Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика»




НазваниеИнститут (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика»
страница1/22
Дата публикации17.07.2013
Размер2.23 Mb.
ТипЛабораторная работа
www.zadocs.ru > Физика > Лабораторная работа
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СЕВЕРО–КАВКАЗСКИЙ горно-металлургический ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)


КАФЕДРА ФИЗИКИ

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

«МЕХАНИКА и МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

для студентов специальностей 170600, 170300, 290300, 090200, 080100, 240400, 270500, 110200, 320700, 291000, 180400, 271200, 220200, 090300, 110300, 270200

Владикавказ, 2004

УДК 531/534

ББК 22.2

Рецензент: доктор физико-математических наук,

профессор Ахкубеков А. А.

Составители:

Проф. Созаев В. А.

Доц. Агаев В. В.

Доц. Чугуева З. И.

Доц. Метревели С. Г.

Доц. Старосельцева С. П.

Доц. Сочилина И. Н.

Доц. Фетисова В. М.

Ст.преп. Касумов Ю. Н.

Ст.преп. Айрапетова А. Т.

Ст.преп. Трегуб А. И.

Ст.преп. Локьяева С. М.

Ст.преп. Яблочкина Г. И.

Асс. Манукянц А. Р.

Асс. Еналдиева О. Л.

Асп. Обухова О. Э.

Учебное издание содержит описание 20 лабораторных работ по механике и молекулярной физике. Предназначено для студентов 1 курса инженерных специальностей СКГМИ

Рекомендовано РИСом СКГМИ

 Издательство «Терек» СКГМИ (ГТУ), 2004

Сдано в печать 25.08.04. Формат 60×84. Объем 8,25 усл.п.л.

Тираж 500 экз. Заказ №

Подразделение оперативной полиграфии СКГМИ.
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Оглавление

Введение……………………………………………………………………….

4

Элементы теории погрешностей измерений………………………………..

5

Лабораторная работа 1.1

Измерение линейных и угловых величин…………………………………..


10

Лабораторная работа 1.2

Определение момента инерции махового колеса и силы трения в опоре…


15

Лабораторная работа 1.3

Определение модуля упругости методом изгиба…………………………...


20

Лабораторная работа 1.4

Определение ускорения силы тяжести математическим маятником……...


25

Лабораторная работа 1.5

Определение момента инерции тела методом крутильных колебаний……


30

Лабораторная работа 1.6

Измерение ускорения силы тяжести с помощью оборотного маятника….


35

Лабораторная работа 1.7

Определение момента инерции относительно произвольной оси…………


39

Лабораторная работа 1.8

Баллистический маятник……………………………………………………..


44

Лабораторная работа 1.9

Маятник Максвелла…………………………………………………………..


51

Лабораторная работа 1.10

Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха……………………………………………………



54

Лабораторная работа 1.11

Определение коэффициента теплопроводности твердого тела методом температурного градиента……………………………………………………



61

Лабораторная работа 1.12

Определение отношения удельных теплоемкостей воздуха……………….


66

Лабораторная работа 1.13

Определение приращения энтропии при плавлении олова………………..


76

Лабораторная работа 1.14

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости….


83

Лабораторная работа 1.15

Определение коэффициента линейного расширения твердых тел………..


89

Лабораторная работа 1.16

Маятник Обербека…………………………………………………………….


95

Лабораторная работа 1.17

Определение частоты звуковой волны методом резонанса………………..


103

Лабораторная работа 1.18

Определение коэффициента внутреннего трения жидкостей по методу Стокса………………………………………………………………………….



116

Лабораторная работа 1.19

Измерение температуры, влажности и давления воздуха………………….


122

Лабораторная работа 1.20

Определение удельной теплоты парообразования воды…………………...


130

Физические свойства некоторых веществ…………………………………..

134

Введение

Настоящее пособие предназначено в качестве методического обеспечения лабораторного практикума по курсу "Механика. Молекулярная физика".

В пособии приводятся описания 20 лабораторных работ, отражающих основные законы и важнейшие соотношения механики и молекулярной физики.

Чтобы подготовиться к лабораторному занятию, необходимо по оглавлению найти нужную работу, прочесть всю инструкцию, после чего приступить к написанию отчета. Отчет к лабораторной работе должен содержать:

  1. Номер и название лабораторной работы.

  2. Приборы и принадлежности.

  3. Цель работы.

