Лабораторные работы по физике

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение………………………………………………………………………..3

2.Погрешности измерений………………………………….…………………...4

3.Сведения о приближенных значениях…………………..…………………...8

4. Методика выполнения лабораторных работ

4.1 Подготовка к лабораторной работе……………………………………...9

4.2 Сборка электрической цепи……………………………………………...10

4.3 Выполнение измерений и вычислений ………………………….……...10

4.4 Составление отчета…………………………………...…………………..11

5. Описание лабораторных работ

Лабораторная работа №1 «Определение ускорения свободного падения

с помощью маятника»…………………………………………………..14

Лабораторная работа №2 «Исследование зависимости силы трения скольжения от веса тела»………………………………………………..16

Лабораторная работа №3 «Изучение зависимости периода колебаний нитяного маятника от длины нити»…………………………………….18

Лабораторная работа №4 «Определение атмосферного давления по закону Бойля-Мариотта»………………………………………………...20

Лабораторная работа №5 «Определение относительной влажности воздуха с помощью психрометра»…………………………………….22

Лабораторная работа №6 «Изучение последовательного и параллельного соединения проводников»…………………………….25

Лабораторная работа №7 «Определение длины световой волны»….26

Лабораторная работа №8 «Определение показателя преломления стекла»…………………………………………………………………….30

Лабораторная работа №9 «Наблюдение сплошного и линейчатого спектров»………………………………………………………………….32

Лабораторная работа №10 «изучение треков заряженных частиц по фотографиям»……………………………………………………………34

Введение.

Курс «Физика» для средних специальных учебных заведений является общеобразовательной дисциплиной и служит основой для изучения ряда дисциплин, формирующих технологические компетенции.

Физика — наука экспериментальная, поэтому физический эксперимент является корневой структурой физического образования. Лабораторные работы проводятся с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспериментальных умений; формирования у них самостоятельности при решении задач, связанных с экспериментом. Составной частью современного научного познания является эксперимент, отличающийся от наблюдения активным оперированием реальными объектами, позволяющий изолировать изучаемый объект или процесс от побочных явлений или предметов. "Задача физики - по Галилею, - придумать эксперимент, повторить его несколько раз, исключив или уменьшив влияние возмущающих факторов..." Получая в ходе проведения эксперимента числовой результат, обучающихся должен понимать, какие допущения и пренебрежения были сделаны при постановке опыта и проведении расчетов. С этой позиции он должен оценивать и сопоставлять с табличными данными полученный результат, формулировать вывод.

Описание лабораторных работ составлено по традиционному принципу с включением целей , теоретической и экспериментальной части работы с примерами записи полученных результатов в виде таблиц и графиков. Отдельно вынесены вопросы для самостоятельной проработки, приведен перечень рекомендуемой литературы. В теоретической части описания лабораторных работ сформулированы основные понятия и физические законы по теме работы, приведено обоснование и вывод рабочих формул. В экспериментальной части описания предлагается применение различных методик определения характеристик физических систем или универсальных физических постоянных, проверки физических законов.

1. Погрешности измерений

Измерение- это нахождение числового значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений (линейки, вольтметра, часы и т.д.).

Измерения могут быть прямыми и косвенными.

Прямое измерение- это нахождение числового значения физической величины непосредственно средствами измерений. Например, длину - линейкой, атмосферное давление- барометром.

Косвенное измерение- это нахождение числового значения физической величины по формуле, связывающей искомую величину с другими величинами, определяемыми прямыми измерениями. Например: сопротивление проводника определяют по формуле R=U/I, где U и I измеряются электроизмерительными приборами. Поэтому измерения никогда не могут быть выполнены абсолютно точно. Результат любого измерения приближенный. Неопределенность в измерении характеризуется погрешностью - отклонением измеренного значения физической величины от ее истинного значения.

Перечислим некоторые из причин, приводящих к появлению погрешностей.

1. Ограниченная точность изготовления средств измерения.

2. Влияние на измерение внешних условий (изменение температуры, колебание напряжения ...).

