Вступ до лабораторного практикуму

Лабораторний практикум з фізики ставить за мету закріпити знання, що студенти одержують на лекціях та практичних заняттях, ознайомити студентів в лабораторних умовах з рядом фізичних явищ, вивчити методику вимірювання фізичних величин та їх обробку.

Кожна лабораторна робота містить коротку теорію або теоретичні відомості про явище, що вивчається, описання методу вимірювання основних фізичних характеристик явища, порядок виконання лабораторної роботи, а також додаткові запитання, на котрі студент має, підготувати усну відповідь.

 

 

1. ОСНОВНІ ПРАВИЛА РОБОТИ В ЛАБОРАТОРІЯХ

 

1. Користуватися приладами та обладнанням дозволяється тільки у відповідності до інструкції та вказівок.

2. Перед виконанням лабораторної роботи шляхом зовнішнього огляду переконатися в тому, що прилади, вимірювальні установки, обладнання справні.

3. Забороняється працювати в лабораторії самому студенту у відсутності викладача.

4. Остерігатися деталей, що обертаються у вимірювальних установках та не мають охоронного обмеження.

5. При роботі з нагрівачами остерігатися опіків при дотику нагрівача або пари.

6. Забороняється вмикання до електричної мережі чи під’єднання до будь-якого іншого джерела струму не перевіреного електричного кола. Електричні кола перевіряє викладач. Перед ввімкненням всі прилади, що використовуються, мають бути установлені так, щоб при поданні в коло максимально великої напруги через прилад міг йти найменший струм.

7. Після під’єднання до джерела струму забороняється перемикати електричні прилади, тому що можливе ушкодження електричним струмом.

8. Забороняється залишати без нагляду прилади, увімкнені в електромережу.

9. Після закінчення роботи від’єднати вимірювальне коло від джерела струму, загальну лінію, що з’єднує коло з мережею, погасити в лабораторії світло, перевірити водопровідні крани.

10. Забороняється в лабораторії залишати відчиненими вікна або кватирки.

11. Забороняється використання дуже яскравих джерел світла, при роботі з лазерами не допускається попадання в очі прямих світлових променів.

 

 

2. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНИХ ЗАНЯТЬ

 

1. Виконання лабораторних робіт відбувається за графіком, що його на вступному занятті видає кожному студенту викладач.

2. Студенти готуються виконувати лабораторні роботи до початку занять. Підготовка складається з ознайомлення з інструкцією до лабораторної роботи, короткого конспектування інструкції в окремому зошиті. Конспект має містити номер роботи та її назву, основні закони та робочі формули (без доведень), малюнок схеми установки, таблиці для занесення результатів вимірювань і наступних розрахунків. Студенти, що не підготувалися до лабораторної роботи, до її виконання не допускаються.

3. Контролює готовність студента до виконання лабораторної роботи викладач. До контролю входить перевірка конспекту роботи, перевірка знання мети роботи, основних явищ і законів, формул, порядку виконання роботи і розрахунку шуканих величин.

4. Після виконання роботи розрахунки мають бути виконані в лабораторії під контролем викладача. При необхідності викладач може запропонувати виконати повторні виміри.

5. Захист лабораторної роботи проводиться після закінчення оформлення звіту. В таблицю звіту мають бути занесені результати вимірювань та розрахунків. Після таблиці має бути наведений приклад розрахунку з указанням розмірностей всіх величин, що входять у розрахункову формулу.

6. Захист лабораторної роботи проводиться на даному або наступному занятті. Студенти, що мають заборгованість з трьох робіт, не допускаються до виконання наступної роботи.

 

ПРИКЛАД ЗВІТУ ПРО ЛАБОРАТОРНУ РОБОТУ

 

1. Коротка теорія та метод вимірювання.

 

В основу роботи покладено один з відомих методів випробування стрілецької зброї за допомогою балістичного маятника. Для одержання непружного удару кулі в маятник запресовано пластилін. Розрахункова основа методу – використання законів збереження енергії і імпульсу. Наводиться схема установки.

