Физика: Методические указания по проведению лабораторных работ

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания для студентов по проведению лабораторных работ

для специальностей 2201 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети” 2004 “Сети связи и системы коммуникации” 0613 “Государственное и муниципальное управление” 2015 “Почтовая связь” по дисциплине «Физика»

Уфа 2004

Методические указания для студентов по проведению лабораторных работ для специальности 2201 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 2004 “Сети связи и системы коммуникации”, 0613 “Государственное и муниципальное управление”, 2015 “Почтовая связь”, по дисциплине «Физика»

Составитель: Рецензенты:

Г.Г. Хакимьянова

Преподаватель УГКР

(Фамилия И.О.)

(Занимаемая должность и место работы)

Р.Ф. Туктаров

Старший научный сотрудник института физики молекул и кристаллов РАН, к.ф.-м.н.

(Фамилия И.О.)

(Занимаемая должность и место работы)

И.Ф.Саматова (Фамилия И.О.)

К.х.н., доцент, преподаватель УГКР (Занимаемая должность и место работы)

Предисловие. Назначение методических указаний. Данные методические указания предназначены для закрепления теоретических знаний и приобретения необходимых практических навыков и умений по программе дисциплины “Физика” для специальности 2201 “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”. В сборнике содержатся методические указания по выполнению следующих лабораторных работ: №1. Изучение звёздного неба с помощью подвижной карты. №2. Проверка объединённого газового закона. №3. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды. №4. Определение влажности воздуха. №5. Определение модуля Юнга резины. №6. Определение Э.Д.С. и внутреннего сопротивления источника тока. №7. Определение удельного сопротивления проводника. №8. Изучение последовательного и параллельного соединения проводников. №9. Исследование зависимости мощности лампочки от напряжения. №10. Изучение электрических свойств полупроводников. №11. Изучение явления электромагнитной индукции.. №12.Определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника. №13. Изучение устройства и работы трансформатора. №14. Сборка простейшего радиоприёмника. №15. Определение показания преломления стекла. №16. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки. №17. Наблюдение спектров испускания и поглощения. №18. Наблюдение интерференции и дифракции света. №19. Изучение треков по готовым фотографиям. №20. Астрономическое наблюдение солнечных пятен, поверхности луны с помощью телескопа.

3

Требования к знаниям и умениям при выполнении лабораторных работ. При выполнении лабораторных работ студент должен: Знать: -основы теории курса физики, обозначения и единицы физических величин в СИ; -физический смысл универсальных физических постоянных; -применение физических явлений в природе и технике; -способы измерения физических величин; -устройство и принцип работы физических устройств; -правила техники безопасности при работе в физической лаборатории; Уметь: -использовать законы физики при объяснении различных явлений в решении практических задач; -обращаться с физическими приборами и использовать их при проведении лабораторных работ; -оценивать погрешности измерений; -пользоваться необходимой справочной литературой.

4

Содержание. Предисловие Правила выполнения лабораторных работ. Правила техники безопасности Обработка результатов измерений при проведении лабораторных работ. Лабораторная работа № 1 Лабораторная работа № 2 Лабораторная работа № 3 Лабораторная работа № 4 Лабораторная работа № 5 Лабораторная работа № 6 Лабораторная работа № 7 Лабораторная работа № 8 Лабораторная работа № 9 Лабораторная работа № 10 Лабораторная работа № 11 Лабораторная работа № 12 Лабораторная работа № 13 Лабораторная работа № 14 Лабораторная работа № 15 Лабораторная работа № 16 Лабораторная работа № 17 Лабораторная работа № 18 Лабораторная работа № 19 Лабораторная работа № 20

Правила выполнения лабораторных работ. 3 5 6 8 12 14 16 19 21 23 26 28 31 34 37 40 43 47 51 54 58 61 63 67

1.Студент должен прийти на лабораторное занятие подготовленным к выполнению лабораторной работы. 2.Каждый студент должен знать правила по технике безопасности при работе в физической лаборатории. 3.Каждый студент после проведения работы должен представить отчёт о проделанной работе с анализом полученных результатов и выводов по работе. 4.Отчёт о проделанной работе следует выполнять в журнале лабораторных работ на листах формата A4 с одной стороны листа. Содержание отчёта указано в описании лабораторной работы. 5.Таблицы и рисунки следует выполнять с помощью чертёжных инструментов (линейки, циркуля, и т. д.) карандашом с соблюдением ЕСКД. 6.В заголовках граф таблиц обязательно приводить буквенные обозначения величин в соответствии с ЕСКД. 7.Расчёт следует проводить с точностью до двух значащих цифр. Исправления выполняются на обратной стороне листа. При мелких исправлениях неправильное слово (буква, число и т. п.) аккуратно зачёркиваются и над ним пишут правильное пропущенное слово (букву, число и т. п.). Вспомогательные расчёты можно выполнять на отдельных листках, а при необходимости на листах отчёта. Если студент не выполнит лабораторную работу или часть работы, то он может выполнить её во внеурочное время, согласованное с преподавателем.