3. Действия экспериментатора (запаздывание с включением секундомера, различное положение глаза...).

4. Приближенный характер законов, используемых для нахождения измеряемых величин.

Перечисленные причины появления погрешностей неустранимы, хотя и могут быть сведены к минимуму. Для установления достоверности выводов, полученных в результате научных исследований, существуют методы оценки данных погрешностей.

Случайные и систематические погрешности

Погрешности, возникающие при измерениях, делятся на систематические и случайные.

Систематические погрешности- это погрешности, соответствующие отклонению измеренного значения от истинного значения физической величины всегда в одну сторону (повышения или занижения). При повторных измерениях погрешность остается прежней.

Причины возникновения систематических погрешностей:

1) несоответствие средств измерения эталону;

2) неправильная установка измерительных приборов (наклон, неуравновешенность);

3) несовпадение начальных показателей приборов с нулем и игнорирование поправок, которые в связи с этим возникают;

4) несоответствие измеряемого объекта с предположением о его свойствах (наличие пустот и т.д).

Случайные погрешности- это погрешности, которые непредсказуемым образом меняют свое численное значение. Такие погрешности вызываются большим числом неконтролируемых причин, влияющих на процесс измерения (неровности на поверхности объекта, дуновение ветра, скачки напряжения и т.д.). Влияние случайных погрешностей может быть уменьшено при многократном повторении опыта.

Абсолютные и относительные погрешности

Для количественной оценки качества измерений вводят понятия абсолютной и относительной погрешностей измерений.

Как уже говорилось, любое измерение дает лишь приближенное значение физической величины, однако можно указать интервал, который содержит ее истинное значение

А_пр- А _{ист пр}+А

Величина DА называется абсолютной погрешностью измерения величины А. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Абсолютная погрешность равна модулю максимально возможного отклонения значения физической величины от измеренного значения. А_пр- значение физической величины, полученное экспериментально, если измерение проводилось многократно, то среднее арифметическое этих измерений.

Но для оценки качества измерения необходимо определить относительную погрешность e

= А/А_пр или А/А_пр)*100%.

Если при измерении получена относительная погрешность более 10%, то говорят, что произведена лишь оценка измеряемой величины. В лабораториях физического практикума рекомендуется проводить измерения с относительной погрешностью до 10%. В научных лабораториях некоторые точные измерения (например определение длины световой волны), выполняются с точностью миллионных долей процента.

Погрешности средств измерений

Эти погрешности называют еще инструментальными или приборными. Они обусловлены конструкцией измерительного прибора, точностью его изготовления и градуировки. Обычно довольствуются о допустимых инструментальных погрешностях, сообщаемых заводом изготовителем в паспорте к данному прибору. Эти допустимые погрешности регламентируются ГОСТами. Это относится и к эталонам. Обычно абсолютную инструментальную погрешность обозначают D и А.

Если сведений о допустимой погрешности не имеется (например у линейки), то в качестве этой погрешности можно принять половину цены деления.

При взвешивании абсолютная инструментальная погрешность складывается из инструментальных погрешностей весов и гирь. В таблице приведены допустимые погрешности наиболее часто встречающихся в школьном эксперименте средств измерения.

Запись окончательного результата прямого измерения

Окончательный результат измерения физической величины А следует записывать в такой форме

А=А_пр+ А, А/А_пр)*100%.

А_пр- значение физической величины, полученное экспериментально, если измерение проводилось многократно, то среднее арифметическое этих измерений. D А- полная абсолютная погрешность прямого измерения.

Абсолютную погрешность обычно выражают одной значащей цифрой.

Пример: L=(7,9 + 0,1) мм, 

3. Сведения о приближенных вычислениях

При работе с приближенными числами необходимо соблюдать следующие правила:

1. При сложении и вычитании приближенных чисел в результате следует сохранять столько десятичных знаков, сколько их в числе с наименьшим количеством десятичных знаков.

Пример: 1,82 + 14, 368 3 + 5,8 = 1,82 + 14,37 + 5,8 = 22,0.

