Фізичний практикум . Вступ

Лабораторний практикум із курсу загальної фізики передбачає виконання циклів лабораторних робіт із механіки (N 1, 2, 3, 4, 40, 41, 43), термодинаміки та статистичнї фізики (N 11, 12, 13, 14, 15 ), електроомагнетизму ( 21, 22, 23, 24, 25, 27 ), оптики (N 50, 51, 52, 53, 55, 56, 64), атомної фізики (N 70, 71, 72) та фізики твердого тіла (N 80, 81, 82, 83, 84). У лабораторній роботі N 96 вивчаються статистичні закономірності фізичних явищ на прикладі вивчення радіоактивного фону, створюваного вторинним космічним випромінюванням та іншими джерелами. Перш за все відзначимо, що цей практикум містить роботи, в яких визначаються і фундаментальні фізичні константи, такі як стала Планка (робота N 64), питомий заряд електрона (робота N 32 ), та інші.

Зрозуміло, що такі роботи на час відкриття фізичних законів були науково-дослідницькими, а сьогодні вони є складовою частиною навчально-дослідницьких робіт студентів. Як у будь-якому досліді, результати та висновки лабораторних робіт повинні мати певний рівень наукового обґрунтування. Інакше така робота не має практичної цінності. Такий підхід до лабораторного практикуму закладає в інтелект майбутнього інженера певні основи дослідника-експериментатора, творчої інженерної наснаги й допитливості.

Наявність багаточисельних похибок, що існують за межами нашого бажання та вміння, вимагає певних наукових підходів до обробки результатів вимірювань із метою отримання їх надійної оцінки. Завдання вступу до фізичного практикуму полягає в тому, щоб навчити студента передбачати та виключати певний клас похибок та обґрунтовувати отримані результати досліджень.

І.Фізичні вимірювання та похибки.

Фізичні вимірювання поділяються загалом на прямі та посередні (непрямі).

Прямі вимірювання  вимірювання фізичних величин за допомогою приладів, що дозволяють безпосередньо знімати значення вимірюваної величини зі шкали приладу. Наприклад, масу вимірюють терезами, довжину - лінійкою, штангенциркулем, час - секундоміром та інше.

Посередні вимірювання - визначення значення фізичної величини через перерахунок значень відповідних величин, що допускають прямі вимірювання. Наприклад, вимірювання об'єму циліндра через значення діаметра основи d та висоту h, опору провідника через значення струму І і прикладеної напруги U та інше.

Якість будь-якого вимірювання визначається його точністю, що фактично задає межі оцінки. У прямих вимірюваннях похибка визначається через точність приладу, метод вимірювання, а також повторюваністю результатів вимірювання. У

посередніх вимірюваннях похибка визначається точністю результатів прямих вимірювань та структурою формул їх перерахунку у результат посереднього вимірювання. Похибки вимірювання поділяються на випадкові та систематичні.

Випадкові похибки - це похибки, що змінюють свою величину та знак від одного вимірювання до другого. Вони пов'язані із суб'єктом дослідника та властивостями об'єкта вимірювання. Наприклад, значення довжини предмета, що вимірюється, можна знімати, дивлячись на шкалу лінійки зліва чи праворуч від поділки, що співпадає з границею предмета. У всіх наведених прикладах результат вимірювання довжини предмету буде різний і величина похибки пропорційна товщині лінійки. Виключення випадкових похибок можливе, якщо у вимірюваннях є повторюваність - довжина вимірюється декілька разів. При цьому, якщо за результат вимірювання приймається середньоарифметичне значення, то в сумі значень повторюваних вимірювань випадкові похибки взаємно знищуються.

Систематичні похибки  похибки, що зберігають в експерименті свою величину й знак. Вони пов'язані з похибками приладів та з методикою постановки експерименту, коли не враховуються певні характеристики досліджуваного явища. Наприклад, помилки при градуюванні шкали приладу, вимірювання приладами за граничними межами їх застосування та інше. Оцінюючи характер випадкових та систематичних похибок можна зробити такий висновок: при наявності випадкових похибок результати вимірювання коливаються біля істинного значення вимірюваної величини, а при наявності систематичних похибок - біля значення зміщеного на величину систематичної похибки. При обробці вимірювань у лабораторному практикумі систематичною похибкою  є точність вимірювання приладом: це точність, що задається за документацією, або ми її визначаємо величиною ціни поділки. Наприклад, якщо на дискові надписом задана його маса: m=1650 г, то точність вимірювання становить 1 грам.

На сьогоднішній день існують певні теоретичні підходи до статистичної обробки результатів вимірювань, за допомогою яких оцінка результатів вимірювання враховує відповідний баланс випадкових та систематичних похибок. Цей баланс визначає міру надійності отриманих результатів та висновків. В обробці результатів вимірювання у лабораторному практикумі застосовується статистична теорія Ст'юдента, що охоплює масиви вимірювань об'ємом до 15 повторювань. Згідно цієї теорії результат вимірювання подається у вигляді

А =  А, при Р = 0.95. (1)

В (1) - середньоарифметичне значення шуканої величини,А  границя довірчого інтервалу, Р  імовірність того, що істинне значення величини А міститься у довірчому інтервалі (-А, +А). При записі виміряного значення А, останньою повинна записуватися цифра того десяткового розряду, який використано при записі границі довірчого інтервалу. Це правило слід застосовувати і в тому випадку коли деякі цифри є нулями. Наприклад, в результаті m= 0.900  0.004 в числі 0.900 потрібно писати нулі. Запис 0.9 означав би, що про наступні значущі цифри нічого невідомо, хоч вимірювання показали, що вони рівні нулю. Аналогічно, якщо m=5.3 кг (із точністю до десятих кг), то запис m=5300 г означає, що вимірювання проведені з точністю до грамів. Якщо ж потрібно записати масу в грамах, то це потрібно зробити так: m=5.3 10³ г.

При записі границі довірчого інтервалу, її значення слід округляти до двох значущих, якщо перша з них одиниця, і до одної значущої цифри у всіх інших випадках. Так, правильно писати 3, 0.2, 0.08, 0.14 і не слід писати 3.2, 0.23, 0.084. Не слід округляти 0.14 до 0.1. Пояснимо це правило. Похибку експерименту рідко вдається визначити з точністю менше 20% . Якщо похибку визначено як 0.14, то округлення 0.14 до 0.1 змінює величину похибки на 40%, в той час як округлення чисел 0.26 і 3.4 до 0.3 змінює похибку менше ніж на 15%, що не дуже суттєво.