72

7.Оценку по лабораторной работе студент получает, с учётом срока выполнения работы, если: - расчёты выполнены правильно и в полном объеме; - сделан анализ проделанной работы и вывод по результатам работы; - студент может пояснить выполнение любого этапа работы; - отчёт выполнен в соответствии с требованиями к выполнению работы. Зачёт по лабораторным работам студент получает при условии выполнения всех предусмотренных программой работ после сдачи отчётов по работам при удовлетворительных оценках за опросы и контрольные вопросы во время лабораторных работ или при получении зачёта. 5

Правила техники безопасности. I.

Общие положения.

I.1. Группа допускается к выполнению лабораторных работ только после проведения преподавателем инструктажа по ТБ с последующей подпиской каждого студента в спец. журнале. I.2. Лабораторные работы студенты выполняют бригадами по 2- 3 человека. Рабочие места в лаборатории можно менять только с разрешения преподавателя. I.3. Приборы, оборудование, необходимые для работы, размещают на рабочем месте по приходу студентов. I.4. Переставлять приборы, оборудование со стола на стол без разрешения преподавателя не разрешается. I.5. Каждый студент должен выполнять требования внутреннего распорядка, установленного для лаборатории колледжа. I.6. Обнаружив любую неисправность в приборах, необходимо немедленно выключить рубильник и сообщить об этом преподавателю. I.7. Замену и установку предохранителей допускается производить при отключённом рубильнике и только с разрешения преподавателя.

Список литературы. 1. Жданов Л. С., Жданов Г. Л. Физика (учебник для средних специальных учебных заведений - М. Высшая школа1995) § 43.1-3 (1). 2. Дмитриева В. Ф. Физика (Учебное пособие для средних специальных учебных заведений – М. Высшая школа 2001 г.) § 229-233 (2).

II.1. Требование безопасности перед началом работы. II.1.1. Осмотрите состояние рабочего места и приведите его в порядок: - уберите лишнее, мешающие работе предметы; - расположите в удобном порядке приборы и оборудование, приспособления и соединительные шнуры. II.1.2. До включения оборудования внешним осмотром убедитесь в его исправности и безопасности: - в наличиие, целостности и прочности подсоединения заземляющего проводника к корпусам электрооборудования; - в отсутствии повреждений изоляции проводников и соединительной арматуры (вилок, розеток, разъёмов и т. д.) II.1.3. Осмотрите рабочий инструмент и убедитесь в том, что: - диэлектрические отвёртки, пассатижи и т. п. не имеют трещин и сколов на изолирующих поверхностях; - исправны ручки на всех измерительных приборах. II.2. Требования безопасности во время работы. II.2.1. Электроизмерительные приборы переносного типа размещайте на рабочем месте, выполненного из токонепроводящего материала. Не держите измерительные приборы на коленях или руках. 6

71

4.2.1. Спустя 30 – 35 мин вновь определить количество делений n2 микрометра между наблюдаемой звездой и диском Луны. 4.2.2. Определить угловое перемещение Луны |n2-n1|a и её угловую скорость ω=│n2-n1│a/t1 , где t – время между двумя наблюдениями, с. 4.2.3. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 19. Таблица 19-определения угловой скорости Луны. Коли чество делений микроме тра между звездами Мицар и Алькор n

Цена деления шкалы микроме тра а, "дуги

Количество делений шкалы микрометра между звездойориентиром и Луной

n1

Угловое перемещение Луны, |n2-n1|a, "дуги

Время между двумя наблюдения ми t, с

Угловая скорость движения Луны ω, "дуги/с

n2

5.Методические рекомендации. 5.1.Наилучшие условия для наблюдения Луны – первые десять дней после новолуния, различные детали на поверхности Луны видны лучше в определённые моменты, зависящие от фазы Луны. 5.2.При отсутствии в лаборатории телескопа заводской конструкции можно провести наблюдения с помощью бинокля или самодельного телескопа. 5.3.На занятиях физического кружка можно: а) провести наблюдения фаз Луны, положение её на небосводе и видимого перемещения планет среди звёзд; б) изучать поверхность Луны с помощью лунной карты.