1. При умножении и делении в результате следует сохранять столько значащих цифр, сколько их в приближенном числе с наименьшим количеством значащих цифр.

Примеры: 83 973 ∙ 0,4 = 84 ∙10³ ∙ 0,4 = 33,6 ∙ 10³ = 3 ∙10⁴.

1. При возведении в квадрат и клуб в результате следует сохра­нять столько значащих цифр, сколько их имеет возводимое в степень приближенное число.

Примеры: 1,32² = 1,74; 3,6³ = 46.

1. При извлечении квадратного и кубического корней в результа­те следует брать столько значащих цифр, сколько их в подко­ренном приближенном числе.

Примеры: = 1,89 ∙ 10^-4; = 1,61.

1. При вычислении промежуточных результатов следует брать на одну цифру больше, чем рекомендуют правила. В окончательном результате эта "запасная" цифра отбрасывается.
   Пример:

4. Методика выполнения лабораторных работ

4.1 Подготовка к лабораторным работам

Подготовка к проведению лабораторных работ начинается в начале теоретического изложения изучаемой темы на уроках физики и продолжается по ходу её изучения при освоении материала на занятиях в техникуме и работе над ним в ходе самостоятельной подготовки дома и в библиотеках. Для качественного выполнения лабораторных работ студентам необходимо:

1. повторить теоретический материал по конспекту и учебникам;

2. ознакомиться с описанием лабораторной работы;

3. в специальной рабочей тетради записать название и номер работы, перечень необходимого оборудования, подготовить схему или зарисовку установки, таблицы для записи результатов измерений и вычислений, подготовить миллиметровую бумагу и графический масштаб для построения графиков;

4. выяснить цель работы, четко представить себе поставленную задачу и способы её достижения, продумать ожидаемые результаты опытов;

5. ответить устно или письменно на контрольные вопросы по изучаемой теме или решить ряд задач;

6. изучить порядок выполнения лабораторной работы. Подготовить лабораторное оборудование к работе, если нужно собрать электрическую схему. После проверки правильности собранной схемы преподавателем можно начинать выполнение лабораторной работы.

4.2 Сборка электрической цепи

При сборке электрических цепей требуется придерживаться следующих правил:

1. Проводить сборку цепи при отключенном источнике напряжения;

2. Вначале собирается последовательная цепь, а затем к ней присоединяются параллельные участки;

3. Сборку цепи начинают с "+" источника, а заканчивают на источнике напряжения;

4. При сборке цепей постоянного тока необходимо соблюдать полярность включения электроизмерительных приборов. "+" приборов необходимо подключать к "+" источника, а "-" приборов к "–" источника.

5. При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности, быть аккуратным, бережно относиться к оборудованию и приборам.

4.3 Выполнение измерений и вычислений

1. Выполните лабораторную работу. При этом будьте внимательны при снятии показаний измерительных приборов. Старайтесь снять показания точнее, без излишне грубого округления. Результаты измерений занесите в таблицу.

2. Проведите вычисления искомых величин. При этом не нужно оставлять лишние цифры после запятой. Например, если U=12,3В и I=0,53А, то R=U/I=12,3B/0,53A=23,20754 Ом. Нет никакого смысла в результате вычисления сопротивления оставлять после запятой 5 знаков. Так как напряжение измерено с точностью до десятых долей вольта, то результат измерения сопротивления не будет превосходить эту точность. Точность измерения сопротивления будет ниже, чем точность измерения напряжения, поэтому в качестве ответа необходимо оставить R=23,2 Ом.

3. При вычислении относительной погрешности измерения, если δx x x 20% - неудовлетворительные.

