Наглядная физика предоставляет педагогу возможность находить наиболее интересные и эффективные методы обучения, делая занятия интересными и более насыщенными.
Главным преимуществом наглядной физики, является возможность демонстрации физических явлений в более широком ракурсе и всестороннее их исследование. Каждая работа охватывает большо й объем учебного материала, в том числе из разных разделов физики. Это предоставляет широкие возможности для закрепления межпредметных связей, для обобщения и систематизации теоретических знаний.
Интерактивные работы по физике следует проводить на уроках в форме практикума при объяснении нового материала или при завершении изучения определенной темы. Другой вариант – выполнение работ во внеурочное время, на факультативных, индивидуальных занятиях.
Виртуальная физика (или физика онлайн ) это новое уникальное направление в системе образования. Ни для кого не секрет, что 90% информация поступают к нам в мозг через зрительный нерв. И не удивительно, что пока человек сам не увидит, он не сможет четко уяснить природу тех или иных физических явлений. Поэтому процесс обучения обязательно должен подкрепляться наглядными материалами. И просто замечательно, когда можно не только увидеть статичную картинку изображающую какое-либо физическое явление, но и посмотреть на это явление в движении. Данный ресурс позволяет педагогам в легкой и непринужденной форме, наглядно показать не только действия основных законов физики, но и поможет провести онлайн лабораторные работы по физике по большинству разделов общеобразовательной программы. Так например, как можно на словах объяснить принцип действия p-n перехода? Только показав анимацию этого процесса ребенку, ему сразу всё становится понятным. Или можно наглядно показать процесс перехода электронов при трении стекла о шелк и после этого у ребенка уже будет меньше вопросов о природе этого явления. Помимо этого, наглядные пособия охватывают практически все разделы физики. Так например, хотите объяснить механику? Пожалуйста, тут вам анимации показывающие второй закон Ньютона, закон сохранения импульса при соударении тел, движение тел по окружности под действием сил тяжести и упругости и т.д. Хотите изучать раздел оптики, нет ничего проще! Наглядно показаны опыты по измерению длины световой волны с помощью дифракционной решетки, наблюдение сплошного и линейчатых спектров испускания, наблюдение интерференции и дифракции света и многие другие опыты. А как же электричество? И этому разделу уделено не мало наглядных пособий, так например есть опыты по изучению закона Ома для полной цепи, исследованию смешанного соединения проводников, электромагнитная индукция и т.д.
Таким образом процесс обучения из «обязаловки», к которой мы все с вами привыкли, превратится в игру. Ребенку будет интересно и весело разглядывать анимации физических явлений и это не только упростит, но и ускорит процесс обучения. Помимо всего прочего может удастся ребенку дать даже больше информации, чем он мог бы принять при обычной форме обучения. К тому же многие анимации могут полностью заменить те или иные лабораторные приборы , таким образом это идеально подходить для многих сельских школ, где к сожалению не всегда можно встретить даже электрометр Брауна. Да что там говорить, многих приборов нет даже в обычных школах крупных городов. Возможно введя такие наглядные пособия в обязательную программу образования, после окончания школы мы будем получать людей интересующихся физикой, которые в итоге станут молодыми учеными, некоторые из которых способны будут совершить великие открытия! Таким образом будет возрождена научная эра великих отечественных ученых и наша страна вновь, как и в советские времена, создаст уникальные технологии обгоняющие свое время. Поэтому я считаю надо популяризировать такие ресурсы как можно больше, сообщать о них не только педагогам, но и самим школьникам, ведь многим из них будет интересно изучить физические явления не только на уроках в школе, но и дома в свободное время и этот сайт дает им такую возможность! Физика онлайн это интересно, познавательно, наглядно и легко доступно!
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В.Б. ВЯЗОВОВ, О.С. ДМИТРИЕВ. А.А. ЕГОРОВ, С.П. КУДРЯВЦЕВ, А.М. ПОДКАУРО
МЕХАНИКА. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ГИДРОДИНАМИКА. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Практикум для студентов первого курса дневного и второго курса заочного отделения
всех специальностей инженерно-технического профиля
Тамбов Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
УДК 53(076.5)
Р е ц е н з е н т ы:
Доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой общей физики ФГБОУ ВПО «ТГУ им. Г.Р. Державина»
В.А. Фёдоров
Президент Международного Информационного Нобелевского Центра (МИНЦ), доктор технических наук, профессор
В.М. Тютюнник
Вязовов, В.Б.
В991 Физика. Механика. Колебания и волны. Гидродинамика. Электростатика: практикум / В.Б. Вязовов, О.С. Дмитриев, А.А. Егоров, С.П. Кудрявцев, А.М. Подкауро. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО
«ТГТУ», 2011. – 120 с. – 150 экз. – ISBN 978-5-8265-1071-1.
Содержит тематику, задания и методические рекомендации по выполнению лабораторных работ в объёме курса, способствующие усвоению, закреплению пройденного материала и проверке знаний.
Предназначен для студентов первого курса дневного и второго курса заочного отделения всех специальностей инженерно-технического профиля.