Закон збереження енергії:

 

m₁v²/2 = (m₁ + m₂) u²/2 + A (1)

 

Закон збереження імпульсу:

 

m₂v = (m₁ + m₂) u² (2)

 

В формулах m₁ i m₂, v i u - відповідно маси кулі та маятника, швидкість кулі та швидкість сумісного руху кулі та маятника після удару; А – робота деформації.

Після удару маятник відхиляється за рахунок енергії, що переходить в потенціальну:

W_n = (m₁ + m₂)Rg (1- cosα) = (m₁ + m₂) u²/2 (3)

 

де R - довжина балістичного маятника; g - прискорення вільного падіння; α - найбільший кут відхилення маятника. З рівності (3) знаходимо:

 

u = (4)

 

Після чого з (2) розраховуємо швидкість кулі:

 

V = (5)

а потім роботу деформації:

A = W_k1 (6)

 

2. Результати вимірювань та розрахунків зведемо в таблицю:

 

№	m2 (кг)	R (м)	α (град)	Wn мДж	u (м/с)	v (м/с)	Δv (м/с)	Wk1 (Дж)	A (Дж)	ΔA (Дж)
1. 2. 3.	0,178 0,178 0,178	0,845 0,845 0,845	4˚30΄΄ 4˚15΄΄ 4˚	4,6 4,2 3,6	0,227 0,217 0,201		7,5 0,5 -8,5	2,92 2,64 2,30	2,92 2,64 2,30	0,30 0,02 -0,32
Середні значення:	135,5	5,5	2,62	2,62	0,22

 

Приклад розрахунку:

 

W_n=(m₁ + m₂)Rg (1- cosα) = 0,178x 0,845x 9,81 (1-0,9969)= 0,00046 (Дж)

 

[W_n ] = кг м ²/с² = Дж.

u = = = 0,227 (м/с);

[ u ] = = м/с.

V = = = 141 (м/с);

W_k1= m₁v²/2 = 0,5x 0,000286x141²= 2,92 (Дж).

 

Загальний результат:

 

v = (136±6) м/с; А= (2,62± 0,22) Дж.

 

 

ПОБУДОВА ГРАФІКІВ

 

В деяких роботах результат досліджень наводиться у вигляді графіка. Щоб графік був зроблений, дотримуються певних правил. Розглянемо їх на конкретному прикладі, Хай, як це вимогається в роботі з вакуумним фотоелементом, одержано кілька значень фотоструму при відповідних значеннях світлового потоку. По цих значеннях складена таблиця:

 

Світловий потік, лм	1,1	2,4	3,3	4,9	5,9	9,8
Фотострум, мкА	33,7	107,8	118,2	170,2

 

В таблиці зліва обов язково писати найменування вимірюваної фізичної величини а також вказувати, в яких одиницях ця величина вимірювалась. Відліки по приладах, на основі котрих складена таблиця, можуть бути не цілими, не слід „підганяти“ ці відліки до цілих чисел. За числами, що занесені у таблицю, будується графік. Звичайно на осі абсцис відкладають значення незалежної, тобто тієї величини, що змінюється власне експериментатором в досліді. В розглянутому прикладі нею є світловий потік, який встановлюється зміною відстані джерела світла від фотоелемента. Сила ж фотоструму є залежною величиною. Вона відліковується за мікроамперметром. Залежна зміна відкладається по осі ординат.

На малюнку 1 подано приклад нераціональної побудови графіка. Тут є кілька помилок. Оскільки ці помилки є характерними, ми їх розглянемо детальніше.

1. Невірно вибрано масштаб. За цієї причини крива займає тільки частину площини малюнка, тоді як інша частина залишається зайвою. Масштаб треба вибрати так, щоб найбільші значення величин, занесенних в таблицю, виявилися біля кінців осей координат.

2. На осях координат нераціонально позначено масштаб. Для його позначення взято числа з таблиці. Проте масштаб на осях має бути.

Рис. 1. Рис. 2.