  4. Подробный вывод рабочей формулы, взятый из раздела "Краткая теория" или "Теория метода".

  5. Рисунок (в том случае, если он поясняет величины, входящие в рабочую формулу).

  6. Отчетную таблицу.

Наличие отчета позволит выполнить лабораторную работу. По окончании расчетов по эксперименту необходимо оценить погрешность измерений.
^ Элементы теории погрешностей измерений
Положения и выводы физики непосредственно связаны с экспериментом. Как в любой точной науке, в физике результаты экспериментов представляются чаще всего набором некоторых чисел – числовых значений физических величин. Это те самые числовые значения, которые входят в математические формулы, устанавливающие связи между физическими величинами в явлениях природы.

Одна из целей практикума – научиться правильно измерять физические величины и правильно использовать их числовые значения в формулах.

Измерить физическую величину – значит сравнить её с однородной величиной, принимаемой за единичную. Единицы измерения выбирают произвольно, но уж если они выбраны, то должны оставаться неизменными в пределах выбранной системы единиц.

Результатом измерения является числовое значение физической величины; формула ^ А=хВ устанавливает связь измеряемой величины А, её числового значения х и единицы измерения В. Принято различать измерения:

1) прямые, когда измеряется сама исследуемая физическая величина. Сюда относятся измерения с помощью приборов или при непосредственном сравнении с единицей измерения;

2) косвенные, когда искомые значения величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Почему при измерениях возникает необходимость обработки результатов измерений? Потому что произвести измерение абсолютно точно невозможно – всякое измерение сопровождается погрешностью, вызванной принципиальной невозможностью (в силу всеобщей связи явлений в природе) устранить все посторонние влияния на процесс измерения (хотя любое из влияний можно сделать сколь угодно малым).

Если измерительный инструмент обладает достаточной чувствительностью, результаты измерений некоторой величины ^ Х в большинстве случаев различны между собой. Обозначим результаты измерения х1, х2, …,хn, а истинное значение измеряемой величины – х0, где разности хix0 = Δxi являются погрешностями измерений.

Таким образом, мы оказываемся не в состоянии определить истинное значение измеряемой величины даже в результате большого числа измерений, но мы можем дать истинному значению оценку, т.е. указать его наиболее вероятное значение и указать погрешность измерений. Указание погрешности позволяет вычислить вероятность того, что истинное значение измеряемой величины окажется в том или ином интервале значений.

Принято различать три вида погрешностей: промахи, систематические и случайные погрешности измерения.

Промахи (просчеты) являются результатом низкой квалификации экспериментатора, выполнявшего измерения. Промахи не подаются учету.

Систематические погрешности являются следствием несовершенства приборов, а также недостатков методики измерения. Они всегда дают отклонение результата измерения от истинного значения в одну и ту же сторону. Преодолеваются систематические погрешности путем проверки приборов, более полной разработки теории методики эксперимента и сравнения различных методов измерения одной и той же величины.

Когда говорят об инструментальных погрешностях, то подразумевают погрешности, зависящие от погрешностей применяемых средств измерений. Последние в свою очередь характеризуются классом точности прибора.

Класс точности определяется максимальной погрешностью прибора, выраженной в процентах от полной величины шкалы. Например, класс точности 0,5 означает погрешности в 0,5 % при отклонении стрелки на всю шкалу. При отклонении стрелки на половину шкалы погрешность возрастает в два раза, при отклонении на треть шкалы – в три раза и т.д. Поэтому при измерении с меньшей погрешностью надо выбирать прибор такой чувствительности, чтобы измеряемая величина вызывала отклонение стрелки прибора более чем на половину шкалы.

Величина инструментальной погрешности гарантируется сравнением показаний данного и эталонного приборов. Надежность показаний эталонного прибора рассчитывается с учетом случайных погрешностей.

Случайные погрешности являются следствием случайных, неконтролируемых помех, влияние которых на процесс измерения невозможно учесть непосредственно. Этих помех очень много, они различной физической природы и отличаются силой воздействия на процесс измерения. Можно принимать меры к устранению наиболее влиятельных помех, но все полностью их устранить нельзя. Случайные погрешности могут отклонять результаты измерения от истинного значения в обе стороны и их влияние учитывается посредством определенной обработки результатов измерения физической величины.

^ Теория погрешностей учитывает только случайные погрешности. Согласно этой теории, случайные погрешности измерений подчиняются закону нормального распределения (закону Гаусса).