УДК 53(076.5)
ВВЕДЕНИЕ
Физика – точная наука. В её основе лежит эксперимент. С помощью эксперимента проверяются теоретические положения физической науки, а иногда он служит основой для создания новых теорий. Научный эксперимент берёт своё начало от Галилея. Великий итальянский учёный Галилео Галилей (1564 – 1642), бросая чугунные и деревянные шары одинаковых размеров с наклонной башни в Пизе, опровергает учение Аристотеля о пропорциональности скорости падения тел силе тяжести. У Галилея шары падают к основанию башни почти одновременно, а различие в скорости он приписал сопротивлению воздуха. Эти опыты имели огромное методологическое значение. В них Галилей ясно показал, что для получения научных выводов из опыта необходимо устранить побочные обстоятельства, мешающие получить ответ на заданный природе вопрос. Надо уметь видеть в опыте главное, чтобы отвлечься от несущественных для данного явления фактов. Поэтому Галилей брал тела одинаковой формы и одинакового размера, чтобы уменьшить влияние сил сопротивления. Он отвлекался от бесчисленного множества других обстоятельств: состояния погоды, состояния самого экспериментатора, температуры, химического состава бросаемых тел и т.д. Простой опыт Галилея по существу явился подлинным началом экспериментальной науки. Но такие выдающие учёные, как Галилей, Ньютон, Фарадей, были гениальными учёнымиодиночками, которые сами готовили свои эксперименты, мастерили приборы к ним и в университетах не проходили лабораторного практикума.
Его просто не было. Развитие физики, техники, промышленности в середине ХIX века привело к осознанию важности подготовки физиков. В это время в развитых странах Европы и Америки создаются физические лаборатории, руководителями которых становятся известные учёные. Так, в знаменитой Кавендишской лаборатории первым руководителем становится основатель электромагнитной теории Джеймс Клерк Максвелл. В этих лабораториях предусматривается обязательный физический практикум, появляются первые лабораторные практикумы, среди них известные практикумы Кольрауша в Берлинском университете, Глейзбрука и Шоу в Кавендишской лаборатории. Создаются мастерские физических приборов
и лабораторного оборудования. Лабораторные практикумы вводятся и в высших технических учреждениях. Общество видит важность обучения экспериментальной и теоретической физике как для физиков, так и инженеров. С этого времени физический практикум стал обязательной и неотъемлемой частью программ подготовки студентов естественнонаучных и технических специальностей во всех высших учреждениях. К сожалению, следует отметить, что в наше время при кажущемся благополучии с обеспечением физических лабораторий университетов практикумов оказывается совершенно недостаточно для университетов технического профиля, особенно провинциальных. Копирование лабораторных работ физических факультетов столичных университетов провинциальными техническими университетами просто невозможно из-за недостаточного их финансирования и количества отводимых часов. В последнее время прослеживается тенденция недооценки важности роли физики в деле подготовки инженеров. Сокращается количество лекционных и лабораторных часов. Недостаточное финансирование делает невозможным постановку ряда сложных
и дорогостоящих работ практикума. Замена их виртуальными работами не имеет такого обучающего эффекта, как непосредственная работа на установках в лаборатории.
Предлагаемый практикум обобщает многолетний опыт постановки лабораторных работ в Тамбовском государственном техническом университете. Практикум включает в себя теорию погрешностей измерений, лабораторные работы по механике, колебаниям и волнам, гидродинамике и электростатике. Авторы надеются, что предлагаемое издание восполнит пробел в обеспечении технических высших учебных заведений методической литературой.
1. ТЕОРИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В основе физики лежат измерения. Измерить физическую величину – это значит сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу измерения. Например, массу тела мы сравниваем с массой гири, которая является грубой копией эталона массы, хранящегося в Палате мер и весов в Париже.
Прямые (непосредственные) измерения – это такие измерения, при которых мы получаем численное значение измеряемой величины с помощью приборов, градуированных в единицах измеряемой величины.
Однако далеко не всегда такое сравнение производится непосредственно. В большинстве случаев измеряется не сама интересующая нас величина, а другие величины, связанные с нею теми или иными соотношениями и закономерностями. В этом случае для измерения необходимой величины приходится предварительно измерить несколько других величин, по значению которых вычислением определяется значение искомой величины. Такое измерение называется косвенным .
Косвенные измерения состоят из непосредственных измерений одной или нескольких величин, связанных с определяемой величиной количественной зависимостью, и вычисления по этим данным определяемой величины. Например, объём цилиндра вычисляется по формуле:
V = π D 2 Н , где D и H измеряются прямым методом (штангенциркулем). 4
Процесс измерения содержит наряду с нахождением искомой величины и погрешность измерения.
Существует много причин для возникновения погрешностей измерений. Контакт объекта измерения и прибора приводит к деформации объекта и, следовательно, неточности измерения. Сам прибор не может быть идеально точным. На точность измерений влияют внешние условия, такие как температура, давление, влажность, вибрации, шумы, состояние самого экспериментатора и множество других причин. Конечно, технический прогресс будет совершенствовать приборы и делать их более точными. Однако существует предел повышения точности. Известно, что в микромире действует принцип неопределённости, который делает невозможным одновременное точное измерение координаты и скорости объекта.
Современный инженер должен уметь оценить погрешность результатов измерений. Поэтому большое внимание уделяется обработке результатов измерений. Знакомство с основными методами расчёта погрешностей – одна из важных задач лабораторного практикума.
Погрешности подразделяются на систематические, промахи и случайные.
Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, неравномерно растягивающаяся пружина, стрелка прибора смещена, неравномерный шаг микрометрического винта, не равные плечи весов и т.д.). Они сохраняют свою величину во время экспериментов и должны быть учтены экспериментатором.
Промахи – это грубые погрешности, возникающие вследствие ошибки экспериментатора или неисправности аппаратуры. Грубых ошибок следует избегать. Если установлено, что они произошли, соответствующие измерения нужно отбрасывать.
Случайные погрешности . Многократно повторяя одни и те же измерения, можно заметить, что довольно часто их результаты не в точности равны друг другу. Погрешности, меняющие величину и знак от опыта к опыту, называют случайными. Случайные погрешности непроизвольно вносятся экспериментатором вследствие несовершенства органов чувств, случайных внешних факторов и т.д. Если погрешность каждого отдельного измерения принципиально непредсказуема, то они случайным образом изменяют значение измеряемой величины. Случайные погрешности имеют статистический характер и описываются теорией вероятности. Эти погрешности можно оценить только при помощи статистической обработки многократных измерений искомой величины.
