Передмова

Головна мета лабораторного практикуму з фізики – експериментально дослідити важливі фізичні явища, сформувати у студента вміння бачити за результатами окремих вимірювань фізичні закономірності, закріпити навички користування основними вимірювальними прила­дами, навчити опрацьовувати результати експериментів. Пропонований посібник присвячено розгляду цих питань.

У посібнику подано описи двадцяти базових лабораторних робіт з механіки, молекулярної фізики і термодинаміки, електрики і магнетизму, коливань та хвиль, оптики, атомної та ядерної фізики. Описам лабораторних робіт передує розділ «Вимірювання фізичних величин та їх оброблення», в якому достатньо повно описані правила знаходження похибок та оброблення результатів вимірювань.

Кожна лабораторна робота містить опис експериментальної установки та методу дослідження, порядок виконання роботи, контрольні питання. Опис експериментальної установки та методу дослідження викладено достатньо повно. Контрольні питання можна використовувати як для самоперевірки знань, так і для контролю знань під час захисту лабораторних робіт.

Велика увага у посібнику приділяється обробленню експериментальних результатів. У розділі «Вимірювання фізичних величин та їх оброблення» викладено методи оброблення результатів вимірювань, подано алгоритми знаходження похибок. Практично у кожній лабораторній роботі наведені співвідношення, які дозволяють обчислити похибки конкретних експериментальних досліджень. Деякі з таких співвідношень є достатньо громіздкими. Тому такі обчислення рекомендується проводити з використанням комп’ютерної техніки.

1. Вимірювання фізичних величин та їх оброблення

1. Вимірювання

Фізика є наукою експериментальною. Це означає, що фізичні закони встановлюються та перевіряються шляхом накопичення та зіставлення експериментальних даних. Результати фізичних експериментів найчастіше подаються набором чисел, що знаходять за допомогою вимірювань.

Вимірювання–процес порівняння фізичної величини досліджуваного об’єкта з подібною фізичною величиною, що взята за одиницю вимірювання. У результаті вимірювання встановлюється, у скільки разів досліджувана фізична величина більша або менша за відповідну одиницю вимірювання.

Під час вимірювання будь-якої величини ми, як правило, ніколи не отримуємо справжнього (абсолютно точного) значення. Причиною цього є недосконалість вимірювальних приладів та методів вимірювань, вплив умов вимірювань, індивідуальні властивості людини та інші чинники. Через це вимірювання виконується з деякою похибкою, а отже, кожний результат вимірювання не можна наводити просто у вигляді одного числа. Обов'язково необхідно також з’ясовувати, якою є при цьому похибка вимірювань. Розрізняють абсолютні та відносні похибки вимірювань.

Абсолютною похибкою вимірюванняназивають відхилення результату вимірювання від справжнього значення:

. (1.1)

Далі буде показано, яким чином ми будемо визначати справжнє значення фізичної величини .

Якість вимірювання характеризують відносною похибкою. Відносною похибкоюназивають відношення абсолютної похибки вимірювання до справжнього значення величини:

. (1.2)

Часто відносну похибку виражають у відсотках:

. (1.3)

Чим меншою є відносна похибка, тим більш точним є вимірювання фізичної величини. Наприклад, вимірювання діаметра вала діаметром 50 мм з абсолютною похибкою 1 мм вважається дуже неточним (). Проте вимірювання відстані до Місяця з абсолютною похибкою приблизно 1 км можна вважати достатньо точним ().

Усі вимірювання можна поділити на дві групи: прямі та непрямі.

Прямиминазивають вимірювання, результат яких може бути отриманий безпосередньо з експерименту.Прикладом такого вимірювання є знаходження довжини за допомогою лінійки.

Непрямими називаються вимірювання, під час яких шукане значення величини знаходять на підставі відомої залежності між цією величиною та величинами, що піддаються прямим вимірюванням.Наприклад, густина тіл циліндричної форми визначається за формулою

, (1.4)

де ,ізнаходять за результатами прямих вимірювань.