 |
Абсолютные и относительные погрешности.
|
|
|
|
Лабораторная работа №1
Наименование работы: Измерение ускорения тела при равноускоренном движении.
Цель работы: измерить ускорение шарика, скатывающегося по наклонному желобу.
Оборудование: металлический желоб, штатив с муфтой и зажимом, стальной шарик, металлический цилиндр, измерительная лента, секундомер или часы с секундной стрелкой.
Подготовка к работе:
I. Ответить на вопросы самопроверки для получения допуска к работе:
1. Какое движение называется равноускоренным?
2. Запишите формулы для расчета перемещения при равноускоренном движении.
II. Подготовить бланк отчета.
Порядок проведения работы:
- Получить допуск к работе.
- Выполнить задания.
- Ответить на контрольные вопросы.
Содержание отчета:
- Наименование, цель работы, задание;
- Выполненное задание с результатами измерений и вычислений;
- Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы для зачета:
1. Опишите движение шарика по желобу.
2. Запишите формулы для расчета ускорения при равноускоренном движении.
3. Какие изменения произойдут при увеличении начальной скорости шарика?
4. Что такое абсолютная погрешность измерений?
5. Что такое относительная погрешность измерений?
Задание:
1. Соберите установку, изображенную на рисунке (верхний конец желоба должен быть на несколько сантиметров выше нижнего). Положите в желоб у его нижнего конца металлический цилиндр. Когда шарик, скатившись, ударится о цилиндр, звук удара поможет точнее определить время движения шарика.
2. Отметьте на желобе начальное положение шарика, а также его конечное положение
3. Измерьте расстояние между верхней и нижней отметками на желобе (модуль s перемещения шарика) и результат измерения запишите в таблицу.
|
|
|
4. Выбрав момент, когда секундная стрелка находится на делении, кратном 10-ти, отпустите шарик без толчка у верхней отметки и измерьте время t до удара шарика о цилиндр. Повторите опыт 5 раз, записывая в таблицу результаты измерений. При проведении каждого опыта пускайте шарик из одного и того же начального положения, а также следите за тем, чтобы верхний торец цилиндра находился у соответствующей отметки.
5. Вычислите 
и результат запишите в таблицу.
6. Вычислите ускорение, с которым скатывался шарик: 
. Результат вычислений запишите в таблицу.
7. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.
| № опыта | S, м | t, с | tср, с | а, м/с2 |
8.Произвести расчет абсолютной и относительной погрешности измерений.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Движение шарика, скатывающегося по желобу, приближенно можно считать равноускоренным. При равноускоренном движении без начальной скорости модуль перемещения s, модуль ускорения а и время движения t связаны соотношением 
Поэтому, измерив s и t, мы можем найти ускорение а по формуле 
. Чтобы повысить точность измерения, ставят опыт несколько раз, а затем вычисляют средние значения измеряемых величин.
Равноускоренным движением называют движение с ускорением, постоянным по модулю и направлению. При равноускоренном движении скорость тела изменяется, ускорение остается постоянным.
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:
Величина ΔА 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. Апр- значение физической величины, полученное экспериментально, если измерение проводилось многократно, то среднее арифметическое этих измерений.
|
|
|
Но для оценки качества измерения необходимо определить относительную погрешность ε.
.
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.
Лабораторная работа № 2
Наименование работы: Определение жесткости пружины. Определение коэффициента трения скольжения.
Цель работы: проверить справедливость закона Гука для пружины динамометра и измерить коэффициент жесткости этой пружины; измерить коэффициент трения скольжения дерева по дереву.
Оборудование: штатив с муфтой и зажимом, динамометр, динамометр с заклеенной шкалой, набор грузов известной массы (по 100 г), линейка с миллиметровыми делениями, деревянный брусок, деревянная линейка.
Подготовка к работе:
I. Ответить на вопросы самопроверки для получения допуска к работе:
1) Сила упругости.
2) Закон Гука
3) Сила трения.
II. Подготовить бланк отчета.
Порядок проведения работы:
- Получить допуск к работе.
- Выполнить задания.
- Ответить на контрольные вопросы.
Содержание отчета:
- Наименование, цель работы, задание;
- Выполненное задание с результатами измерений и вычислений;
- Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы для зачета:
1. Инерциальная система отсчета.
2. Сила трения скольжения.
3. Сила трения качения.
4. Гироскоп.
5. Использование гироскопа.
