РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ 1с. 2013-2014 В.А.Н / 05 Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. - Вводное занятие в лабораториях кафедры физики

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

_____________________________________________________

Кафедра «Физика»

ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ В ЛАБОРАТОРИЯХ КАФЕДРЫ ФИЗИКИ

Под редакцией д. физ.- мат. наук, проф. В. А. Н И К И Т Е Н К О

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

для студентов всех специальностей

М о с к в а - 2011

1

УДК 53

C 29

Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. Вводное занятие в лабораториях кафедры физики. / Под ред. проф. В.А. Никитенко. Методические указания. - М.: МИИТ, 2011. - 38 с.

В методических указаниях представлены: содержание вводного занятия, правила выполнения и оформления лабораторной работы, краткая теория погрешностей измерений физических величин. Очерк истории кафедры физики МИИТ составлен профессорами В.И.Марченко и В.А.Никитенко.

©Московский государственный университет путей сообщения

(МИИТ), 2011

2

СОДЕРЖАНИЕ ВВОДНОГО ЗАНЯТИЯ

Вводное занятие состоит из нескольких частей.

1.Необходимо объяснить студентам цели и задачи физического практикума: изучение студентами на практике следствий физических законов, с которыми они знакомятся на теоретических занятиях, приобретение навыков работы с измерительными приборами, изучение методики проведения физического эксперимента, обучение правилам оформления полученных экспериментальных данных.

Итогом лабораторных занятий в каждом семестре является выполнение студентами установленного числа лабораторных работ и получение отметки о выполнении плана, проставляемого преподавателем

введомости по лабораторным занятиям. Без выполнения плана лабораторных работ студент не допускается к экзамену по физике, как не справившийся с одной из составляющих частей изучаемого курса.

2.Следует ознакомить студентов с правилами поведения в лаборатории кафедры физики и с инструкцией по технике безопасности. Студенты должны при этом расписаться в ведомости, подтверждая то, что они проинструктированы по технике безопасности и обязуются выполнять все требования инструкции.

3.Требуется объяснить студентам правила оформления, выполнения и защиты лабораторных работ.

4.После этого преподаватель должен оформить ведомость к лабораторным занятиям с указанием в ней всех работ, которые необходимо выполнить каждому студенту. (При этом студент должен записать библиотечные номера, соответствующие полученным работам, по которым выдаются в библиотеке методические указания – эти номера указаны на отдельном стенде в лаборатории). Студенты разбиваются, учитывая их пожелания, побригадно (по два человека в бригаде) на две подгруппы, каждую из которых курирует свой преподаватель.

5.На второй половине вводного занятия необходимо кратко изложить студентам теорию ошибок измерений.

3

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ И ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Подготовка студента к лабораторной работе состоит в домашней проработке методических указаний и составлении на отдельном бланке конспекта данной лабораторной работы. Образец бланка имеется в лаборатории, а также размещён на сайте кафедры “Физика” МИИТ (допускается и использование двойного листа стандартной тетради). На бланке указывается: 1) фамилия, инициалы студента и номер его группы; 2) номер и название работы; 3) цель работы; 4) принципиальная схема или рисунок установки. Далее, на второй - третьей страницах записываются 5) основные теоретические положения и расчётные формулы и размещаются 6) таблицы для занесения результатов измерений и 7) формулы для расчёта погрешностей. Последняя четвёртая страница отводится для 8) сведений о пределах измерений приборов и их классах точности, 9) расчётов по формулам результатов измерений, 10) подсчёта погрешностей измерений. В самом конце бланка оставляется место для 11) записи окончательного результата измерений и выводов.

В начале лабораторного занятия преподаватель проверяет качество домашней подготовки студента к выполнению работы. Каждый студент должен иметь правильно оформленный бланк работы, знать её цель и задачи, основные расчётные формулы, порядок выполнения работы, быть знаком с используемым в работе оборудованием. Только после проверки подготовки студента к работе, он допускается к её выполнению. Это отмечается в групповой ведомости знаком “плюс” рядом с номером выполняемой студентом работы, после чего студент может получить по студенческому билету у лаборанта все необходимые для работы принадлежности.

При выполнении лабораторной работы студенты должны соблюдать правила техники безопасности, проявлять осторожность в обращении с приборами.

Экспериментальные результаты с указанием единиц измерений физических величин должны заноситься только в таблицы, заранее приготовленные на бланке работы. В процессе работы студентам рекомендуется во избежание грубых ошибок познакомить преподавателя с результатами первых проведённых ими измерений.