II.2.2. Перед включением прибора в сеть присоедините заземляющий провод к соответствующей клемме прибора. II.2.3. Не оставляйте включённым в сеть приборы и оборудование без присмотра. II.2.4. Перед включением прибора убедитесь, что все тумблеры и переключатели находятся в положении выключено. II.2.5. Работу выполняйте только в том объеме и последовательности, которые предусмотрены описаниями лабораторных работ. II.2.6. Содержите рабочее место в чистоте и порядке. Не захламляйте рабочие столы одеждой, сумками, учебниками и др. посторонними предметами. II.2.7. Во избежании поражения электрическим током не открывайте защитные кожухи приборов и оборудования, не производите сами их ремонт. II.2.8. При малейшем воздействии электротока немедленно прекратите работу, выключите оборудование и сообщите об этом руководителю работ. II.3. Требования безопасности по окончании работы. II.3.1. Выключите оборудование, отключите от электросети вспомогательное оборудование (приборы, паяльники), выньте штепсельные вилки из розеток. II.3.2. При отключении аппаратуры защитное заземление отключается в последнюю очередь. II.3.3. Приведите в порядок рабочее место: - оборудование и приборы уберите в отведённые места по указанию руководителя работ; - вымойте рука водой с мылом; - произведите влажную уборку помещения лаборатории (силами дежурных студентов).

6.Содержание отчета. Отчёт должен содержать: 6.1.Название работы. 6.2.Цель работы. 6.3.Перечень необходимого оборудования. 6.4.Формулы искомых величин и их погрешностей. 6.5.Таблица с результатами измерений и вычислений. 6.6.Выводы о проделанной работе.

70

7

Как определять абсолютные и относительные погрешности измерений физических величин. А, В, С – физические величины. Апр – приближенное значение физической величины (значение, полученное путём прямых или косвенных измерений – см. рис. 1).

Рис. 1. ΔА – абсолютная погрешность измерения физической величины (выражается в тех же единицах, что и сама физическая величина). ΔиА – максимальная абсолютная инструментальная погрешность (погрешность средств измерения – см. табл. I) Δ0 А – абсолютная погрешность отсчёта (происходящая от недостаточно точного считывания показаний средств измерения), равная в большинстве случаев половине цены деления (при измерении времени – цене деления часов, секундомера, метронома). Абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютных погрешностей отсчёта и инструментальной (при отсутствии других погрешностей): ΔА= Δ0А + Δи А. Абсолютная погрешность измерения обычно округляется до одной значащей цифры (ΔА= 0,17= 0,2); приближённое значение физической величины округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности (Апр= 10,332= 10,3).

Отношение площадей пятна и Земли Sп /Sз

Площадь поверхности Земли Sз, км2

Sп, пятна Площадь км2

4.2.Наблюдение поверхности Луны и двойных звёзд. 4.2.4. Расположить глаз у окуляра телескопа, установленного на Луну, и откорректировать по глазу фокусировку окуляра. 4.2.5. Наблюдать в телескоп поверхность Луны. Рассмотреть на полученном изображении лунного диска пятна – моря Луны и кольцевые овалы - кратеры Луны. 4.2.6. Зарисовать в тетради наблюдаемое изображение Луны, отметив расположение наблюдаемых лунных морей и кратеров. 4.2.7. Расположить глаз у окуляра телескопа, установленного на двойную звезду «ковша» Большой Медведицы (вторая звезда конца «ручки ковша»). Рассмотреть рядом с яркой звездой Медведицы - Мицар вторую, слабую звездочку Алькор. Эти звезды отстоят друг от друга на расстоянии 707 секунд дуги. 4.2.8. При наблюдении обратить внимание на блеск, цвет и взаимное расположение звезд. 4.2.9. Вывинтить окуляр из переходной втулки и поместить перпендикулярно её оси микрометр. Ввинтить окуляр в переднюю втулку. 4.2.10. Рассмотреть с помощью телескопа полученное изображение двойной звезды Большой Медведицы и определить количество делений микрометра между Мицаром и Алькором (угловое расстояние между наблюдаемыми звёздами ξ,g). 4.2.11. Определить цену деления микрометра α: α=707 секунд дуги/п. 4.2.12. Расположить глаз у окуляра телескопа, установленного на диск Луны (ξ) и звезду-ориентир (g), которая может быть расположена слева или справа от диска Луны, и определить количество делений n1 микрометра между этой звездой и краем диска Луны. 69

8

Угловой диаметр пятна dу, "дуги

диаметр Линейный пятен dл,км

Диаметр пятна d,ед. масш.