4. При вычислении абсолютной и относительной погрешностей необходимо знать правила округления:

4.1. В результате оставить одну значащую цифру, если число начинается с цифр 4,5,6,7,8,9

4.2. В результате оставить две значащие цифры, если число начинается с цифр 1,2,3 Например: δx =12,3%. Применяя правила округления, в качестве ответа запишем: δx =12%. Если δx=43,1%, то ответ будет δx =40%

1. При построении графиков необходимо выяснить функциональную зависимость. Аргумент (независимая переменная) откладывается по горизонтальной оси, а функция – по вертикальной. Необходимо правильно выбрать масштаб по осям координат. Масштаб не должен быть слишком большим или слишком малым. В противном случае график будет или очень маленьким, или очень большим. По осям координат откладываются не произвольные числа, а числа кратные (1,2,3,4,5)*10 , где К=0,1,2,…

2. Сделать выводы по лабораторной работе.

4.4 Составление отчета

Составление отчета - индивидуальная работа студента. Отчет является документом о проделанном эксперименте, поэтому в нем должны быть приведены все необходимые сведения для проверки результатов опытов и расчетов.

Также в отчет должны входить:

• цель работы;

• теория;

• оборудование;

• схема опыта, если она приводится;

• таблицы данных;

• применяемые формулы и расчеты по ним;

• графики зависимости при требовании в порядке выполнения работы;

• выводы по результатам измерений и вычислений;

• ответы на контрольные вопросы или решения задач.

Схемы, таблицы, графики и другие построения выполняются только черным карандашом (тушью), чертежными инструментами. При выполнении схем должны соблюдаться стандартные обозначения (ГОСТы) указываемых элементов. Исправления и помарки в отчете не допускаются.

При выполнении всех вышеуказанных требований выполненная работа зачитывается преподавателем автоматически, в противном случае зачет производится по результатам собеседования с преподавателем.

4.5 Инструкция по технике безопасности

Общие требования безопасности

• Перед началом выполнения лабораторных работ по физике преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности.

• В случае появления дыма, специфического запаха горелой изоляции, студент должен выключить установку и немедленно сообщить о произошедшем преподавателю.

Основные правила техники безопасности

• Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

• Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описания, уясните ход её выполнения.

• Произведите сборку электрических цепей, переключения в них, монтаж и ремонт электрических устройств только при отключении источника питания. Запрещается подключать к электрической сети 220В приборы и оборудование без разрешения преподавателя.

• Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов были наконечники.

• При сборке электрической цепи, провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно зажимайте клеммами.

• Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголённым проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением).

• По окончании работы отключите источник электропитания, после чего разберите электрическую цепь.

• Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом преподавателю.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Тема: Определение ускорения свободного падения

с помощью маятника

Цель: вычислить ускорение свободного падения при помощи математического маятника.

Оборудование:

1. часы с секундной стрелкой;

2. измерительная лента

3. шарик с отверстием

4. нить

5. штатив с муфтой и кольцом.

Теория:

Как известно, гравитационное поле Земли в любой точке ее поверхности характеризуется ускорением свободного падения g. Ускорение свободного падения можно определить экспериментально с помощью математического маятника. Математическим маятником называют материальную точку массой m, подвешенную на невесомой, нерастяжимой нити и совершающей гармонические колебания в вертикальной плоскости. Период колебаний математического маятника выражается следующей формулой:

(1),

где –длина подвеса, g-ускорение свободного падения, T – период малых колебаний маятника. Из формулы (1) можно вычислить ускорение свободного падения:

(2)

Из формулы (2) видно, что для определения ускорения свободного падения необходимо знать длину подвеса и период малых колебаний маятника. Длина может быть измерена непосредственно с помощью линейки (мерной ленты).

Порядок выполнения работы

1. Установите на краю стола штатив. У верхнего конца укрепите при помощи муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 3–5 см от пола.

2. Отклоните маятник от положения равновесия на 5–8 см и отпустите его.

3. Измерьте длину подвеса мерной лентой.

4. Измерьте время Δt 40 полных колебаний (N).

5. Повторите измерения Δt (не изменяя условий опыта) и найдите среднее значение Δt _ср

6. Вычислите среднее значение периода колебаний Т_ср по среднему значению Δt _ср.