Смысл этого закона заключается в следующем. Допустим, мы хотим измерить некоторую физическую величину, истинное (и нам неизвестное) значение которой есть x0. Используя какой-нибудь прибор, мы n раз пытаемся определить эту величину, но из–за случайных погрешностей, возникающих в процессе измерения, вместо x0 получаем набор значений х1, х2, …, хi, …, xn. Оказывается, с помощью закона распределения мы хотя и не можем указать точно, чему равно х0, но можем найти с какой вероятностью Р величина x0 окажется в любом интервале значений а<х0 (область значений а<х0 называют доверительным интервалом). По закону Гаусса эта вероятность определяется функцией плотности распределения
(1)

и равна

. (2)
Здесь х – набор значений, которые мы получаем в результате измерения, <x> – их среднее арифметическое, а σ – среднее квадратическое отклонение:
, (3)

. (4)
Как видно из рисунка, гауссова кривая, имеющая на графике симметричный колоколообразный вид, характеризуется двумя параметрами: положением вершины – <x0> и «шириной» (2σ – расстояние между точками перегиба). Значение <x> обычно и принимают за ту величину, которую надо было измерить, а σ характеризует степень влияния случайных погрешностей на результаты измерения: чем меньше σ, тем уже гауссова кривая и тем, следовательно, точнее проведено измерение.

Обработка результатов серии измерений сводится к возможно более точному нахождению параметров гауссовой кривой <x> и σ. Может показаться, что если произвести большое число измерений (большая серия), то эти параметры можно определить со сколь угодно высокой точностью и, стало быть, можно в пределах одной методики измерений (даже грубой) получить сколь угодно близкое к истинному численное значение измеряемой величины. Однако это не так. Следует еще раз подчеркнуть, что <x> – не истинное значение измеряемой величины, а лишь некоторое приближение к нему.

Чем более широким выбирается доверительный интервал, тем выше вероятность попадания истинного значения измеряемой величины в этот интервал. Мера σ приближения измеренного значения величины <x> к истинному х0 определяется физической сущностью измеряемой величины, а также физическими и конструктивными принципами, заложенными в методику измерений. Эти принципы в данной методике не зависят от экспериментатора, следовательно, бесконечное увеличение числа измерений не дает заметного увеличения точности.

Поскольку нет смысла стремиться к очень большому числу измерений, то возникает вопрос: как изменится достоверность в зависимости от числа измерений? Зависимость эта сложна и не выражается в элементарных функциях. Существуют специальные таблицы (таблицы коэффициентов Стьюдента), по которым можно определить, во сколько раз надо увеличить стандартный доверительный интервал [±Sx], чтобы при определенном числе измерений n получить требуемую надежность α. За стандартный принимается доверительный интервал [±Sx], где
. (5)
Здесь хi– числовое значение величины, полученное при i–м измерении, <x>– среднее арифметическое значение измеряемой величины (3).

Порядок обработки результатов измерений должен быть следующим: выполнив n измерений и записав их результаты в таблицу, вычисляют по (3) среднее арифметическое значение измеряемой величины <x>. Затем по формуле (5) вычисляют стандартный доверительный интервал [±Sx] и находят по таблице коэффициентов Стьюдента t,n) в зависимости от требуемой надежности α и числа измерений n. Результат записывают в виде:

х = <x> ± t(α n) Sx,

что означает, что истинное значение измеряемой величины х0 находится в интервале [<x> – t(α, n) Sx; <x> + t(α, n) Sx] с надежностью (вероятностью) α.

Мерой точности результатов измерений является относительная погрешность, выраженная в процентах:
.
Обратная ее величина ψ = 1/ε называется точностью.

Точность результатов обработки должна согласовываться с точностью самих измерений. Вычисления, произведенные с большим, чем необходимо, числом десятичных знаков, требуют лишней затраты сил. Надо придерживаться правила: ошибка вычислений должна быть на порядок меньше ошибки измерения.

Приведенная методика обработки результатов измерений, когда числовое значение измеряемой величины находится по формуле, связывающей ее с величинами, найденными из прямых измерений, ошибка косвенного измерения находится через ошибки прямых измерений по правилу дифференцирования:
.
На практике при вычислении погрешностей косвенных измерений удобнее сразу вычислять относительную погрешность по правилу дифференцирования натурального логарифма функции. Например,
.
Погрешности независимых измерений считаются грубыми или несущественными в зависимости от того, вносят или не вносят они заметный вклад в погрешность окончательного результата. Несущественные погрешности достаточно оценивать приближенно, но обязательно с завышением.

