Измерение физических величин.

Физика

Механика. Молекулярная физика. Механические колебания

 

Комплекс К-303.1.ИЭ

Методические указания по самостоятельной работе

при подготовке к выполнению лабораторных работ по физике

для студентов специальностей 080502 (ЭМ, ЭС, ЭХ, ЭГ)

 

Составители В. В. Дырдин

И. С. Елкин

 

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 4 от 07.11.2008

Рекомендованы к печати
учебно-методической комиссией специальности 080502

Протокол № 6 от 13.11.2008

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ

 

 

Кемерово 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание.…………………………………………………..….….1

Введение……………………………………………………….….…2

1. Измерение физических величин.

Расчет погрешности измерений…………………………...…….….3

2. Измерительные приборы…………………………………………6

3. Построение графиков…………………………………….……….9

4. Лабораторная работа № 1

Определение коэффициента внутреннего

трения жидкости методом стокса.………………………….……..10

5. Лабораторная работа № 2

Изучение поступательного и вращательного

движения с помощью маятника Обербека.…........………….……13

6. Лабораторная работа № 3

Определение параметров движения твердых

тел на основе законов сохранения.………..................................…21

7. Лабораторная работа № 4

Определение коэффициента Пуассона

методом Клемана–Дезорма…………………………………….….26

8. Лабораторная работа № 5

Определение момента инерции

физического маятника.……………………………………….……29

9. Вопросы для самоподготовки.…………………..………….......33

10. Список литературы……………………..…..………….………34

ВВЕДЕНИЕ

Комплекс К-303.1.ИЭ представляет собой необходимый перечень лабораторных работ, предусмотренных образовательным стандартом и рабочей программой по разделу «Механика. Молекулярная физика. Механические колебания» дисциплины «Физика». Он включает в себя описание лабораторных установок, порядок измерений и алгоритм расчета определенных физических величин.

На выполнение одной лабораторной работы в среднем отводится два часа аудиторных занятий. В соответствие с образовательным стандартом второго поколения 50 % от всего объема учебных часов, отводимых на изучение дисциплины, приходится на самостоятельную работу, которая является необходимым компонентом процесса обучения. Целью самостоятельной работы является закрепление и углубление знаний и навыков, подготовка к лекциям, практическим и лабораторным занятиям, а также формирование у студентов самостоятельности в приобретении новых знаний и умений.

Учебным планом при подготовке студентов по направлению «Экономика и управление на предприятии» на самостоятельное изучение дисциплины «Физика» в течение первого и второго семестров предусмотрено 98 часов. Из них на лабораторные занятия отводится 38 часов, т. е. из расчета 3,5–4 часа на одну работу. В течение этого времени студент должен: прочитать соответствующие параграфы в учебниках; выучить основные формулы и законы; познакомиться с установкой и порядком измерений, произвести необходимые вычисления и оформить работу в соответствие с общими требованиями. Для допуска к выполнению работы на установке студент должен знать устройство установки, уметь определять цену деления измерительного прибора, знать последовательность измерений, уметь обрабатывать результаты измерений, оценивать погрешность.

После всех расчетов и оформления отчета студент должен сделать вывод, в котором конкретно указать те физические закономерности, которые были проверены в ходе выполнения работы.

За первый и второй семестры студент обязан выполнить минимум по пять лабораторных работ в каждом.

ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

В лаборатории механики наиболее часто используемыми измерительными приборами являются штангенциркуль, микрометр и микроскоп, весы, секундомер.

Измерение штангенциркулем

Штангенциркуль представляет собой линейку 1 с нанесенной на ней основной шкалой (масштаб), разделенной на сантиметры и миллиметры (рис. 2.1). Линейка снабжена двумя ножками, из которых одна (2) неподвижна, а другая (3) – подвижная.

Для увеличения точности измерения штангенциркуль снабжен нониусом 4, который представляет собой короткую линейку, помещенную на подвижной ножке, скользящей вдоль основной линейки. Цена деления нониуса равна одной десятой цены деления основного масштаба.