7. Вычислите значение g_ср по формуле:

1. Полученные результаты занесите в таблицу:

9. Сравните полученное среднее значение для g _ср со значением g =9.8м/с² и рассчитайте относительную погрешность измерения по формуле:

ε_g

Контрольные вопросы.

1. Чтобы помочь шоферу вытащить автомобиль, застрявший в грязи, несколько человек

раскачивают автомобиль, причем толчки, как правило, производятся по команде. Важно ли, через какие промежутки времени подавать команду?.

1. Математический маятник за 10 с совершил 20 полных колебаний. Найти период колебаний.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Тема: Исследование зависимости силы трения скольжения от веса тела

Цель: установить зависимость силы трения скольжения от веса тела.

Оборудование: динамометр, деревян­ный брусок, набор грузов известной массы, линейка.

Теория.

Сила трения – это сила, которая возникает в том месте, где тела соприкасаются друг с другом, и препятствует перемещению тел.

Сила трения - это сила электромагнитной природы.

Возникновение силы трения объясняется двумя причинами:

1) Шероховатостью поверхностей

2) Проявлением сил молекулярного взаимодействия.

Силы трения всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям и подразделяются на силы трения покоя, скольжения, качения.

В данной работе исследуется зависимость силы трения скольжения от веса тела.

Сила трения скольжения – это сила, которая возникает при скольжении предмета по какой-либо поверхности. По модулю она почти равна максимальной силе трения покоя. Направление силы трения скольжения противоположно направлению движения тела. Сила трения в широких пределах не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. В данной работе надо будет убедиться в том, что сила трения скольжения пропорциональна силе давления (силе реакции опоры):

Fтр=μN, где μ - коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом трения. Он характеризует не тело, а сразу два тела, трущихся друг о друга.

Ход работы:

1. При помощи динамометра определите вес бруска Р₀;

2. Рассчитайте вес груза Р_гр, зная его массу;

3. Определите общий вес бруска Р= Р₀ + Р_гр;

4. Поместите брусок с грузом на ровную поверхность и потяните прикреплённый к нему динамометр так, чтобы брусок двигался равномерно (без рывков), а динамометр был параллелен плоско­сти поверхности;

5. зафиксируйте значение силы трения; проведите измерения не ме­нее трёх раз;

6. проделайте опыты пунктов 3-5 для двух и трех грузов;

7. полученные результаты занесите в таблицу:

1. определите относительную погрешность измерений:

где

1. Сделайте вывод о зависимости силы трения скольжения от веса тела;

2. Сделайте вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы.

1. В чем состоит основное отличие сил трения от сил тяготения и упругости?

2. При каких условиях появляется сила трения?

3. От чего зависят модуль и направление силы трения покоя?

4. Приведите примеры полезного и вредного действия сил трения всех видов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Тема: Изучение зависимости периода колебаний нитяного маятника от длины нити.

Цель: проверить на практике справедливость теоретических соотношений по периоду колебаний нитяного маятника.

Оборудование: Шарик на нити, штатив с муфтой и кольцом, измеритель­ная лента, часы (или секундомер).

Теория.

Тело, подвешенное на нити, может совершать колебания, период которых определяется формулой

: , где l-длина подвеса, а g - ускорение свободного падения.

Нужно помнить, что зависимость периода колебаний от длины, выраженная формулой, справедлива лишь для таких маятников, у которых длина подвеса значительно (не менее чем в десять раз) превосходит размер подвешенных грузов (длиной нити следует считать расстояние от точки подвеса до центра тяжести груза).

Из этой формулы следует, например, что период колебаний изменится вдвое при изменении длины подвеса в четыре раза.

Это следствие и проверяют в работе. Поочередно испытывают два маятника, длины подвесов которых отличаются в четыре раза. Каждый из маятников приводят в движение и измеряют время, за которое он совершит определённое количество колебаний. Чтобы уменьшить влияние побочных факторов, опыт с каждым маятником проводят несколько раз и находят среднее значение времени, затраченное маятником на совершение заданного числа колебаний. Затем вычисляют периоды маятников и находят их отношение.