Лабораторная работа 1.1
^ Измерение линейных и угловых величин
Приборы и принадлежности: штангенциркуль, микрометр,

измеряемые предметы.
Теория линейного нониуса
Для измерения линейных размеров пользуются различными приборами и инструментами. Наиболее простейшие из них штангенциркуль и микрометр.

Измерение длины проводят масштабными линейками. Величина наименьшего деления такой линейки называется ценой одного деления. Обычно цена одного деления линейки равна 1 мм.

Если измерение длины проводят с точностью до долей миллиметра, то пользуются вспомогательной шкалой измерительного инструмента – нониусом. Нониус бывает линейным – для измерения линейных величин и угловым – для измерения угловых величин.

Линейный нониус (рис.1) представляет собой небольшую линейку С со шкалой, m делений которой равны m–1 делениям шкалы масштабной линейки А. Нониус С может перемещаться по линейке А. Если а – цена деления нониуса, b – цена деления масштабной линейки, m – число делений на нониусе, то связь между указанными делениями линейки и нониуса следующая:

am=(m-1)b. (1)

Получаемая из формулы (1) разность

,

называется точностью нониуса, т.е. точность нониуса равна (b/m) –отношению цены наименьшего деления масштаба к числу делений на нониусе. Точность нониуса часто бывает равна 1/10 мм, в этом случае b=1мм, m=10.

Измерения при помощи нониуса проводят следующим образом: к нулевому делению шкалы линейки прикладывают один конец измеряемого тела B, к другому концу тела – нониус С (рис.2). Из рис. 2 видно, что искомая длина тела равна:
, (2)
где k – целое число делений масштабной линейки в мм, укладывающееся в измеряемой длине; L – отрезок длины, представляющей доли миллиметра.

Обозначим через n то деление нониуса, которое совпадает с любым каким-то делением масштабной линейки, тогда
. (3)
Из формулы (2) и (3) находим искомую длину
.
Если положить b=1 мм, m=10 деление (что обычно и бывает), то искомая длина

. (4)
Таким образом, длина измеряемого тела равна целому числу k мм масштабной линейки плюс десятые доли числа n.

Число n показывает тот номер деления нониуса, который совпадает с некоторым делением масштабной линейки.

На рис. 3 приведен пример отсчета длины: мм, так как k=6мм, n=6мм. Линейный нониус используется в инструменте, ко­торый называется штангенцирку­лем и служит для определения линейных размеров тел.

Ш
Рис.2.
тангенциркуль (рис.3.) со­стоит из стальной миллиметровой линейки А, с одной стороны кото­рой имеется неподвижная ножка
B. Вторая ножка D имеет нониус С и может перемещаться вдоль линейки А. Когда ножки B и D соприкасаются, нуль линейки и нуль нониуса должны совпадать. Для того чтобы измерить длину предмета, его помещают между ножками, которые сдвигают до соприкосновения с предметом (без сильного нажима). После этого делают отсчет по линейке и нониусу и вычисляют длину предмета по формуле (4).
^ Измерение штангенциркулем и обработка результатов измерений
Штангенциркулем измеряют высоту h и диаметр d цилиндра. Измерения проводят следующим образом:

1. Цилиндр помещают между ножками B и D штангенциркуля (слегка нажав ножки).

2. Измеряют длину и диаметр цилиндра и производят отсчет по шкале линейки ^ А числа целых миллиметров k, расположенных слева от нулевого деления нониуса, и числа делений n шкалы нониуса, совпадающего с любым делением шкалы А. По формуле (4) делают подсчет. Измерения повторяют три раза, слегка поворачивая цилиндр между ножками.

3. Вычисляют абсолютную и относительную ошибки измерения. Результаты измерений записывают в таблицу результатов:


k

n

h

h



k

n

d

d





























































































Ср.

знач.





























М
Рис. 3
икрометрический винт. Микрометр

Микрометрический винт применяется в точных измерительных приборах (микрометр, микроскоп) и позволяет проводить измерения до сотых долей миллиметра.

Микрометрический винт представляет собой стержень, снабженный точной винтовой нарезкой.

Высота подъема винтовой нарезки за один оборот называется шагом микрометрического винта.

Микрометр (рис.4) состоит из двух основных частей: скобы ^ B и микрометрического винта A.

