Составитель: доцент А.А. Бессонов Ответственный редактор: доцент К.А. Дергобузов
ВВЕДЕНИЕ В ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Некоторые советы и указания
§1. Введение §2. Проверка очевидного §3. Повторение измерений §4. Число измерений
Запись результатов эксперимента
§1. Таблицы §2. Запись измерений §3. Избегайте переписывания §4. Схемы §5. Что еще способствует ясности
Графики
§1. Для чего нужны графики §2. Масштаб §3. Единицы измерения §4. Как строить графики §5. Как указывать ошибки
Обработка результатов измерений
§1. Виды измерений §2. Классификация ошибок §3. Обработка результатов прямого измерения §4. Округление результатов §5. Обработка косвенных измерений §6. Метод наименьших квадратов §7. Вычисления §8. О написании вывода
Использованная литература
ПРЕДИСЛОВИЕ
Какова цель лабораторной практики в высшем учебном заведении? Таких целей несколько. Лабораторные работы позволяют:
проиллюстрировать теоретические положения физики;
познакомиться с приборами;
приобрести опыт в проведении экспериментов;
Рассмотрим все по порядку.
Демонстрация опыта часто весьма способствует пониманию физического явления. Например, наша интуиция не подсказывает нам, что возможна интерференция света. Утверждения о том, что два пучка света могут погасить друг друга и дать темноту, с трудом принимаются на веру, и для многих необходима наглядная демонстрация такого явления. Но демонстрация не может заменить объяснения, которое основано на геометрических и фазовых соотношениях. Таким образом, первая задача практикума – иллюстрация теоретических положений – хотя и важная, но довольно ограниченная.
Вторая задача, по-видимому, важнее, но здесь следует сразу же четко выяснить, что мы понимаем под прибором. В любом курсе практических работ вы столкнетесь с такими простыми приборами как потенциометры, микрометры, электронные осциллографы и т.п., и опыт работы с ними будет, несомненно, полезен. Но когда вы займетесь самостоятельными научными исследованиями, обилие приборов, с которыми придется работать, покажется невероятным. И ни один курс практических работ, по-видимому, не сможет научить вас пользоваться каждым из них. В ходе же лабораторных работ перед вами ставится задача приобрести опыт работы с приборами вообще. У экспериментатора, имеющего дело с приборами, должна быть особая психология, и курс лабораторных работ должен помочь вам выработать такую психологию. Здесь мы соприкасаемся уже с третьей задачей, наиболее важной из всех.
Слова «опыт в проведении экспериментов» могут показаться не совсем ясными, так что нам нужно разобраться в этом подробнее. Главная задача физического практикума состоит в том, чтобы научить вас:
планировать эксперимент так, чтобы точность измерений соответствовала поставленной цели;
учитывать возможность систематических ошибок и принимать меры для их устранения;
оценивать точность окончательного результата;
анализировать результаты экспериментов и делать правильные выводы;
вести запись измерений и расчетов аккуратно, ясно и коротко.
Выполнить все это вместе взятое и означает подготовить квалифицированного экспериментатора. Но тот курс может дать и нечто большее. Он может дать представление о том, каков общий метод физики.
Физика – одна из наук, цель которой – познание природы. Когда физик сталкивается с каким-либо явлением природы, он старается выделить те особенности явления, которые ему кажутся самыми важными (иначе невозможно изучить данное явление из-за бесчисленного числа его связей с другими). Затем, обобщая то, что выделили, строим теорию, из которой следуют те или иные выводы. Выводы же проверяем путем эксперимента. Но теоретические выводы обычно относятся к идеализированной или упрощенной ситуации. Чтобы проверить их, нужно создать такую же упрощенную ситуацию в окружающем нас мире, что не всегда легко сделать.
На лекциях вы изучаете теорию. При этом рассматриваете те стороны реального мира, которые существующая теория считает самыми важными. Может получиться так, что ваше знакомство с миром природы ограничится только этими сторонами, и вы будете уверены, что это и есть весь реальный мир, а не отдельные его стороны. К тому же в такой картине мира все столь хорошо увязано, что легко утратить представление о том, каких усилий потребовалось человеческому гению для ее создания. Самое лучшее лекарство от подобной болезни – идти в лабораторию и там убедиться в сложности реального мира.
Занимаясь экспериментальной физикой, вы, прежде всего, узнаете, как трудно бывает проверить теорию, измерить именно то, что вы хотите, а не что-то иное, и научитесь преодолевать такие трудности. Но кроме всего прочего у вас появится взгляд на физику в целом, на взаимоотношение между теорией и экспериментом, которое составляет главное содержание предмета.