Задание:
I. Определить жесткость пружины.
1) Закрепите пружину в штативе на достаточно большой высоте.
2) Подвешивая различное число грузов (от 1-го до 4-х), вычислите для каждого груза соответствующее значение F = mg, с помощью динамометра, а также измерьте соответствующее удлинение пружины х.
|
|
|
3) Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
| № опыта | m, кг | F, H | x |
| 1. | |||
| 2. | |||
| 3. | |||
| 4. |
4) Начертите оси координат х и F, выберите удобный масштаб и нанесите полученные экспериментальные точки.
5) Оцените (качественно) справедливость закона Гука для данной пружины: находятся ли экспериментальные точки вблизи одной прямой, проходящей через начало координат.
6) Запишите сделанный вами вывод.
7) Вычислите коэффициент жесткости по формуле: 
, используя результаты опыта № 4 (это обеспечивает наибольшую точность).
II. Определить коэффициент трения скольжения.
1) Определите с помощью динамометра вес бруска 
и запишите в приведенную ниже таблицу.
2) Положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз.
3) Поставив на брусок один груз, тяните брусок равномерно по горизонтальной линейке, измеряя с помощью динамометра прикладываемую силу. Повторите опыт, поставив на брусок 2 и 3 груза. Записывайте каждый раз в таблицу значения силы трения Fmр и силы нормального давления 
.
4) Начертите оси координат 
и 
, выберите удобный масштаб и нанесите полученные три экспериментальные точки.
5) Оцените (качественно), подтверждается ли на опыте, что сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления: находятся ли все экспериментальные точки вблизи одной прямой, проходящей через начало координат.
6) Запишите сделанный вами вывод.
7) Вычислите коэффициент трения по формуле 
, используя результаты опыта № 3 (это обеспечивает наибольшую точность) и запишите его значение.
| № опыта |
| , Н
| , Н
|
| 1. | |||
| 2. | |||
| 3. |
ПРИЛОЖЕНИЕ
Согласно закону Гука, модуль F силы упругости и модуль х удлинения пружины связаны соотношением F = kx. Измерив F и х, можно найти коэффициент жесткости k по формуле .
Если тянуть брусок с грузом по горизонтальной поверхности так, чтобы брусок двигался равномерно, прикладываемая к бруску горизонтальная сила равна по модулю силе трения скольжения , действующей на брусок со стороны поверхности. Модуль силы трения связан с модулем силы нормального давления соотношением 
. Измерив и , можно найти коэффициент трения μ по формуле .
|
|
|
Гироскоп — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).
Основные два типа гироскопов по принципу действия:
- механические гироскопы,
- оптические гироскопы.
Механические гироскопы
Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироскоп — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.
Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».
Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).
Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг трех осей, пересекающихся в центре подвеса, который остаётся по отношению к основанию неподвижным.
Лабораторная работа № 3
Наименование работы: Изучение закона сохранения механической энергии.
Цель работы: сравнить изменения потенциальной энергии груза и потенциальной энергии пружины.
Оборудование: штатив с муфтой и зажимом, динамометр с фиксатором, груз, прочная нить, измерительная лента или линейка с миллиметровыми делениями.
Подготовка к работе:
I. Ответить на вопросы самопроверки для получения допуска к работе:
1) Дайте определение энергии.
2) Какие вы знаете виды энергии?
II. Подготовить бланк отчета.
Порядок проведения работы:
- Получить допуск к работе.
- Выполнить задания.
- Ответить на контрольные вопросы.
Содержание отчета:
- Наименование, цель работы, задание;
- Выполненное задание с результатами измерений и вычислений;
- Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы для зачета:
|
|
|
1. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия.
2. Закон сохранения энергии.
3. Приведите примеры превращения кинетической энергии тела в потенциальную и обратно.
Задание:
1. Соберите установку, изображенную на рисунке. 
2. Привяжите груз на нити к крючку динамометра (длина нити 12-15 см). Закрепите динамометр в зажиме штатива на такой высоте, чтобы груз, поднятый до крючка, при падении не доставал до стола.
3. Приподняв груз так, чтобы нить провисала, установите фиксатор на стержне динамометра вблизи ограничительной скобы.
4. Поднимите груз почти до крючка динамометра и измерьте высоту h1 груза над столом (удобно измерять высоту, на которой находится нижняя грань груза).