4

Закончив работу, студенты должны представить преподавателю результаты всех измерений и расчётов (в том числе и расчётов погрешностей), а также, если это требуется в работе, построенные на отдельных листах миллиметровой бумаги графики и получить на бланке конспекта работы подпись преподавателя, а также отметку в ведомости о выполнении экспериментальной и расчётной части работы (в виде обведённого кружком знака “плюс”, проставленного ранее при допуске студента к выполнению работы). С разрешения преподавателя обработка экспериментальных результатов может быть проведена студентом и во внеаудиторное время, но обязательно до очередного планового лабораторного занятия. В этом случае преподаватель, подписывая результаты измерений, указывает, что работа выполнена без расчётов (это отмечается в ведомости только частично обведённым кружочком у знака “плюс”). На следующем лабораторном занятии эта работа должна быть в обязательном порядке представлена преподавателю уже оформленной с окончательными расчётами и выводами (преподаватель отмечает это в ведомости обведением до конца кружочком знака “плюс”) и только после этого студент может допускаться к выполнению другой лабораторной работы.

После выполнения студентами одной, двух или трёх лабораторных работ (в соответствии с планом) выделяется специальное занятие для защиты этих работ. Студенты, успевшие полностью оформить результаты работ ранее этого занятия, могут, по договорённости с преподавателем, защитить работы в свободное время на предыдущих занятиях.

Защита студентом выполненной лабораторной работы состоит в ответах на вопросы преподавателя или на вопросы контрольных тестов, как по теории, так и по методике проведения эксперимента, расчёту результатов и погрешностей измерений. Защита студентом работы отмечается в ведомости подписью преподавателя около её номера с указанием даты защиты. После защиты бланк с конспектом этой защищённой работы сдаётся преподавателю.

Цикл лабораторных работ считается завершённым, если все работы цикла выполнены и защищены. Общий план лабораторных работ считается выполненным, если все циклы завершены. Это отмечается преподавателем в ведомости в самом конце строки для каждого студента отдельной записью: “План лабораторных работ выполнен”.

5

Ставится подпись преподавателя с указанием даты завершения выполнения плана. Роспись о выполнении студентом работы, цикла работ или всего общего плана работ может делать только преподаватель, ведущий занятия в данной подгруппе, или преподаватель, официально его заменяющий. Другие отметки в ведомости считаются недействительными.

ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Задачей физического эксперимента является установление и изучение связей между различными физическими величинами. При этом в процессе эксперимента часто бывает необходимо измерять эти физические величины. Измерить физическую величину – это значит сравнить её с идентичной физической величиной, принятой за эталон.

Измерением называют экспериментальное определение значения физической величины с помощью средств измерений. К средствам измерения относятся: 1) меры (гири, линейки, мерные стаканы и т.п.); 2) измерительные приборы, имеющие шкалу или цифровое табло (секундомеры, амперметры, вольтметры и т.п.); 3) измерительновычислительные комплексы, включающие измерительные приборы и вычислительную технику.

Чтобы измерить физическую величину, необходимо: 1) установить единицу измерения этой величины (выбрать эталон); 2) иметь проградуированные в требуемых единицах с необходимой точностью средства измерения; 3) выбрать наиболее целесообразную методику измерений; 4) провести с помощью имеющихся средств измерения экспериментальное сравнение измеряемой величины с выбранным эталоном; 5) дать оценку допущенной при измерениях погрешности.

В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные. Прямые измерения осуществляются с помощью средств измерений, которыми непосредственно определяется исследуемая величина (например, измерение длины с помощью линейки, веса тела с помощью весов, времени с помощью секундомера). Однако не всегда прямые измерения осуществимы, удобны или имеют необходимую точность и надёжность. В этих случаях используют косвенные измерения, при которых искомое значение величи-

6

ны находится по известной зависимости между этой величиной и величинами, значения которых могут быть найдены в прямых измерениях. Например, объём можно высчитать по измеренным линейным размерам объекта, массу тела – по известной плотности и объёму и т.д. Таким образом, значение какой-либо величины может быть получено как при прямых измерениях, так и с помощью косвенных измерений. Так, скажем, величину сопротивления провода можно определить впрямую прибором – омметром, а можно и высчитать по измеренным величине тока, протекающего через проводник, и величине падения напряжения на нём. Выбор способа измерений физической величины для каждого конкретного случая решается отдельно с учётом удобства, быстроты получения результата, необходимой точности и надёжности.

Каждый физический эксперимент состоит из подготовки исследуемого объекта и средств измерений, наблюдения за ходом эксперимента и показаниями приборов, записи отсчётов и результатов измерений.