ПОГРЕШНОСТИ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Случайные погрешности . Немецкий математик Гаусс получил закон нормального распределения, которому подчинялись случайные погрешности.
Метод Гаусса может быть применён для очень большого числа измерений. Для конечного числа измерений погрешности измерений находят из распределения Стьюдента.
В измерениях мы стремимся найти истинное значение величины, что невозможно. Но из теории ошибок следовало, что к истинному значению измеряемой величины стремится среднеарифметическое значение измерений. Так мы провели N измерений величины Х и получили ряд значений: Х 1 , Х 2 , Х 3 , …, Х i . Среднеарифметическое значение величины Х будет равно:
∑ X i
Х = i = 0 .
Найдём погрешность измерений и тогда истинный результат наших измерений будет лежать в интервале: среднее значение величины плюс погрешность – среднее значение минус погрешность.
Различают абсолютную и относительную погрешности измерений. Абсолютной погрешностью называют разность между средним значением величины и значением, найденным из опыта.
Xi = | |
− X i | . |
||
Средняя абсолютная погрешность равна среднеарифметическому абсолютных ошибок:
∑ X i
i = 1 |
||||||
Относительной погрешностью называется отношение средней абсо- |
||||||
лютной погрешности к среднему значению измеряемой величины Х . Эта погрешность обычно берётся в процентах:
E = X 100%.
Средняя квадратичная погрешность или квадратичное отклонение от среднеарифметического значения вычисляется по формуле:
X i 2 |
|||||
N (N − 1) |
|||||
где N – число измерений. При небольшом числе измерений абсолютную случайную погрешность можно рассчитать через среднюю квадратичную погрешность S и некоторый коэффициент τ α (N ) , называемый коэффици-
ентом Стьюдента:
X s = τ α , N S .
Коэффициент Стьюдента зависит от числа измерений N и коэффициента надёжности α . В табл. 1 отражена зависимость коэффициента Стьюдента от числа измерений при фиксированном значении коэффициента надёжности. Коэффициент надёжности α – это вероятность, с которой истинное значение измеряемой величины попадает в доверительный интервал.
Доверительный интервал [ X ср − X ; X cp + X ] – это числовой интер-
вал, в который с определённой вероятностью попадает истинное значение измеряемой величины.
Таким образом, коэффициент Стьюдента – это число, на которое нужно умножить среднюю квадратичную погрешность, чтобы при данном числе измерений обеспечить заданную надёжность результата.
Чем большую надёжность необходимо обеспечить для данного числа измерений, тем больше коэффициент Стьюдента. С другой стороны, чем больше число измерений, тем меньше коэффициент Стьюдента при данной надёжности. В лабораторных работах нашего практикума будем считать надёжность заданной и равной 0,95. Числовые значения коэффициентов Стьюдента при этой надёжности для разного числа измерений приведены в табл. 1.
Таблица 1
Число измерений N |
||||||||||||
Коэффициент |
||||||||||||
Стьюдента t α (N ) |
||||||||||||
Следует отметить, |
метод Стьюдента применяется только для |
|||||||||||
расчёта прямых равноточных измерений. Равноточные – |
это измерения, |
|||||||||||
которые выполнены одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой степенью тщательности.
Систематические погрешности . Систематические ошибки закономерным образом изменяют значения измеряемой величины. Наиболее просто поддаются оценке погрешности, вносимые в измерения приборами, если они связаны с конструктивными особенностями самих приборов. Эти погрешности указываются в паспортах к приборам. Погрешности некоторых приборов можно оценить и не обращаясь к паспорту. Для многих электроизмерительных приборов непосредственно на шкале указан их класс точности.
Класс точности прибора g – это отношение абсолютной погрешности прибора X пр к максимальному значению измеряемой величины X max ,
которое можно определить с помощью данного прибора (это систематическая относительная погрешность данного прибора, выраженная в процентах от номинала шкалы X max ).
g = D X пр × 100% .
X max
Тогда абсолютная погрешность X пр такого прибора определяется соотношением:
D X пр = g X max .
Для электроизмерительных приборов введено 8 классов точности:
0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4.
Чем ближе измеряемая величина к номиналу, тем более точным будет результат измерения. Максимальная точность (т.е. наименьшая относительная ошибка), которую может обеспечить данный прибор, равна классу точности. Это обстоятельство необходимо учитывать при использовании многошкальных приборов. Шкалу надо выбирать с таким расчётом, чтобы измеряемая величина, оставаясь в пределах шкалы, была как можно ближе к номиналу.
Если класс точности для прибора не указан, то необходимо руководствоваться следующими правилами:
− Абсолютная погрешность приборов с нониусом равна точности нониуса.
− Абсолютная погрешность приборов с фиксированным шагом стрелки равна цене деления.
− Абсолютная погрешность цифровых приборов равна единице минимального разряда.
− Для всех остальных приборов абсолютная погрешность принимается равной половине цены наименьшего деления шкалы прибора.
Для простоты расчётов принято оценивать полную абсолютную погрешность как сумму абсолютной случайной и абсолютной систематической (приборной) погрешностей, если погрешности – величины одного порядка, и пренебрегать одной из погрешностей, если она более чем на порядок (в 10 раз) меньше другой.
Поскольку результат измерений представляется в виде интервала значений, величину которого определяет полная абсолютная погрешность, важное значение имеет правильное округление результата и погрешности.