Угловой масштаб изображения диска Солнца mу, "дуги/ед. масш.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путём с помощью средств измерения. Прямое измерение – определение значения физической величины непосредственно с помощью средств измерения. Косвенное измерение – определение значения физической величины по формуле, связывающей её с другими физическими величинами, непосредственно измеряемыми.

Линейный масштаб изображения диска Солнца mл ,км/ед. масш.

Памятка для студентов. Как обрабатывать результаты измерений.

Таблица 18-определения диаметра солнечного пятна. Диаметр диска Солнца D, ед. масш.

Об обработке результатов измерений при проведении лабораторных работ.

4.1.4.Вывинтить окуляр телескопа из переходной втулки и поместить перпендикулярно её оси микрометр, зажатый между двумя картонными кольцами. 4.1.5.Ввинтить окуляр. Надеть защитный фильтр. 4.1.6.Расположить глаз у окуляра и получить изображение Солнца в поле зрения трубы телескопа таким образом, чтобы шкала микрометра проходила посередине солнечного диска. 4.1.7.Измерить диаметр солнечного диска D. 4.1.8.Вычислить линейные mл и угловые mу масштабы изображения солнечного диска: mл = Dл/D, mу = Dу /D. Здесь Dл – линейный диаметр Солнца, равный 1390600 км; Dу – Угловой диаметр Солнца, равный приблизительно 1920 секундам дуги.

ε - относительная погрешность измерения физической величины, равная: ε =ΔА/Апр*100% Таблица I Допустимые инструментальные погрешности средств измерения № Средство измерения

Допустимая инструментальна я погрешность

до 50 см до 50 см 20 см

1 мм 1 мм 1 мм

±1 мм ±0,2 мм ±0,1 мм

100 см 150 см до 250 мл от 1 до 100 г 150 мм

1 см 0,5 см 2 мл

25 мм 4Н 200 г 0 – 30 мин 720 – 780 мм рт. ст. 0-100 0С

0,01 мм 0,1 Н 0,2 с 1 мм рт. ст. 10С

±0,5 см ±0,5см ±1 мл меньше 0,04 г ±0,02 мм (в школе 0,05 мм) ±0,004 мм ±0,05 Н ±0,1 г ±1 с за 30 мин ± 3 мм рт. ст.

школьный

2А

0,1 А

±0,05 А

школьный

6В

0,2 В

±0,15 В

п

1

6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3

68

Цена деления

\

2 3 4 5

4.1.9.Расположить глаз у окуляра телескопа и получить изображение Солнца в поле зрения трубы телескопа так, чтобы шкала микрометра расположилась на измеряемом пятне (рис.31). 4.1.10.Измерить по шкале микрометра диаметр пятна d и вычислить линейный dл и угловой dу размеры диаметра пятна: dл=mл d, dу=mу d. 4.1.11.Вычислить площадь измеренного пятна и сравнить с площадью поверхности Земли. 4.1.12.Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 18.

Предел измерения

п

Линейка: ученическая чертёжная инструментальная (стальная) демонстрационная Лента измерительная Мензурка Гири 4-го класса Штангенциркуль Микрометр Динамометр учебный Весы учебные Секундомер Барометр – анероид Термометр лабораторный Амперметр γпр=2,5 Вольтметр γпр=2,5

0,1 мм

± 10С

Относительная погрешность косвенных измерений определяется так, как показано в табл. II.

9

Формулы для нахождения относительной погрешности косвенных измерений № п/п 1 2 3 4

Формула физической величины А= В∗С∗D А= В/С∗D А= В±С А= В √С/D

Формула погрешности

относительной

ε =ΔВ/В + ΔС/С + ΔD/D ε =(ΔВ + ΔC)/(В±С) ε =ΔВ/В + 1/2*ΔС/С +1/2*ΔD/D

Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется по формуле: ΔА= Апрε (ε выражается десятичной дробью). Как записывать результат измерений. А= Апр±ΔА, ε= …% Как сравнить результаты двух измерений одной и той же физической величины. 1. Записать результаты 1- го и 1- го измерений по форме: А1= А1 пр±ΔА1, А2= А2 пр±ΔА2. 2. Записать результаты измерений в виде двойных неравенств: А1 пр-ΔА11 трансформатор повышает напряжение; при k