3. На графіку не позначено, які величини і в яких одиницях відкладено на осях. Позначення величин треба ставити коло кінців осей, а поблизу – одиниці виміру цих величин.

4. На графіку фактично не позначено експериментальні точки. Положення їх уявляється на перетині пунктирних ліній. Але кожну експериментальну точку треба не тільки позначати, а й обвести кружком, радіус якого дорівнює середній абсолютній похибці в даній серії вимірювань, якщо вони оцінюються в роботі. Допоміжні пунктирні лінії на графіку зображати не треба.

5. На графіку 1 крива проведена так, що вона проходить через всі експериментальні точки. Внаслідок цього крива набуває дещо незвичної форми, тому в неї важко втілити певний фізичний смисл. Треба мати на увазі, що дослід завжди виконується з похибками, тому деякі експериментальні точки на криву не попадуть. Сама ж крива має бути проведена плавно, без необгрунтованих зигзагів, але так, щоб задовольнити одержаним експериментальним точкам. Графік пропонується будувати на міліметровому папері.

На рис. 2 побудований графік з дотриманням усіх вищезазначених вимог. Цей графік побудовано за тими ж даними, що і графік на рис. 1.

Для з‘ясування усіх згаданих тут зауважень прочитайте ще раз цей параграф, порівнюючи рисунки 1 та 2.

 

 

4. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО МІЖНАРОДНУ СИСТЕМУ ОДИНИЦЬ ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН (SI)

 

Основу стандарту, що дiє в нашiй кpaїні, складає Мiжнародна система одиниць SI. SI - найбiльш досконала сьогоднi система одиниць. Вона є єдиною i унiверсальною системою, яка охоплює всi областi вимiрювань, встановлює простий i чiткий зв'язок мiж механiчними, тепловими, електромагнiтними i iншими величинами.

Основнi одиницi SI

 

МЕТР (м) - довжина, що дорiвнює l650763,73 довжин хвиль у вакуумi випромiнювання, що вiдповiдає переходу мiж рiвнями 2р¹⁰ та 5d⁵ атому криптону-86.

КIЛОГРАМ (кг) - маса, що дорiвнює масi мiжнародного прототипу кi-лограму.

СЕКУНДА (с) - час, що дорiвнює 9192631770 пepioдам випромiнювання, яке вiдповiдає переходу мiж двома надтонкими рiвнями основного стану атому цезiю-133.

АМПЕР (A) - сила незмiнного струму, який при проходженнi по кожному з двох прямолiнiйних провiдникiв безмежної довжини i незначного кругового перерізу, розмiщених на вiдстанi 1 м один вiд одного у вакуумi, породжував би мiж цими провiдниками силу взаємодii, яка дорiвнює 2×10^-7 Н на кожний метр довжини.

KEЛЬBIH (K) – 1/273,16 частина термодинамiчної температури потрiйної точки води.

КАНДЕЛА (кд) - сила свiтла, випромiнюваного з поверхнi площею 1/600000 м² полого випромiнювача по перпендикулярному напрямку, при температурi затвердiння платини при тиску 101325 Па.

МОЛЬ (моль) - кiлькiсть речовини системи, яка мiстить стiльки ж структурних елементiв, скiльки їx мiститься у нуклiдi вуглецю-12 масою 0,012 кг. При застосуваннi моля структурнi елементи мають бути специфiкованi в групи часток. Кiлькiсть структурних елементiв, що мiститься в одному молi, носить назву числа Авогадро, i воно дорiвнює (6,02252 ± 0,00028)×10²³ 1/моль.

Додатковi одиницi SI

Радiан (рад) - кут мiж двома радiусами круга, якi вирiзають на колi дугу, довжина якої дорiвнює радiусовi.

Стерадiан (ср) - тiлесний кут з вершиною в центрi сфери, який вирiзає на її поверхнi площу, що дорiвнює квадрату радiусу сфери.

 

Похiднi одиницi SI

 

Найменування величини	Визначальне рівняння	Одиниця виміру	Скорочене позначення