Округление начинают с абсолютной погрешности. Число значащих цифр, которое оставляют в значении погрешности, вообще говоря, зависит от коэффициента надёжности и числа измерений. Отметим, что значащими цифрами считаются надёжно установленные цифры в записи результата измерения. Так, в записи 23,21 мы имеем четыре значащие цифры, а в записи 0,063 – две, а в 0,345 – три, а в записи 0,006 – одна. В процессе измерений или при вычислениях не следует сохранять в окончательном ответе больше знаков, чем число значащих цифр в наименее точно измеренной величине. Например, площадь прямоугольника с длинами сторон 11,3 и 6,8 см равна 76,84 см2 . В качестве общего правила следует принять, что окончательный результат умножения или деления дол-
6,8 содержит наименьшее число цифр, равное двум. Следовательно, пло-
щадь прямоугольника 76,84 см2 , имеющую четыре значащих цифры, следует округлить до двух, до 77 см2 .
В физике принято записывать результаты вычислений с помощью показателей степени. Так, вместо 64 000 пишут 6,4× 104 , а вместо 0,0031 пишут 3,1× 10–3 . Преимущество такой записи состоит в том, что она позволяет просто указать число значащих цифр. Например, в записи 36 900 неясно, содержит это число три, четыре или пять значащих цифр. Если известно, что точность записи составляет три значащие цифры, то результат следует записать в виде 3,69× 104 , а если точность записи составляет четыре значащие цифры, то результат записывают в виде 3,690× 104 .
Разряд значащей цифры абсолютной погрешности определяет разряд первой сомнительной цифры в значении результата. Следовательно, само значение результата нужно округлять (с поправкой) до той значащей цифры, разряд которой совпадает с разрядом значащей цифры погрешности. Сформулированное правило следует применять и в тех случаях, когда некоторые из цифр являются нулями.
Пример . Если при измерении массы тела получен результат m = (0,700 ± 0,003) кг, то писать нули в конце числа 0,700 необходимо. Запись m = 0,7 означала бы, что о следующих значащих цифрах ничего неизвестно, в то время как измерения показали, что они равны нулю.
Вычисляется относительная погрешность Е Х .
Е Х = D X .
X cp
При округлении относительной погрешности достаточно оставить две значащие цифры.
Результат серии измерений некоторой физической величины представляют в виде интервала значений с указанием вероятности попадания истинного значения в данный интервал, т.е. результат необходимо записать в виде:
Здесь D Х – полная, округлённая до первой значащей цифры, абсолютная погрешность и Х ср – округлённое с учётом уже округлённой погрешности среднее значение измеряемой величины. При записи результата измерений обязательно нужно указать единицу измерения величины.
Рассмотрим несколько примеров:
Пусть при измерении длины отрезка мы получили следующий результат: l ср = 3,45381 см и D l = 0,02431 см. Как грамотно записать результат измерений длины отрезка? Сначала округляем с избытком абсолютную погрешность, оставляя одну значащую цифру D l = 0,02431 » 0,02 см. Значащая цифра погрешности в разряде сотых. Затем округляем с поправ-
ОРГАНИЗАЦИЯ ИЗУЧЕНИЯ КУРСА ФИЗИКИ
В соответствии с Рабочей программой дисциплины «Физика» студенты очной формы обучения изучают курс физики в течение первых трех семестров:
Часть 1: Механика и молекулярная физика (1 семестр).
Часть 2: Электричество и магнетизм (2 семестр).
Часть 3: Оптика и атомная физика (3 семестр).
При изучении каждой части курса физики предусматриваются следующие виды работ:
- Теоретическое изучение курса (лекции).
- Упражнения по решению задач (практические занятия).
- Выполнение и защита лабораторных работ.
- Самостоятельное решение задач (домашние задания).
- Контрольные работы.
- Зачет.
- Консультации.
- Экзамен.
Теоретическое изучение курса физики.
Теоретическое изучение физики проводится на поточных лекциях, читаемых в соответствии с Программой курса физики. Лекции читаются по расписанию кафедры. Посещение лекций для студентов обязательно.
Для самостоятельного изучения дисциплины студенты могут воспользоваться списком основной и дополнительной учебной литературы, рекомендованной для соответствующей части курса физики, или учебными пособиями, подготовленными и изданными сотрудниками кафедры. Учебные пособия по всем частям курса физики имеются в открытом доступе на сайте кафедры.
Практические занятия
Параллельно с изучением теоретического материала студент обязан освоить методы решения задач по всем разделам физики на практических занятиях (семинарах). Посещение практических занятий обязательно. Семинары проводятся в соответствии с расписанием кафедры. Контроль текущей успеваемости студентов осуществляется преподавателем, ведущим практические занятия по следующим показателям:
- посещаемости практических занятий;
- эффективности работы студента в аудитории;
- полноте выполнения домашних заданий;
- результатам двух аудиторных контрольных работ;
Для самостоятельной подготовки студенты могут воспользоваться учебными пособиями по решению задач, подготовленными и изданными сотрудниками кафедры. Учебные пособия по решению задач по всем частям курса физики имеются в открытом доступе на сайте кафедры.
Лабораторные работы
Лабораторные работы имеют целью ознакомить студента с измерительной аппаратурой и методами физических измерений, проиллюстрировать основные физические законы. Лабораторные работы выполняются в учебных лабораториях кафедры физики по описаниям, подготовленным преподавателями кафедры (имеются в открытом доступе на сайте кафедры), и согласно расписанию кафедры.
В каждом семестре студент должен выполнить и защитить 4 лабораторные работы.
