Проведение лабораторных работ и оформление протокола

Приведенных выше формул и определений будет достаточно для проведения большинства лабораторных работ в курсе физики на медицинских факультетах. Целью данного раздела является описание алгоритма проведения лабораторных работ, которые будут составлять основную часть всего лабораторного практикума.

Необходимо напомнить, что перед началом лабораторного практикума каждый студент должен будет прослушать и сдать основные принципы техники безопасности при работе с физическими приборами. Таким образом, первым шагом выполнения лабораторных работ является проверка собранной экспериментальной установки на безопасность. Следующим шагом должно быть исследование собранной установки и предлагаемого метода измерений для устранения возможных систематических ошибок и установления предельной точности измерительной аппаратуры. Следующим шагом является подготовка матрицы для составления протокола исследований. Пусть мы должны измерять некоторую случайную величину X. На этом этапе работы составляется таблица.

Таблица протокола

№ п/п	m		Е%	доверительный интервал





n
		Взять из таблицы Стьюдента		.

Перед заполнением таблицы протокола необходимо сделать выбор числа измерений (n). Выбор числа измерений всегда является неким компромиссом между стремлением сделать как можно больше измерений (для уменьшения случайной погрешности), наличными возможностями лаборатории и точностью измерительной аппаратуры (нет смысла сильно увеличивать число измерений, поскольку конечная точность измерений все равно не будет лучше точности самого грубого задействованного прибора в установке). После выбора числа измерений начинается проведение собственно измерений и заполнение второго столбца таблицы протокола.

Как отмечалось выше, на этом этапе самым важным является внимание и аккуратность, как в точном воспроизведении условий каждого измерения, так и в заполнении таблицы протокола. Это в значительной степени будет способствовать исключению промахов.

После проведения измерений и заполнения второго столбца таблицы рассчитывается средняя арифметическая по формуле, приведенной в конце второго столбца (формула 1), и записывается в клетке, где приведена эта формула. Следующим этапом проводится расчет абсолютных погрешностей по формуле 2 и запись их во второй столбец. После заполнения второго столбца по формуле, приведенной в конце этого столбца (формула 3), рассчитывается средняя арифметическая погрешность и записывается в клетке, где приведена расчетная формула. Далее последовательно рассчитываются дисперсия и сигма по соответствующим формулам, и, наконец, рассчитывается доверительный интервал для среднего арифметического.

Конечный результат измерения может выражается соотношениями:

(5) – характеризует погрешность измерений.

(5а) – характеризует изменчивость экспериментального ряда.

(5б) – характеризует ошибку среднего арифметического.

(5в) – характеризует доверительный интервал для среднего.

Приведем пример заполнения протокола. Пусть было проведено 5 измерений диаметра стального шарика с помощью микрометра, абсолютная погрешность которого равна .

Результирующая таблица протокола в данном случае будет выглядеть следующим образом:

№ п/п				m (мм)		Е%	(мм)
	5,27	0,02	0,0004	0,02 0,009	2,776	0,3	0,024
	5,30	0,01	0,0001
	5,28	0,01	0,0001
	5,32	0,03	0,0009
	5,28	0,01	0,0001
	5,29	0,016	0,0004

Поскольку средняя арифметическая погрешность (0,016) больше приборной погрешности (0,01) результат можно представить в любом из следующих вариантов:

В качестве тренировки студентам рекомендуется самим провести все расчеты и проверить правильность заполнения таблицы протокола.

Возможные модификации таблицы протокола. Довольно часто складывается ситуация, когда для оценки какой-либо физической величины необходимо пользоваться различными константами, которые необходимо найти в справочных таблицах. Кроме того, если это косвенные измерения, часто приходится измерять не одну физическую величину, а несколько. Для полноты таблицы протокола в ней должны быть представлены все эти величины.

Для примера приведем таблицу протокола измерения вязкости жидкости по методу Стокса. В этом случае вязкость жидкости определяется по формуле: (6). В этой формуле – вязкость жидкости (Па·с), d – диаметр шарика (м), g – ускорение свободного падения (м/с²), – плотность шарика (кг/м³), – плотность жидкости (кг/м³), – скорость равномерного движения шарика в жидкости (м/с). Как должна выглядеть таблица протокола в данном случае?

Сначала условимся о количестве измерений. Допустим, мы планируем провести серию из пяти измерений. Что в данном случае необходимо измерять? Очевидно, две величины: диаметр шарика и скорость падения. Для того чтобы измерить скорость падения, необходимо измерить время прохождения шариком определенного, заранее известного, расстояния. Таким образом, фактически мы будем измерять не скорость падения, а время прохождения определенного пути (t, (с)), а потом рассчитывать скорость как путь, деленный на время. Величины , необходимо получить из соответствующих справочных таблиц. При этих условиях таблица протокола в самом простом варианте (без учета переноса ошибок) будет выглядеть следующим образом:

№ п/п	d_i (м)	t_i, (c)	v_i (м/с)	g (м/с²)	(кг/м³)	(кг/м³)	(Па·с)	(Па·с)	E%
				Взять в справочных таблицах	Взять в справочных таблицах	Взять в справочных таблицах

Каждое будет рассчитываться по формуле (6). Вычисляются также значения дисперсии, сигмы, ошибки среднего и доверительного интервала (в таблице не представлены)

Расчеты проводятся аналогичным образом, как это было сделано ранее.