Методички / Т.В. Лавряшина Методические указания по выполнению лабораторного практикума по физике. Часть 1. лабораторные работы для учащихся 10 класса

2

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по физике для учащихся 10 и 11 классов естественнотехнической гимназии составлены в соответствии с программой углубленного изучения курса физики. В них представлены описания лабораторных работ по следующим разделам: молекулярная физика, термодинамика, электромагнетизм, оптика, физика твердого тела. Технический профиль гимназии акцентирует внимание учащихся на практическом использовании физических явлений. Поэтому данные работы – часть практикума кафедры физики КузГТУ.

Методические указания состоят из двух частей. В первой части приведены описания лабораторных работ практикума для учащихся 10 класса, во второй – для учащихся 11 класса. В методическом указании по выполнению каждой лабораторной работы содержатся краткое изложение теории изучаемого физического явления, описание экспериментального метода для его проверки, а также сведения о приемах измерения физических величин, правилах обработки экспериментальных результатов и методика расчета их погрешностей.

При подготовке к выполнению лабораторной работы учащимся необходимо изучить проверяемый физический закон или явление и методические особенности эксперимента. Нужно найти ответы на контрольные вопросы, помещенные в описании данной работы. Вдумчивое выполнение работ лабораторного практикума – залог успешного овладения материалом изучаемого курса физики.

3

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Расчёт погрешностей прямых измерений

Прямыми измерениями физических величин называются измерения, производимые непосредственно с помощью измерительных приборов.

Обработку результатов прямых измерений физической величины

хпроизводят в следующем порядке.

1.Результат каждого из n измерений записывают в таблицу

(х1, х2, …, хn).

2. Вычисляют среднее арифметическое из n измерений:

n

∑хi

х = i=1n .

3. Находят погрешности отдельных измерений:

∆х1 = х − х1 , ∆х2 = х − х2 ,…∆хn = х − хn .

4.Вычисляют квадраты погрешностей отдельных измерений ∆хi2.

5.Определяют среднюю квадратичную погрешность результатов серии измерений:

n ∑∆xi2

∆S x = n(ni=1 −1) .

6. Для заданной надёжности α и числа n производимых измерений

определяют коэффициент Стьюдента tα,n.

7. Рассчитывают случайную погрешность

∆xсл = tα,n ∆S x .

8. Определяют приборную погрешность ∆хпр, равную половине или цене деления шкалы измерительного прибора, и сравнивают её с вычисленным значением случайной погрешности ∆хсл. Если случайная погрешность ∆хсл сравнима с погрешностью прибора ∆хпр, то абсолютную погрешность измеренной величины ∆х (границу доверительного интервала) определяют по формуле

∆х = ∆хсл2 + ∆хпр2 .

4

Если одна погрешность больше другой в два раза и более, то меньшую следует отбросить, а за абсолютную погрешность измерений принять большую. Если измерение однократное, то за абсолютную погрешность измеряемой величины ∆х принимают приборную погрешность ∆хпр.

9.Окончательный результат записывают в виде х=<х>±∆х, причём ∆х следует округлить до разряда, который имеет число <х>.

10.Оценивают относительную погрешность εх результатов из-

мерений

εх = ∆хх 100%.

11.Все измерения и результаты расчётов вносят в таблицу.

5

2.Расчёт погрешностей косвенных измерений

1.При косвенных измерениях искомая величина определяется из результатов прямых измерений других величин, которые связаны с ней соответствующей функциональной зависимостью. Пусть X, Y, Z – пря-

мые измерения, f(X, Y, Z) – косвенные измерения. При прямых измерениях величин, входящих в формулу, по которой определяется искомая величина, проводят обработку результатов, как описано выше.

2.Рассчитывают среднее значение <f> искомой физической величины по соответствующей формуле.

3.Если косвенное измерение f есть результат умножения, деления, возведения в степень прямых измерений, то есть:

f = Xα Yβ , Zγ

где α, β, γ - любые числа, то относительная погрешность косвенного измерения:

4. Оценивают абсолютную погрешность (границу доверительного

интервала):

∆f =< f > εf .

5. Записывают окончательный результат в виде:

f(X,Y, Z) = f(< X >,< Y >,< Z >) ± ∆f .

6

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды.

Приборы и материалы: установка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом компенсации разности давления.

Теоретическая часть

Поверхность жидкости по сравнению с глубинными слоями обладает добавочной энергией ∆U. Величиной, характеризующей эту энергию, приходящуюся на единицу поверхности S, является коэффициент σ поверхностного натяжения жидкости

σ = ∆SU

Поскольку система всегда стремится к минимуму потенциальной энергии, то поверхность жидкости сокращается, что приводит к появлению сил поверхностного натяжения, распределенных по контуру. Сила F поверхностного натяжения направлена по касательной к по-

верхности жидкости перпендикулярно к участку контура длиной l, на

которую она действует

F = σ l,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура:

σ = Fl.

На границе со стенками сосуда из-за явления смачивания поверхность жидкости искривляется, образуются выпуклые или вогнутые мениски. Искривленная поверхность при идеальном смачивании оказывает на жидкость избыточное давление ∆p:

где r – радиус капилляра.

7

Наличие дополнительного давления приводит к подъему смачивающей жидкости в капилляре по отношению к уровню свободной поверхности в широком сосуде (рис.1).

Рис. 1

Если радиус r капилляра сравним с радиусом r0 мениска, то

∆p = 2σ. r0

Под действием этого давления жидкость поднимается по капилляру на высоту h до тех пор, пока дополнительное давление не будет уравновешено гидростатическим давлением

2σ = ρgh , r0

где ρ - плотность жидкости, g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения.

Выразим r0 через радиус капилляра:

r0 = cosr θ,

где θ - краевой угол жидкости.

При полном смачивании жидкости θ = 0, cosθ = 1,

∆p = 2σ = ρgh. r0

8

Для определения h без использования микроскопа применяют метод выравнивания уровней жидкости в капилляре и широком сосуде, что достигается увеличением внешнего давления над поверхностью жидкости:

∆p′ = ∆p = 2rσ.

Компенсационное давление ∆p′ измеряют с помощью манометра

(рис.2).

Рис.2

где ρ – плотность жидкости в манометре, h – разность уровней жидко-

сти в манометре.

Решая совместно уравнения (1) и (2), получим

2rσ =ρgH,

из которого коэффициент поверхностного натяжения жидкости равен

σ = r ρ2g H .

9

Экспериментальная часть

1.Поднести стакан 1 к капилляру 2 . Кран 3 должен быть открыт.

2.После установления уровня воды в капилляре закрыть кран 3.

3.Поднимая столик 4, довести уровень воды в капилляре до уровня воды в стакане 1.

4.Измерить давление в системе по разности уровней воды в манометре.

Опыт повторить 5 раз. Результаты занести в таблицу.

5.Расcчитать коэффициент поверхностного натяжения воды, относительную и абсолютную погрешность, полученный результат записать в виде σ = <σ> ± ∆σ. Результат сравнить с табличным значением.

Записать вывод.

Контрольные вопросы

1.Строение жидкости.

2.Свойства поверхностных слоев жидкости.

3.Смачивающие и несмачивающие жидкости.

4.Капиллярные явления.

5.Как нужно изменить опыт, если жидкость не смачивает стекло?