На первом занятии преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности, сообщает каждому студенту индивидуальный перечень лабораторных работ. Студент выполняет первую лабораторную работу, заносит результаты измерений в таблицу и делает соответствующие вычисления. Итоговый отчет о лабораторной работе студент должен подготовить дома. При подготовке отчета необходимо воспользоваться учебно-методической разработкой «Введение в теорию измерений» и «Методическими указаниями для студентов по оформлению лабораторных работ и расчету ошибок измерений» (имеются в открытом доступе на сайте кафедры).
К следующему занятию студент обязан предъявить полностью оформленную первую лабораторную работу и подготовить конспект следующей работы из своего перечня. Конспект должен соответствовать требованиям к оформлению лабораторной работы, включать в себя теоретическое введение и таблицу, куда будут заноситься результаты предстоящих измерений. В случае невыполнения этих требований к выполнению следующей лабораторной работы студент не допускается.
На каждом занятии, начиная со второго, студент защищает предыдущую полностью оформленную лабораторную работу. Защита заключается в объяснении полученных экспериментальных результатов и ответе на контрольные вопросы, приведенные в описании. Лабораторная работа считается полностью выполненной при наличии подписи преподавателя в тетради и соответствующей отметки в журнале.
После выполнения и защиты всех лабораторных работ, предусмотренных учебным планом, преподаватель, ведущий занятия, ставит отметку «зачет» в лабораторном журнале.
Если по какой-либо причине студент не смог выполнить учебный план по лабораторному физическому практикуму, то это можно сделать на дополнительных занятиях, которые проводятся по расписанию кафедры.
Для подготовки к занятиям студенты могут воспользоваться методическими рекомендациями по выполнению лабораторных работ, имеющимися в открытом доступе на сайте кафедры.
Контрольные работыДля текущего контроля успеваемости студента в каждом семестре на практических занятиях (семинарах) проводится две аудиторные контрольные работы. В соответствии с балльно ‑ рейтинговой системой кафедры каждая контрольная работа оценивается из расчета 30 баллов. Полная сумма баллов набранных студентом при выполнении контрольных работ (максимальная сумма за две контрольные работы равна 60), используется для формирования рейтинга студента и учитывается при выставлении итоговой оценки по дисциплине «Физика».
Зачет
Зачёт по физике студент получает при условии, что выполнены и защищены 4 лабораторные работы (в лабораторном журнале имеется отметка о выполнении лабораторных работ) и сумма балов текущего контроля успеваемости больше или равна 30. Зачёт в зачётную книжку и ведомость проставляет преподаватель, ведущий практические занятия (семинары).
Экзамен
Экзамен проводится по билетам, утвержденным на кафедре. В каждый билет включены два теоретических вопроса и задача. Для облегчения подготовки студент может воспользоваться списком вопросов для подготовки к экзамену, на основании которых сформированы билеты. Список вопросов экзамена имеется в открытом доступе на сайте кафедры физики.
- полностью выполнены и защищены 4 лабораторные работы (в лабораторном журнале имеется отметка о зачете по лабораторным работам);
- общая сумма баллов текущего контроля успеваемости за 2 контрольные работы больше или равна 30 (из 60 возможных);
- отметка "зачтено" проставлена в зачётной книжке и зачётной ведомости
При невыполнении п. 1 студент имеет право участвовать в дополнительных занятиях по лабораторному практикуму, которые проводятся по расписанию кафедры. При выполнении п. 1 и невыполнении п. 2 студент имеет право набрать недостающие баллы на зачётных комиссиях, которые проводятся в период сессии по расписанию кафедры. Студенты, набравшие при текущем контроле успеваемости 30 баллов и более, на экзаменационную комиссию для увеличения рейтингового балла не допускаются.
Максимальная сумма баллов, которую может набрать студент при текущем контроле успеваемости, равна 60. При этом максимальная сумма баллов за одну контрольную 30 (за две контрольные 60).
Студенту, посетившему все практические занятия и активно на них работавшему, преподаватель имеет право добавить не более 5 баллов (полная сумма баллов текущего контроля успеваемости, при этом, не должна превышать 60 баллов).
Максимальная сумма баллов, которую может набрать студент по результатам экзамена равна 40 баллов.
Итоговая сумма баллов, набранная студентом за семестр, является основой для выставления оценки по дисциплине «Физика» в соответствии со следующими критериями:
- если сумма баллов текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации (экзамена) менее 60 баллов, то ставится оценка «неудовлетворительно» ;
- 60 до 74 баллов, то ставится оценка «удовлетворительно» ;
- если сумма баллов текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации (экзамена) попадает в диапазон от 75 до 89 баллов, то ставится оценка «хорошо» ;
- если сумма баллов текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации (экзамена) попадает в диапазон от 90 до 100 баллов, то ставится оценка «отлично».
Оценки «отлично», «хорошо», «удовлетворительно» выставляются в экзаменационную ведомость и зачётную книжку. Оценка «неудовлетворительно» выставляется только в ведомость.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Ссылки для скачивания лабораторных работ
*
*Чтобы скачать файл, нажмите на ссылку правой кнопкой мыши и выберите пункт "Сохранить объект как..."
Для чтения файла необходимо скачать и установить программу Adobe Reader
Часть 1. Механика и молекулярная физика
Часть 2. Электричество и магнетизм
Часть 3. Оптика и атомная физика
Лабораторная работа № 1
Движение тела по окружности под действием силы тяжести и упругости.
Цель работы: проверить справедливость второго закона Ньютона для движения тела по окружности под действием нескольких.
1)груз, 2)нить, 3)штатив с муфтой и кольцом, 4) лист бумаги, 5)Измерительная лента, 6)часы с секундной стрелкой.