Некоторые советы и указания § 1. Введение
Извлечь из работ практикума максимальную пользу можно, только относясь к каждой задаче как к небольшой самостоятельной работе. Описания задач – только стержни, вокруг которых строится работа. Объем навыков и сведений, которые будут получены вами при выполнении работы, определится, главным образом, не описанием, а вашим подходом к выполнению работы. Бесполезно приступать к выполнению работы без четкого представления об основных понятиях теории изучаемого явления. Не имея ясности в основных теоретических вопросах, вы не сможете отделить изучаемое явление от случайных и несущественных помех, часто не сможете даже обнаружить, что установка неисправна и непригодна к работе.
Главное условие успешного выполнения измерений заключается во внимательном и неторопливом ознакомлении с установкой перед измерениями, в ее тщательной проверке и наладке. Прежде чем приступать к систематическим измерениям, убедитесь, что вы знаете, как установка работает, т.е. что чем регулируется. Никогда не следует жалеть времени на эту предварительную стадию эксперимента из опасения не успеть сделать измерения. Эти затраты времени всегда окупаются при дальнейшей работе над задачей.
Работу с незнакомыми приборами можно начинать, лишь прочтя до конца инструкции и выяснив все необходимые предосторожности. Не следует вскрывать чувствительные приборы, прикасаться пальцами к оптическим поверхностям и тонким деталям, переносить с места на место гальванометры и весы в неарретированном состоянии. Нужно вырабатывать в себе умение бережно обращаться с оборудованием. С другой стороны, ознакомление с прибором должно быть активным, нужно не только осмотреть и понять прибор, но наладить и проверить его, смазать, если нужно, трущиеся части, установить нулевые показания стрелок, удалить пыль с оптических поверхностей и т.п. Нельзя рассчитывать в этом деле на других. Перед началом работы с помощью нескольких простых опытов, результат которых может быть надежно заранее предсказан, убедитесь в исправности аппаратуры. Вы можете сказать, что все это очевидно, и это на самом деле так. И, тем не менее, очень многие не могут взять в толк простых вещей, когда дело доходит до экспериментальной работы.
Если задача не ладится, нужно обязательно искать и пробовать, выдвигать и проверять различные предположения до тех пор, пока неисправность не будет обнаружена. Тот опыт и знания, которые помогают найти и устранить неполадки, составляет золотой фонд экспериментатора: их нельзя приобрести никаким другим способом.
§ 2. Проверка очевидного
Если считается, что установка механически устойчива, проверьте, не качается ли она.
Если считается, что основание прибора установлено горизонтально, все же взгляните и проверьте хотя бы приблизительно, так ли это. Если потом потребуется выверить установку точнее, то можно всегда воспользоваться уровнем.
При проведении оптических экспериментов убедитесь, что все отражающие и преломляющие поверхности выглядят достаточно чистыми. Для недорогостоящей оптики известен прекрасный способ – подышать на поверхность и быстро ее протереть. Ни никогда не протирайте тряпкой или носовым платком дорогостоящие линзы! Они изготавливаются из мягкого стекла и к тому же часто покрыты очень тонким слоем – толщиной около 100 нм – минеральных солей для уменьшения отражающей способности. Такие линзы легко поцарапать. Их никогда не следует касаться пальцами и хранить открытыми. Чаще всего с них достаточно просто смахнуть пыль мягкой кисточкой или, в крайнем случае, осторожно протереть специально предназначенной тканью.
Убедитесь в том, что оптические детали, которые должны быть соосными, действительно соосны и линзы расположены примерно под прямым углом к направлению светового пучка. Просто удивительно, как часто приходится наблюдать такую картину: студент мучается с оптической системой, не замечая, что важнейшая ее линза покрыта пленкой жира, стоит на несколько миллиметров выше или ниже, чем нужно, или повернута примерно на 10°относительно нормали.
В опытах по электричеству, когда вам приходится иметь дело с клеммными соединениями проводов, проверьте, хорошо ли последние зачищены, – если необходимо, зачистите их, – убедитесь, что клеммы плотно затянуты. Если вы пользуетесь гальванометром или другим аналогичным прибором с переключателем чувствительности, то сначала всегда ставьте переключатель в положение, соответствующее наименьшей чувствительности.
Когда вы собираете электросхему, которая питается от сети, всегда включайте ее в сеть в самую последнюю очередь, и если вам надо в ней что-то изменить, не полагайтесь на выключенный тумблер сети, а выньте штепсель из сетевой розетки. Подключить источник питания можно только после того, как вся схема тщательно проверена. На первом курсе эту проверку должен производить преподаватель. Право на самостоятельное включение схем студенты получают лишь после того, как они приобретут некоторый лабораторный опыт. Это право дается преподавателем индивидуально каждому студенту. Следует помнить, что нарушение правил включения электрических схем неминуемо приведет к авариям и порче приборов.