5. Отпустите груз без толчка. Падая, груз растянет пружину, и фиксатор переместится по стержню вверх. Затем, растянув рукой пружину так, чтобы фиксатор оказался у ограничительной скобы, измерьте F, х и 
.
6. Вычислите:
а) Вес груза Р=mg;
б) Увеличение потенциальной энергии пружины 
;
в) Уменьшение потенциальной энергии груза 
= P(
- ).
7. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
| P, H | , м
| , м
| F, H | x, м | , Дж
|  , Дж
|  
|
8. Найдите значение отношения
9. Сравните полученное отношение с единицей и запишите сделанный вывод; укажите, какие превращения энергии происходили при движении груза вниз.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Груз весом Р привязывают на нити к крючку пружины динамометра и, подняв на высоту над поверхностью стола, отпускают.
Измеряют высоту груза в момент, когда скорость груза станет равной нулю (при максимальном удлинении пружины), а также удлинение х пружины в этот момент. Потенциальная энергия груза уменьшилась на = P( - ), а потенциальная энергия пружины увеличилась на , где k - коэффициент жесткости пружины, х — максимальное удлинение пружины, соответствующее наименьшему положению груза.
Поскольку часть механической энергии переходит во внутреннюю вследствие трения в динамометре и сопротивления воздуха, отношение меньше единицы. В данной работе требуется определить, насколько это отношение близко к единице.
Модуль силы упругости и модуль удлинения связаны соотношением F = kx, поэтому 
, где F — сила упругости, соответствующая максимальному удлинению пружины. Таким образом, чтобы найти отношение , надо измерить Р, , , F и х.
Для измерения F, х и необходимо отметить состояние, соответствующее максимальному удлинению пружины. Для этого на стержень динамометра надевают кусочек картона (фиксатор), который может перемещаться вдоль стержня с небольшим трением. При движении груза вниз ограничительная скоба динамометра сдвинет фиксатор, и он переместится вверх по стержню динамометра. Затем, растянув динамометр рукой так, чтобы фиксатор оказался снова у ограничительной скобы, считывают значение F, а также измеряют х и .
Лабораторная работа № 4
Наименование работы: Изучение устройства микроскопа. Исследование минералов.
Цель работы: Изучить устройство микроскопа и методы работы с ним. Изучить строение минералов.
Оборудование: Микроскоп, набор минералов.
Подготовка к работе:
I. Ответить на вопросы самопроверки для получения допуска к работе:
1) Агрегатные состояния вещества;
2) Разновидности твердых тел.
II. Подготовить бланк отчета.
Порядок проведения работы:
- Получить допуск к работе.
- Выполнить задания.
- Ответить на контрольные вопросы.
Содержание отчета:
- Наименование, цель работы, задание;
- Выполненное задание с результатами измерений и вычислений;
- Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы для зачета:
1. Какие основные части микроскопа вы знаете?
2. Какие основные методы работы с микроскопом вы знаете?
3. Назовите разновидности твердых тел. К какой из них относятся минералы?
4. Назовите основные свойства жидкости.
5. Виды современных микроскопов. Их назначение.
Задание:
1. Прочитать и законспектировать теоретическую часть Лабораторной работы №5.
2. Схематично зарисовать микроскоп и подписать основные части (см. рис.1).
3. Найти все составляющие на реальном микроскопе.
4. Установить микроскоп в удобное положение перед собой. Аккуратно установить окуляр и объектив.
5. Рассчитать увеличение микроскопа для данного объектива.
6. Вращая макровинт, установить тубус в таком положении, чтобы расстояние от линзы до объекта было не более 1 см.
7. Поворачивая зеркало, добиться равномерного освещения поля зрения.
8. Поместить минерал под № 1 на предметный столик микроскопа и, глядя сбоку, опускают объектив при помощи винта до тех пор, пока расстояние не станет 4-5 мм. Медленно поворачивая макровинт, добиться резкого изображения объекта. Выбрать метод работы с микроскопом для данного предмета. Записать. Зарисовать поверхность минерала.
9. Поместить минерал под № 2 на предметный столик микроскопа и, глядя сбоку, опускают объектив при помощи винта до тех пор, пока расстояние не станет 4-5 мм. Медленно поворачивая макровинт, добиться резкого изображения объекта. Выбрать метод работы с микроскопом для данного предмета. Записать. Зарисовать поверхность минерала.