Теоретическое обоснование
Экспериментальная установка состоит из груза, привязанного на нити к кольцу штатива (рис.1). На столе под маятником располагают лист бумаги, на котором нарисована окружность радиусом 10 см. Центр О окружности находится на вертикали под точкой подвеса К маятника. При движении груза по окружности, изображённой на листе, нить описывает коническую поверхность. Поэтому такой маятник называют коническим.
Спроецируем (1) на координатные оси X и Y .
(Х), (2)
(У), (3)
где - угол, образуемый нитью с вертикалью.
Выразим из последнего уравнения
и подставим в уравнение (2). Тогда
Если период обращения Т маятника по окружности радиусом К известен из опытных данных, то
период обращения можно определить, измерив время t , за которое маятник совершает N оборотов:
Как видно из рисунка 1,
, (7)
Рис.1
Рис.2
где h =OK – расстояние от точки подвеса К до центра окружности О .
С учётом формул (5) – (7) равенство (4) можно представить в виде
. (8)
Формула (8) – прямое следствие второго закона Ньютона. Таким образом, первый способ проверки справедливости второго закона Ньютона сводиться к экспериментальной проверке тождественности левой и правой частей равенства(8).
Сила сообщает маятнику центростремительное ускорение
С учётом формул (5) и (6) второй закон Ньютона имеет вид
. (9)
Сила F измеряется с помощью динамометра. Маятник оттягивают от положения равновесия на расстояние, равное радиусу окружности R , и снимают показания динамометра (рис.2) Масса груза m предполагается известной.
Следовательно, ещё один способ проверки справедливости второго закона Ньютона сводится к экспериментальной проверке тождественности левой и правой частей равенства(9).
порядок выполнения работы
Соберите экспериментальную установку(см. рис. 1), выбирая длину маятника около 50 см.
На листе бумаги начертите окружность радиусом R = 10 c м.
Лист бумаги расположите так, чтобы центр окружности находился под точкой подвеса маятника по вертикали.
Измерьте расстояние h между точкой подвеса К и центром окружности О сантиметровой лентой.
h =
5.Приведите в движение конический маятник вдоль начерченной окружности с постоянной скоростью. Измерьте время t , в течение которого маятник совершает N = 10 оборотов.
t =
6. Вычислите центростремительное ускорение груза
Вычислите
Вывод.
Лабораторная работа № 2
Проверка закона Бойля-Мариотта
Цель работы: экспериментально проверить закон Бойля – Мариотта путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.
Оборудование, средства измерения : 1) прибор для изучения газовых законов, 2) барометр (одни на класс), 3) штатив лабораторный, 4) полоска миллиметровой бумаги размеров 300*10 мм, 5) измерительная лента.
Теоретическое обоснование
Закон Бойля – Мариотта определяет взаимосвязь давления и объема газа данной массы при постоянной температуре газа. Чтобы убедиться в справедливости этого закона или равенства
(1)
достаточно измерить давление p 1 , p 2 газа и его объем V 1 , V 2 в начальном и конечном состоянии соответственно. Увеличение точности проверки закона достигается, если вычесть из обеих частей равенства (1) произведение . Тогда формула (1) будет иметь вид
(2)
или
(3)
Прибор для изучения газовых законов состоит из двух стеклянных трубок 1 и 2 длиной 50 см, соединенных друг с другом резиновым шлангом 3 длиной 1 м, пластинки с зажимами 4 размером 300*50*8 мм и пробки 5 (рис. 1, а). К пластинке 4 между стеклянными трубками прикреплена полоска миллиметровой бумаги. Трубку 2 снимают с основания прибора, опускают вниз и укрепляют в лапке штатива 6. Резиновый шланг заполнен водой. Атмосферное давление измеряется барометром в мм рт. ст.
При фиксации подвижной трубки в начальном положении (рис. 1, б) цилиндрический объем газа в неподвижной трубке 1 может быть найден по формуле
, (4)
где S – площадь поперечного сечения трубки 1ю
Начальное давление газа в ней, выраженное в мм рт. ст., складывается из атмосферного давления и давления столба воды высотой в трубке 2:
мм.рт.ст. (5).
где - разность уровней воды в трубках (в мм.). В формуле (5) учтено, что плотность воды в 13,6 раза меньше плотности ртути.
При подъеме вверх трубки 2 и фиксации ее в конечном положении (рис. 1, в) объем газа в трубке 1 уменьшается:
(6)
где - длина воздушного столба в неподвижной трубке 1.
Конечное давление газа находится по формуле
мм. рт. ст. (7)
Подстановка начальных и конечных параметров газа в формулу (3) позволяет представить закон Бойля – Мариотта в виде
(8)
Таким образом, проверка справедливости закона Бойля – Мариотта сводится к экспериментальной проверке тождественности левой Л 8 и правой П 8 частей равенства (8).
Порядок выполнения работы
7.Измерьте разность уровней воды в трубках.
Поднимите еще выше подвижную трубку 2 и зафиксируйте ее (см. рис. 1, в).
Повторите измерения длины столба воздуха в трубке 1 и разности уровней воды в трубках. Запишите результаты измерений.
10.Измерьте атмосферное давление барометром.
11.Вычислите левую часть равенства (8).
Вычислите правую часть равенства (8).
13. Проверьте выполнение равенства (8)
ВЫВОД:
Лабораторная работа № 4
Исследование смешанного соединения проводников
Цель работы : экспериментально изучить характеристики смешанного соединения проводников.
Оборудование, средства измерения: 1) источник питания, 2) ключ, 3) реостат, 4) амперметр, 5) вольтметр, 6) соединительные провода, 7) три проволочных резистора сопротивлениями 1 Ом, 2 ОМ и 4 ОМ.
