Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный педагогический университет

им. Л.Н.Толстого»

Кафедра общей и теоретической физики

Обработка результатов измерений в физической лаборатории

Введение

Работа в физической лаборатории требует вдумчивого, упорного и ответственного отношения. Она связана не только с умением правильного обращения с измерительными приборами, но и с правильной и осознанной обработкой результатов измерений. Настоящее учебное пособие курс посвящено вопросам обработки результатов измерений при выполнении работ в лабораториях физического практикума. Он ориентирован на студентов, профессиональное образовательные программы которых предусматривают выполнение лабораторных работ в рамках изучения физики. Учебное пособие может быть полезным и учителям при подготовке физического практикума в школе.

Кроме обработки результатов измерений студенты должны научиться правильно записывать эти результаты, заполнять таблицы, грамотно рисовать графики и оформлять отчеты по лабораторным работам. Перечисленные вопросы также рассматриваются в данном пособии.

В конце пособия приведен список литературы, которая использовалась при его написании. Изучение её можно рекомендовать тем, кто желает углубить знания по рассматриваемым здесь вопросам.

§1. Измерения физических величин

1.1. Понятия об измерениях физической величины

Физика – наука экспериментальная: её законы базируются на экспериментальных фактах, установленных или подтвержденных опытным путем. Поэтому работа в физических лабораториях является необходимой и важной частью изучения законов физики. Одной из целей эксперимента является поиск таких параметров физических явлений, которые можно измерить. Свойства физических объектов, которые можно измерить, называют физическими величинами.

Под измерением понимают нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. При этом значение физической величины G сравнивают с единицей измерения [G]. Число, которое получается при измерениях, называют численным значением {G} физической величины:

(1.1)

Таким образом, значение любой физической величины равно произведению численного значения на единицу измерения.

Различают прямые и косвенные измерения. Прямым измерением называют измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Например: измерение массы на циферблатных или равноплечных весах, температуры термометром, длины с помощью линейки. Косвенным измерением называют измерение, при котором искомое значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например: нахождение плотности однородного тела по его массе и объёму (), нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения ().

Измерения, при которых число опытов равно числу измеряемых величин, называют однократными. Если число опытов превышает число измеряемых величин, то такие измерения называют многократными.

Многие измерительные приборы снабжены измерительными шкалами. Введем ряд понятий, которые их характеризуют:

- отметкой шкалы называют знак, соответствующий некоторому значению измеряемой физической величины;

- делением шкалы называют промежуток между двумя соседними отметками шкалы;

- ценой деления шкалы называют разность значений физической величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

При измерении физических величин используют различные меры. Мерой называют средства измерений, предназначенные для воспроизведений физической величины заданного размера. Например: гиря – мера массы; измерительный резистор – мера электрического сопротивления; температурная лампа – мера яркостной температуры; кварцевый генератор – мера частоты электрических колебаний. Номинальным значением меры называют значение физической величины, указанное на мере или приписанное ей.

1.2. Системы единиц физических величин

В принципе, единицы измерения всех физических величин можно установить произвольно и независимо друг от друга. Но это очень неудобно на практике. Поэтому, независимо устанавливается несколько единиц физических величин. Эти величины и их единицы называют основными. Остальные единицы устанавливают через основные посредством физических законов и определений. Такие единицы называют производными.

Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе физических величин и построенной в соответствии с принятыми принципами, образуют систему единиц.

Принципы установления произвольных величин:

1) Выбрать величины, единицы которых принять за основные.

2) Установить размер (эталон) этих единиц.

3) Выбрать определяющие уравнения, связывающие основные и производные единицы и приравнять их единице коэффициентом пропорциональности.

В физике имеется 7 основных единиц измерения: для длины, массы, времени, температуры, количества вещества, силы тока, силы света.

Для основных единиц СИ приняты следующие обозначения их размерности (размерностью физической величины называется выражение, характеризующее связь этой физической величины с основными величинами данной системы единиц) и единицы измерения: длина – L (1 метр), время – T (1 секунда), масса – M (1 килограмм), температура – Θ (1 кельвин), количество вещества – N (1 моль), сила тока – I (1 ампер), сила света – J (1 кандела).

К эталонам основных единиц предъявляются следующие требования:

1) Сохранение постоянства размера.

2) Воспроизводимость.

3) Возможность восстановления в случае утери.

4) Возможность сравнения эталонов в различных местах.

Международная система единиц (СИ – система интернациональная) принята на ХI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960г. В СССР в качестве обязательной СИ введена в 1982г. (ГОСТ 8.417-81). Стандарт распространяется на все области науки и техники, но в научных исследованиях временно могут допускаться другие системы единиц (СГС, Гауссова, естественные системы).