10. С помощью пипетки поместить каплю воды на предметный столик микроскопа и, глядя сбоку, опускают объектив при помощи винта до тех пор, пока расстояние не станет 4-5 мм. Медленно поворачивая макровинт, добиться резкого изображения объекта. Выбрать метод работы с микроскопом для данного предмета. Записать. Зарисовать поверхность капли.
11. Закончив работу, чистой. х.б. салфеткой протереть предметный столик, микроскоп убрать в специальный футляр.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Устройство микроскопа.
Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для исследования увеличенных изображений микрообъектов, которые невидны невооруженным глазом.
Основными частями светового микроскопа (рис. 1) являются объектив и окуляр, заключенные в цилиндрический корпус – тубус. Большинство моделей, предназначенных для биологических исследований, имеют в комплекте три объектива с разными фокусными расстояниями и поворотный механизм, предназначенный для их быстрой смены – турель, часто называемую револьверной головкой. Тубус располагается на верхней части массивного штатива, включающего тубусодержатель. Чуть ниже объектива (или турели с несколькими объективами) находится предметный столик, на который устанавливаются предметные стекла с исследуемыми образцами. Резкость регулируется с помощью винта грубой и точной настройки, который позволяет изменять положение предметного столика относительно объектива.
| Рис. 1 |
|
| 1. Окуляр 2. Тубус 3. Держатель 4. Винт грубой фокусировки 5. Винт точной (микрометренной) фокусировки 6. Револьверная головка 7. Объектив 8. Предметный столик |
При работе с пропускающими свет объектами (жидкостями, тонкими срезами растений и т. п.), их освещают проходящим светом – осветитель и конденсор располагаются под предметным столиком. Непрозрачные же образцы нужно освещать спереди. Для этого осветитель располагают над предметным столиком, и его лучи с помощью полупрозрачного зеркала направляются на объект через объектив.
Осветитель может быть пассивным, активным (лампа) или состоять из обоих элементов. Самые простые микроскопы не имеют ламп для подсветки образцов. Под столиком у них располагается двустороннее зеркало, у которого одна сторона плоская, а другая – вогнутая. При дневном освещении, если микроскоп стоит у окна, получить довольно неплохое освещение можно при помощи вогнутого зеркала. Если же микроскоп находится в темном помещении, для подсветки используются плоское зеркало и внешний осветитель.
Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива и окуляра. При увеличении окуляра равном 10 и увеличении объектива равном 40 общий коэффициент увеличения равен 400. Обычно в комплект исследовательского микроскопа входят объективы с увеличением от 4 до 100. Типичный комплект объективов микроскопа для любительских и учебных исследований (х 4, х10 и х 40), обеспечивает увеличение от 40 до 400.
Основные части микроскопа:
1. Осветительная часть. Предназначена для создания светового потока, который позволяет осветить объект таким образом, чтобы последующие части микроскопа предельно точно выполняли свои функции. Осветительная часть микроскопа проходящего света расположена за объектом под объективом в прямых микроскопах и перед объектом над объективом в инвертированных.
Осветительная часть включает источник света (лампа и электрический блок питания) и оптико-механическую систему (коллектор, конденсор, полевая и апертурная регулируемые/ирисовые диафрагмы).
2. Воспроизводящая часть. Предназначена для воспроизведения объекта в плоскости изображения с требуемым для исследования качеством изображения и увеличения (т.е. для построения такого изображения, которое как можно точнее и во всех деталях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микроскопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей).
Воспроизводящая часть обеспечивает первую ступень увеличения и расположена после объекта до плоскости изображения микроскопа. Воспроизводящая часть включает объектив и промежуточную оптическую систему.
3. Визуализирующая часть. Предназначена для получения реального изображения объекта на сетчатке глаза, фотопленке или пластинке, на экране телевизионного или компьютерного монитора с дополнительным увеличением (вторая ступень увеличения).
Визуализирующая часть расположена между плоскостью изображения объектива и глазами наблюдателя (камерой, фотокамерой).
Визуализирующая часть включает монокулярную, бинокулярную или тринокулярную визуальную насадку с наблюдательной системой (окулярами, которые работают как лупа). Кроме того, к этой части относятся системы дополнительного увеличения (системы оптовара/смены увеличения); проекционные насадки, в том числе дискуссионные для двух и более наблюдателей; рисовальные аппараты; системы анализа и документирования изображения с соответствующими согласующими элементами (фотоканал).
|
|
|