Теоретическое обоснование
Во многих электрических цепях используется смешанное соединение проводников, являющееся комбинацией последовательного и параллельного соединений. Простейшее смешанное соединение сопротивлений = 1 Ом, = 2 Ом, = 4 Ом.
а) Резисторы R 2 и R 3 соединены между собой параллельно, поэтому сопротивление между точками 2 и 3
б) Кроме того, при параллельном соединении суммарная сила тока , втекающего в узел 2, равна сумме сил токов, вытекающих из него.
в) Учитывая, что сопротивления R 1 и эквивалентное сопротивление соединены последовательно.
, (3)
а общее сопротивление цепи между точками 1 и 3.
.(4)
Электрическая цепь для изучения характеристик смешанного соединения проводников состоит из источника питания 1, к которому через ключ 2 подключены реостат 3, амперметр 4 и смешанное соединение трех проволочных резисторов R 1, R 2 и R 3. Вольтметром 5 измеряют напряжение между различными парами точек цепи. Схема электрической цепи приведена на рисунке 3. Последующие измерения силы тока и напряжения в электрической цепи позволят проверить соотношения (1) – (4).
Измерения силы тока I , протекающего через резистор R 1, и равности потенциалов на нем позволяет определить сопротивление и сравнить его с заданным значением.
. (5)
Сопротивление можно найти из закона Ома, измерив вольтметром разность потенциалов :
.(6)
Этот результат можно сравнить со значением , полученным из формулы (1). Справедливость формулы (3) проверяется дополнительным измерением с помощью вольтметра напряжения (между точками 1 и 3).
Это измерение позволит также оценить сопротивление (между точками 1 и 3).
.(7)
Экспериментальные значения сопротивлений, полученных по формулам (5) – (7), должны удовлетворять соотношению 9;) для данного смешанного соединения проводников.
Порядок выполнения работы
Соберите электрическую цепь
3. Запишите результат измерения силы тока .
4. Подключите вольтметр к точкам 1 и 2 и измерьте напряжение между этими точками.
5.Запишите результат измерения напряжения
6. Рассчитайте сопротивление .
7. Запишите результат измерения сопротивления = и сравните его с сопротивлением резистора =1 Ом
8. Подключите вольтметр к точкам 2 и 3 и измерьте напряжения между этими точками
проверьте справедливость формул (3) и (4).
Ом
Вывод:
Мы экспериментально изучили характеристики смешанного соединения проводников.
Проверим:
Дополнительное задание. Убедиться в том, что при параллельном соединении проводников справедливо равенство:
Ом
Ом
2 курс.
Лабораторная работа № 1
Изучение явления электромагнитной индукции
Цель работы : доказать экспериментально правило Ленца, определяющее направление тока при электромагнитной индукции.
Оборудование, средства измерения: 1) дугообразный магнит, 2) катушка-моток, 3) миллиамперметр, 4) полосовой магнит.
Теоретическое обоснование
Согласно закону электромагнитной индукции (или закону Фарадея-Максвелла), ЭДС электромагнитной индукции E i в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность, ограниченную этим контуром.
E i = - Ф ’
Для определения знака ЭДС индукции (и соответственно направления индукционного тока) в контуре это направление сравнивается с выбранным направлением обхода контура.
Направление индукционного тока (так же как и величина ЭДС индукции) считается положительным, если оно совпадает с выбранным направлением обхода контура, и считается отрицательным, если оно противоположно выбранному направлению обхода контура. Воспользуемся законом Фарадея – Максвелла для определения направления индукционного тока в круговом проволочном витке площадью S 0 . Предположим, что в начальной момент времени t 1 =0 индукция магнитного поля в области витка равна нулю. В следующий момент времени t 2 = виток перемещается в область магнитного поля, индукция которого направлена перпендикулярно плоскости витка к нам (рис.1 б)
За направление обхода контура выберем направление по часовой стрелке. По правилу буравчика вектор площади контура будет направлен от нас перпендикулярно площади контура.
Магнитный поток пронизывающий контур в начальном положении витка, равен нулю (=0):
Магнитный поток в конечном положении витка
Изменение магнитного потока в единицу времени
Значит, ЭДС индукции, согласно формуле (1), будет положительной:
E i =
Это значит, что индукционный ток в контуре будет направлен по часовой стрелке. Соответственно, согласно правилу буравчика для контурных токов, собственная индукция на оси такого витка будет направлена против индукции внешнего магнитного поля.
Согласно правилу Ленца, индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность ограниченную контуром препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Индукционный ток наблюдается и при усилении внешнего магнитного поля в плоскости витка без его перемещения. Например, при в двигании полосового магнита в виток возрастает внешнее магнитное поле и магнитный поток, его пронизывающий.
Направление обхода контура
Ф 1
Ф 2
ξ i
(знак)
(напр.)
I А
B 1 S 0
B 2 S 0
-(B 2 –B 1)S 0 <0
15 мА
Порядок выполнения работы
1. Катушку – маток 2 (см. рис. 3) подключите к зажимам миллиамперметра.
2. Северный полюс дугообразного магнита внесите в катушку вдоль ее оси. В последующих опытах полюса магнита перемещайте с одной и той же стороны катушки, положение которой не изменяется.
Проверьте соответствие результатов опыта с таблицей 1.
3. Удалите из катушки северный полюс дугообразного магнита. Результаты опыта представьте в таблице.
Направление обхода контура измерить показатель преломления стекла с помощью плоскопараллельной пластинки.
Оборудование, средства измерения: 1) плоскопараллельная пластинка со скошенными гранями, 2) линейка измерительная, 3) угольник ученический.