Микрометрический винт А проходит через отверстие скобы В с внутренней резьбой.

Против микрометрического винта, на скобе, имеется упор Е. На микрометрическом винте закреплен полый цилиндр (барабан) ^ C с делениями по окружности. При вращении микрометрического винта барабан скользит по линейной шкале, нанесенной на стебле D.

Наиболее распространен микрометр, у которого цена делений линейной шкалы стебля b = 0,5 мм. Верхние и нижние риски шкалы сдвинуты относительно друг друга на полмиллиметра; цифры проставлены только для делений нижней шкалы, т.е. нижняя шкала, представляет собой обычную миллиметровую шкалу (рис.5)

Для того чтобы микрометрический винт ^ А передвинулся на 1 мм, необходимо сделать два оборота барабана С. Таким образом, шаг микрометрического винта равен 0,5 мм. У такого микрометра на барабане С имеется шкала, содержащая 50 делений. Так как шаг винта b = 0.5 мм, а число делений барабана m = 50, то точность микрометра мм.

Для измерения микрометром предмет помещают между упором ^ Е и микрометрическим винтом А (рис. 4) и вращают винт А за головку М до тех пор, пока измеряемый предмет не будет зажат между упором Е и концом винта А (вращение винта А проводится только за головку М, так как в противном случае – легко сбить совпадение нулей шкалы стебля D и барабана)

Числовое значение L, измеряемого предмета (в данной работе измеряют толщину проволоки и пластинки), находят по формуле
, (5)
где k – число наименьших делений шкалы, b – цена наименьшего деления шкалы, m – число делений на шкале барабана, n – номер того деления барабана, который в момент отсчета совпадает с осью шкалы стебля D.

Так как в данной работе применяется микрометр у которого b = 0,5 мм, m = 50, то формула (5)принимает вид:
мм.

На рис. 5 отсчет по микрометру показывает:
мм.

Измерение микрометром и обработка результатов измерений
1. Измеряемый предмет (толстую проволоку или металлическую пластинку) помещают между упором Е и концом микрометрического винта А.

2. Находят значения k и n по шкале стебля D и барабана С. По формуле (6) проводят подсчет искомых величин.

3. Измерения диаметра проволоки L и толщины пластинки h повторяют не менее пяти раз в различных местах.

4. Вычислить абсолютную и относительную ошибки измерений. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:






Проволока

Пластина

k

n

L

L



Lист

k

n

h

h



hист






























































































Среднее значение






































Контрольные вопросы
1. Как измерить с помощью нониуса линейные размеры тела?

2. Что собой представляет линейный нониус?

3. Чему равна точность нониуса?

4. Что называется шагом микрометрического винта?

5. Как измерять микрометром размеры предмета?

Лабораторная работа 1.2
Определение момента инерции махового колеса и силы трения в опоре
Цель работы: определить момент инерции махового колеса и силы

трения в опоре.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconШаблон рабочей программы дисциплины Общий физический практикум 2
Общий Физический Практикум является неотъемлемой частью курса "Общая Физика". Основные разделы: механика; молекулярная физика; электродинамика;...

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconВологодский государственный технический университет кафедра физики
Физика: Методическое пособие для студентов всех технических специальностей заочного отделения. – Вологда: Вогту, 2008, с

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconВопросы для самостоятельного изучения по курсу «физика» раздел «механика»
Предмет, задачи и метод физики. Единицы физических величин. Связь физики с другими науками

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconМетодические указания к комплексу лабораторных работ по физике для...
Физика. Методические указания к комплексу лабораторных работ по физике для студентов-заочников (механика, молекулярная физика, электричество...

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconРоссийская Академия Наук Российский фонд фундаментальных исследований...
«мати» – Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconГоу впо «Сибирский государственный технологический университет» Кафедра...

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconМолекулярная физика и термодинамика методические указания к выполнению...
Молекулярная физика и термодинамика. Предназначены для обеспечения самостоятельной работы студентов

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconЗадачи
Э. Г. Невзорова, А. Г. Заводовский. Сборник заданий по физике. Часть Механика. Молекулярная физика и термодинамика: Учебное пособие....

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconО проведении II
Новосибирский технологический институт (филиал) «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Институт (государственный технологический университет) кафедра физики физический практикум «механика и молекулярная физика» iconВологодский государственный технический университет Кафедра физики...
Данные методические указания написаны в соответствии с программой курса физики для технических специальностей в вузах. Пособие содержит...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
www.zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов