Сухорукова,

Настоящее пособие представляет собой сборник лабораторных работ по курсу общей физики для студентов традиционных видов обучения: дневной, вечерней и заочной форм, а также открытого дистанционного образования. Методические пособия по лабораторным работам являются 3-ей, завершающей частью курса общей физики, разработанного сотрудниками кафедры физики (учебник “Физика” В.Н.Родионова, А.М.Манделя). В начале каждой работы кратко изложена теория изучаемого в данной работе физического закона или явления. Подробно описан процесс выполнения работы. Даны формулы для определения изучаемых величин по результатам измерений. Расчеты могут выполняться студентами самостоятельно или с применением компьютеров в дисплейном классе. В конце каждой работы имеется перечень контрольных вопросов. Студентам предлагается выполнять лабораторные работы, проведя необходимые измерения на установках, а затем применять современные компьютерные технологии, включающие такие хорошо зарекомендовавшие себя пакеты программ, как Excel, Mathcad, MathLab, Origin, Mathematica, Maple

или другие по собственному выбору. Возможно выполнение лабораторных работ и без привлечения компьютера, однако очевидно, что время расчетов и вероятность ошибки в этом случае значительно возрастает. Таким образом, студентам предоставляется возможность самим оценить перспективность использования современных компьютерных технологий в инженерных расчетах. Работы построены таким образом, чтобы студенты освоили методику измерений и расчетов на наиболее простых физических моделях, имеющих в то же время и прикладное значение и способствующих более глубокому уяснению основополагающих физических принципов.

Пособие представляет собой дальнейшее развитие описания лабораторной базы кафедры и программ обработки результатов лабораторных работ, подготовленных всем коллективом кафедры, и основывается на предыдущих описаниях лабораторных работ [5, 6]. В модернизации установок и постановке новых работ принимали участие: А.И. Ивашура, Н.В. Камышов, В.А. Киселев, Н.Н. Соколов (№ 4,7)

4

ПАМЯТКА ДЛЯ СТУДЕНТОВ

1.На первом занятии в лабораторном практикуме по курсу общей физики студенты проходят инструктаж по технике безопасности и знакомятся с правилами выполнения лабораторных работ. После инструктажа они расписываются в журнале по технике безопасности.

2.Студент перед началом занятий должен подготовиться к выполнению лабораторной работы, заранее законспектировав описание лабораторной работы и прочитав соответствующие разделы учебников и учебных пособий, указанные в списке литературы. Конспект должен содержать: номер и название работы, цель, расчетные формулы, описание установки и таблицы, заполняемые в процессе измерений.

3.Преподаватель допускает студента к выполнению лабораторной работы только после опроса студента по теории и методике работы и проверки конспекта.

4.Во время выполнения лабораторных работ студенты должны находиться около своей лабораторной установки. Во время защиты работ – на свободных местах.

5.Результаты измерений заносятся студентом в таблицы его заранее подготовленного конспекта и подписываются преподавателем в конце занятия.

6.После окончания обработки результатов (включая определение погрешностей) лабораторная работа защищается преподавателю. Обработка результатов может проводиться вручную (в этом случае необходимо предъявить подробный расчет результатов и погрешностей измерений) или в дисплейном классе – при этом результаты расчетов подписывается у преподавателя, дежурящего в дисплейном классе. График работы дисплейного класса внесен в расписание кафедры.

7.Защиту работы необходимо провести в течение 2-х последующих занятий. При этом студент должен уметь объяснить полученные им результаты и знать теорию изучаемого физического явления или процесса. После защиты лист отчета сдается преподавателю, ведущему занятие, и хранится у него до получения студентом зачета по лабораторному практикуму.

8.Если студент не защитил работу в срок, работа заменяется на новую.

9.Число лабораторных работ в каждом семестре устанавливается учебным планом.

5

Обработка результатов измерений

1. Окончательный результат измерения величины X представляют в форме:

называемая абсолютной погрешностью найденного значения X.

2. Погрешность округляется до одной значащей цифры во всех случаях, кроме одного – когда первая цифра единица. В этом случае приводят две значащие цифры в погрешности. Пример:

3. При записи измеренного значения последней должна указываться цифра того разряда, который уже использован при указании погрешности. Пример:

Более подробно про обработку результатов измерений и вычисление погрешностей можно прочитать во Введении к описанию лабораторных работ (Часть I).

6

РАБОТА 1 Определение ускорения свободного падения при помощи физического

маятника

Приборы и принадлежности: установки с маятником, секундомер, штангенциркуль.

Введение. Физическим маятником называется абсолютно твердое тело, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг горизонтальной оси, не проходящей через его центр масс.

Если маятник отклонен на небольшой угол α от положения равновесия, то составляющая силы тяжести, стремящаяся вернуть маятник в положение равновесия, равна (Рис. 1)

Вращающий момент, создаваемый силой тяжести относительно оси вращения, проходящей через точку О и перпендикулярной плоскости чертежа,

где а – расстояние от A до оси вращения.

Знак минус в формуле (2) показывает, что сила F направлена в сторону, противоположную отклонению маятника. Из основного уравнения

вращения) получаем, подставляя значения МО:

которого является α =α0 sin ωt (в этом нетрудно убедиться непосредственной

7

подстановкой). Таким образом, физический маятник при малых углах отклонения будет совершать гармонические колебания, период которых

Зная момент инерции физического маятника и его размеры и определив период колебаний, можно из формулы (5) вычислить значение ускорения свободного падения g.

Описание установки и метода измерений

В данной работе используется физический маятник, состоящий из стержня длиной l и массой m, и тела В массой m1, способного перемещаться вдоль стержня (Рис. 2). Маятник совершает колебания вокруг точки O. В качестве

тела правильной формы B используется диск (момент инерции I1O/ = m12R2 , где R

– радиус диска, O' – центр масс диска).

Момент инерции тела B относительно точки O согласно теореме Штейнера равен

где I0 – момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести O'

8

до оси вращения, проходящей через точку О. Суммарный момент инерции физического маятника – сумма момента инерции I1О тела B и момента инерции

I2O = ml32 стержня

Центр тяжести физического маятника находится от оси вращения на расстоянии

(эту формулу можно проверить исходя из условия равенства нулю алгебраической суммы моментов сил тяжести относительно оси вращения).

Тогда формула (5) для периода колебаний физического маятника запишется следующим образом:

Порядок выполнения работы

1.Измерив значения l , l0 , R, определяют время 20 колебаний маятника при трех различных значениях l0 . Измерения времени необходимо проводить не менее трех раз при каждом l0 . Значения масс m, m1 указаны на приборе. Длина l0 должна быть не меньше трети длины стержня l , и три значения l0 должны использовать всю длину l . Так как формула (5) верна при малых

углах отклонения, угловая амплитуда колебаний физического маятника не должна превышать 5-7°. В установке Ia для компенсации влияния силы трения в оси введены экспериментальные поправки к периоду, указанные на самой установке.

2.Данные измерений занести в таблицу, отметив погрешности измеряемых величин.

3.Определив экспериментально период колебаний, по формуле

находят ускорение свободного падения.

4.Окончательный результат необходимо представить в виде

9

g= gср. ± ∆g .

5.Считая для Москвы g=9,81 м/с2 , определить по формуле

экспериментальные значения момента инерции Iэксп. и сравнить их с теоретическими, рассчитанными по формулам (6), (7).

В силу громоздкости формул (8), (9), (10), (11), а также формул расчета погрешностей обработку данных рекомендуется проводить в дисплейном классе.

Таблица

Контрольные вопросы

1.Что такое физический маятник?

2.Вывести формулу периода колебания физического маятника.

3.Почему при выполнении измерений маятник нужно отклонять на малые углы?

4.Что такое момент инерции тела?

5.Чему равен момент инерции диска относительно оси симметрии диска и а) проходящей через центр диска? б) проходящей через его край?

6.Чему равен момент инерции стержня относительно оси, перпендикулярной стержню и а) проходящей через его центр? б) проходящей через его конец?

7.Сформулировать теорему Штейнера.

10

РАБОТА 2 Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного

маятника

Приборы и принадлежности: оборотный маятник, секундомер, штангенциркуль, прибор для нахождения центра масс маятника.

Введение. Наука, изучающая распределение ускорения свободного падения (ускорение силы тяжести или просто силы тяжести) на земной поверхности, называется гравиметрией.

Значение ускорения свободного падения на поверхности Земли меняется от точки к точке в пределах от 9,78 м/с2 до 9,83 м/с2, что объясняется формой Земли, ее вращением, а также плотностью горных пород.

Основной задачей гравиметрической разведки является установление особенностей геологического строения различных районов на основании изучения гравитационного поля.

Описание установки к метода измерений.

Как известно, период колебания физического маятника может быть вычислен по формуле

где I – момент инерции маятника; m – его масса; g – ускорение свободного падения; a – расстояние от центра масс до оси вращения O1,2. (Вывод этой формулы приведен в работе 1). Он совпадает с периодом колебаний