Указания к работе

1. Установите на краю стола штатив. К кольцу штатива подвесьте шарик на длинной нити (так, чтобы он находился на расстоянии 3 – 5 см от пола).

2. Измерьте длину нити l.

3. Отклоните шарик на 4 – 5 см от положения равновесия и отпустите.

4. Измерьте время t, за которое маятник сделает N = 30 полных колебаний.

5. Вычислите период колебаний.

6. Повторите опыт, уменьшив длину нити в 4 раза.

7. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

8. Сделайте вывод о зависимости периода колебаний маятника от длины нити.

 Контрольные вопросы.

1. Что называется математическим маятником?.

2. Что называется механическим колебанием?

3. Во сколько раз изменится частота колебаний математического маятника при увеличении длины нити в 3 раза?.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Тема: Определение атмосферного давления по закону Бойля-Мариотта

Цель работы: убедиться, что для газа данной массы произведение давления газа на его объем есть величина постоянная.

Оборудование: стеклянная трубка длиной 250-300 мм закрытая с одного конца, мензурка с водой, измерительная линейка с миллиметровыми делениями, барометр (один на весь класс).

Теория.

Закон Бойля-Мариотта описывает процесс, который происходит в газе данной массы при неизменной температуре. В этих условиях произведение давление газа на его объем есть величина постоянная. Иначе говоря, давление данной, массы газа при постоянной температуре изменяется обратно пропорционально его объему. Объектом исследования г данной работе будет служить воздух, заключенный в стеклянной трубке, закрытой с одного конца

Ход работы.

Опыт 1.

Измерить с помощью барометра атмосферное давление, выразив его в Па.

p₁=p_атм=_________мм рт.ст.=_________ Па.

Измерить объем воздуха в стеклянной трубке (в условных единицах по делениям линейки).

V₁=L₁

Вычислить произведение давления воздуха на его объем.

p₁V₁=

Опыт 2.

Погрузить стеклянную трубку в мензурку с водой закрытым концом вверх.Измерить новый объем воздуха в трубке.

V₂=L₂

Измерить разность уровней воды в мензурке и трубке.

h₁=_____см = ______м

Рассчитать гидростатическое давление столба воды в мензурке

p_воды1=ρgh₁

где: ρ= 1000 кг/м³; g=9,8м/с²; h-измеряется в (м)

Рассчитать новое давление воздуха в трубке

p₂=p_атм+p_воды1

Вычислить произведение давления воздуха на его объем

p₂V₂=

Опыт 3.Повторить эксперимент еще раз, погрузив трубку в мензурку на другую глубину V₃=L₃

h₂=_____см = ______м

p_воды2=ρgh₂

p₃=p_атм+p_воды2

p₃V₃=

Полученные результаты занести в таблицу.

Сделайте вывод.

Контрольные вопросы.

1. Вы надули щеки. При этом и объём и давление воздуха во рту увеличивается. Как это согласовать с законом Бойля- Мариотта?

2. Какие газовые законы вы знаете?

3. Сформулируйте закон Бойля – Мариотта.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Тема: Определение относительной влажности воздуха

с помощью психрометра

Цель:

1. Научиться измерять и вычислять влажность воздуха.

2. Научиться пользоваться психрометрическими таблицами

3. Оборудование: Психрометры

Теория.

В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность (ρ_а) определяется массой водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха, т.е. плотностью водяного пара. Абсолютную влажность можно определить по температуре точки росы – температуре, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. Температуру точки росы определяют с помощью гигрометра, а затем по таблице "Давление насыщающих паров и их плотность при различных температурах" находят соответствующую температуре точки росы плотность. Найденная плотность и есть абсолютная влажность окружающего воздуха. Относительная влажность В показывает, сколько процентов составляет абсолютная влажность ρ_а от плотности ρ_н водяного пара, насыщающего воздух при данной температуре: В = ρ_а • 100% / ρ_н

Для определения относительной влажности используют психрометр.

15