Последовательность размещения приборов и их связь друг с другом должна быть такой, чтобы обеспечить максимальную точность и удобство проведения эксперимента. При этом правильная градуировка приборов, установка их нулевых значений на шкале или цифровом табло прибора имеет первостепенное значение для получения точно-

го результата измерений. Работа на неисправных приборах не до-

пускается! О неисправности приборов следует немедленно сообщить преподавателю или лаборанту! Перед включением приборов необходимо удостовериться в правильности их соединения и получить разрешение на их включение у преподавателя.

Наблюдения за показаниями приборов следует проводить так, чтобы шкала или табло прибора были хорошо видны экспериментатору под нужным углом (часто для ликвидации таких ошибок измерений в приборах вводится зеркальная шкала: стрелка прибора и её отражение при измерении должны быть совмещены).

Форма записи экспериментальных результатов должна быть чёткой и компактной. Для этого специально разрабатываются таблицы, приведённые в методических указаниях к каждой лабораторной работе и именно в эти таблицы, скопированные студентами на бланк работы, и следует производить запись результатов с учётом единиц

7

измерений и цены деления прибора. При этом, если заранее не задаётся необходимая точность результата, то надо стараться записать результат измерения с наибольшей возможной точностью, которую даёт прибор (т.е. записывать максимально возможное число значащих цифр). Для сокращения числа нулей в полученных значениях измеряемой величины (тех нулей, которые не являются значащими цифрами), удобно для всей строки или столбца таблицы указывать десятичный множитель 10n (например, для того чтобы не писать лишние нули в значениях плотности тел, измеренных в кг/м3 с точностью до двух значащих цифр, для всей строки таблицы, в которую заносятся плотности тел, перед единицей измерения ставится множитель 103: так для плотности воды в соответствующей клеточке таблицы вместо 1000 будет стоять 1,0). Отметим, однако, что не следует при измерениях, во что бы то ни стало, добиваться большей точности, чем это необходимо в поставленной задаче. Например, если требуется знать длину досок, приготовленных для производства тары, то не требуется проводить измерения с точностью, скажем, до микрона. Или, если при проведении косвенных измерений, значение какойлибо из измеряемых величин ограничено некоторой точностью (выраженной в определённом количестве значащих цифр), то не имеет смысла стараться измерять другие величины с много большей точностью, чем эта. Так, если плотность воды известна с точностью до двух значащих цифр, то, если потом потребуется находить массу воды в стакане, следует измерять ёмкость стакана (а это приблизительно 200 см3) только с точностью до двух-трёх значащих цифр, то есть не большей, чем 1 см3.

Графики функций строят на миллиметровой бумаге, причём разметка осей координат выбирается удобной по масштабу и состоит из равноотстоящих и не слишком частых отметок. Не обязательно, чтобы на осях был отмечен ноль как начало координат: следует использовать именно интервал полученных экспериментальных значений. Масштаб по осям должен соответствовать погрешностям измерений. При этом желательно добиваться того, чтобы экспериментальная кривая располагалась в центральной части графика. На осях указываются обозначения физических величин и их единицы измерений. Для больших или малых значений величин N следует откладывать их по осям без множителя 10n, а у соответствующей оси сделать обозна-

8

чение N 10-n. На графике обязательно должны быть отмечены экспериментальные точки (если кривых несколько – можно для экспериментальных точек использовать разные обозначения: крестики, кружочки, треугольники и т.д., а кривые проводить разными по цвету или виду линиями: штриховыми, штрихпунктирными и т.д.). График подписывают, определяя содержание графика и объясняя, при каких условиях получены соответствующие зависимости.

ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

По способу выражения точности результатов измерения различа-

ют абсолютную и относительную ошибки.

Абсолютной ошибкой измерения x некоторой величины называют модуль разности между измеренным значением x и истинным

Абсолютная ошибка имеет размерность измеряемой величины и указывает на необходимую поправку в данном результате измерения. При этом она определяет неточность в измерении величины вне зависимости от её значения.

Относительной ошибкой измерения называют отношение абсолютной ошибки измерения к истинному значению измеряемой ве-

Относительная ошибка безразмерна или иногда выражается в

Если абсолютная ошибка определяет неточность в измерении величины безотносительно к значению самой величины, то относительная ошибка даёт непосредственное представление о точности проведённых измерений, так как определяет, какую долю составляет ошибка в полученном результате. Например, абсолютная ошибка в 1 грамм ( x = 1 г) при измерении массы тела в 10 кг даёт неточность всего = (10-3/10) 100% = 0,01%, в то время как такая же абсолютная ошибка в определении массы тела в 10 г даёт неточность уже = (10-3/10-2) 100% = 10%.

9