Теоретическое обоснование
Метод измерения показателя преломления с помощью плоскопараллельной пластинки основан на том, что луч, прошедший плоскопараллельную пластинку, выходит из нее параллельно направлению падения.
Согласно закону преломления показатель преломления среды
Для вычисления и на листе бумаги проводят две параллельные прямые AB и CD на расстоянии 5-10 мм друг от друга и кладут на них стеклянную пластинку так, чтобы ее параллельные грани были перпендикулярны этим линиям. При таком расположении пластинки параллельные прямые не смещаются (рис.1, а).
Располагают глаз на уровне стола и, следя за прямыми AB и CD сквозь стекло, поворачивают пластинку вокруг вертикальной оси против часовой стрелки (рис. 1, б). Поворот осуществляют до тех пор, пока луч QC не будет казаться продолжением BM и MQ .
Для обработки результатов измерений обводят карандашом контуры пластинки и снимают ее с бумаги. Через точку M проводят перпендикуляр O 1 O 2 к параллельным граням пластинки и прямую MF .
Затем на прямых ВМ и МF
откладывают равные отрезки МЕ 1 =МL
1 и опускают с помощью угольника из точек Е 1 и L
1 перпендикуляры L
1 L
2 и Е 1 Е 2 на прямую О 1 О 2 . Из прямоугольных треугольников L
а) сначала ориентируйте параллельные грани пластинки перпендикулярно АВ и СD
. Убедитесь, что параллельные линии при этом не смещаются.
б)расположите глаз на уровне стола и, следя за линиями АВ и СD
сквозь стекло, поворачивайте пластинку вокруг вертикальной оси против часовой стрелки до тех пор, пока луч QC
не будет казаться продолжением ВМ и МQ
.
2. Обведите карандашом контуры пластинки, после чего снимите ее с бумаги.
3. Через точку М (см. рис. 1,б) проведите с помощью угольника перпендикуляр О 1 О 2 к параллельным граням пластинки и прямую МF
(продолжение МQ
).
4. С центром в точке М проведите окружность произвольного радиуса, отметьте на прямых ВМ и МF
точки L
1 и Е 1 (МЕ 1 =МL
1)
5. Опустите с помощью угольника перпендикуляры из точек L
1 и Е 1 на прямую О 1 О 2 .
6. Измерьте линейкой длину отрезков L
1 L
2 и Е 1 Е 2.
7. Рассчитайте показатель преломления стекла по формуле 2.
Материалы по разделу "Механика и молекулярная физика" (1 семестр) для студентов 1 курса (1 семестр) АВТИ, ИРЭ, ИЭТ, ИЭЭ, ИнЭИ (ИБ)
Материалы по разделу "Электричество и магнетизм" (2 семестр) для студентов 1 курса (2 семестр) АВТИ, ИРЭ, ИЭТ, ИЭЭ, ИнЭИ (ИБ)
Материалы по разделу "Оптика и атомная физика" (3 семестр) для студентов 2 курса (3 семестр) АВТИ, ИРЭ, ИЭТ, ИЭЭ и 3 курса (5 семестр) ИнЭИ (ИБ)
Материалы 4 семестр
Перечень лабораторных работ по общему курсу физики
Механика и молекулярная физика
1. Погрешности при физических измерениях. Измерение объема цилиндра.
2. Определение плотности вещества и моментов инерции цилиндра и кольца.
3. Изучение законов сохранения при соударении шаров.
4. Изучение закона сохранения импульса.
5. Определение скорости пули методом физического маятника.
6. Определение средней силы сопротивления грунта и изучение неупругого соударения груза и сваи на модели копра.
7. Изучение динамики вращательного движения твердого тела и определение момента инерции маятника Обербека.
8. Изучение динамики плоского движения маятника Максвелла.
9. Определение момента инерции маховика.
10. Определение момента инерции трубы и изучение теоремы Штейнера.
11. Изучение динамики поступательного и вращательного движения с помощью прибора Атвуда.
12. Определение момента инерции плоского физического маятника.
13. Определение удельной теплоты кристаллизации и изменения энтропии при охлаждении сплава олова.
14. Определение молярной массы воздуха.
15. Определение отношения теплоемкостей Сp/Cv газов.
16. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха.
17. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.
Электричество и магнетизм
1. Исследование электрического поля с помощью электролитической ванны.
2. Определение электрической емкости конденсатора баллистическим гальванометром.
3. Весы напряжения.
4. Определение емкости коаксиального кабеля и плоского конденсатора.
5. Изучение диэлектрических свойств жидкостей.
6 Определение диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика.
7. Изучение электродвижущей силы методом компенсации.
8 Определение индукции магнитного поля измерительным генератором.
9. Измерение индуктивности системы катушек.
10. Изучение переходных процессов в цепи с индуктивностью.
11. Измерение взаимной индуктивности.
12. Изучение кривой намагничивания железа по методу Столетова.
13. Ознакомление с осциллографом и изучение петли гистерезиса.
14. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона.
Волновая и квантовая оптика
1. Измерение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля.
2. Определение длины волны света методом колец Ньютона.
3. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки.
4. Изучение дифракции в параллельных лучах.
5. Изучение линейной дисперсии спектрального прибора.
6. Изучение дифракции Фраунгофера на одной и двух щелях.
7. Экспериментальная проверка закона Малю.
8. Исследование линейных спектров испускания.
9 Изучение свойств лазерного излучения.
10 Определение потенциала возбуждения атомов по методу Франка и Герца.
11. Определение ширины запрещенной зоны кремния по красной границе внутреннего фотоэффекта.
12 Определение красной границы фотоэффекта и работы выхода электрона из металла.
13. Измерение температуры спирали лампы с помощью оптического пирометра.