Для измерения размера тела с помощью штангенциркуля необходимо:

1. Проверить исправность штангенциркуля. Для этого следует сдвинуть ножки штангенциркуля до соприкосновения и посмотреть, совпадает ли нуль нониуса с нулем масштаба. Если совпадения нет, то замерить по штрихам нониуса, на сколько делений (десятых и/или сотых долей миллиметра) нуль сбит в ту или другую сторону. Это расхождение нуля будет постоянным при всех измерениях и эту индивидуальную поправку нужно соответственно прибавить или отнять от результата измерений.

2. Измеряемый предмет зажимают между ножками штангенциркуля.

3. Взять отсчет по основной шкале и нониусу.

2.2. Измерение микрометром

Более точные измерения (диаметр проволоки, толщина пластин) можно произвести микрометром (см. рис. 2.2). Микрометр состоит из скобы – рамки А, на концах которой имеются цилиндрические отверстия с винтовыми нарезками. С левого конца рамки ввинчивается опорная пята В, а с правого – микрометрический винт С.

Ход такого винта, т. е. расстояние по оси между двумя соседними делениями, равняется 0,5 мм. Поэтому винт при полном обороте перемещается поступательно на 0,5 мм. Винт соединен с барабаном D, вращающимся и перемещающимся вместе с винтом относительно неподвижной трубки Р, которая закреплена на скобе – рамке. На барабан по окружности наносят 50 делений. Горизонтальная шкала трубки представляет собой двойную шкалу, нанесенную по обе стороны продольной черты таким образом, что верхняя шкала сдвинута относительно нижней на половину деления, которое равно 1 мм. Поэтому цена деления неподвижной трубки 0,5 мм. По неподвижной шкале трубки отсчитывают размер тела с точностью до 0,5 мм, сотые доли миллиметра – по барабану D. Для измерения размера тела с помощью микрометра нужно:

1. Определить цену деления линейной шкалы микрометрического винта, т. е. установить, чему равняется расстояние между соседними черточками шкалы, нанесенной вдоль продольной черты трубки микрометрического винта.

2. Определить цену деления круговой шкалы. Для этого цену деления линейной шкалы трубки разделить на число делений круговой шкалы, нанесенной на барабан D.

3. Проверить исправность микрометра. Для этого вращая головку К микрометра, привести конец винта С в соприкосновение с упором В. При этом нулевое деление круговой шкалы (на баране D) должно совпадать линией неподвижной шкалы трубки.

4. Измеряемый предмет зажать между концом винта С и упором В. Как только конец винта С достигнет измеряемого предмета, вращение головки К будет вхолостую, винт не будет перемещаться. Это устраняет ошибку на измерительное усилие.

5. Определить деление линейной шкалы, за которым стоит край вращающегося барабана, и в соответствии с ценой деления линейной шкалы выразить сделанный отсчет с точностью до сотых долей миллиметра.

6. Сложить отсчеты по линейной и круговой шкалам, учесть систематическую ошибку.

ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ

Построение графиков является важной частью представления результатов измерений физических величин и отображения их взаимосвязей.

При построении графиков необходимо пользоваться следующим правилами:

1. Построить координатные оси с учетом выбранного удобного масштаба. Если результаты измерений далеко за пределами нулевых отметок и если не требуется привязки к нулевой отметке по условиям задачи, то совсем необязательно, чтобы пересечение осей координат совпадало с началом отсчета по каждой оси.

2. Возле каждого конца осей координат указывается измеряемая физическая величина с множительным коэффициентом и единицами измерений, например или – это эквивалентные формы записи обозначений осей, что соответствует тому, что число, соответствующее точке на оси координат, необходимо разделить на – в первом варианте, чтобы получить измеренную величину, например, , а во втором – умножить (рис. 3.1).

3. Через экспериментальные точки проводится линия, таким образом, чтобы сумма квадратов расстояний от экспериментальных точек до линии принимало минимальное значение . В программе Microsoft Excel этой линией является линия тренда, для которой определяется уравнение кривой и коэффициент корреляции или коэффициент достоверности аппроксимации.

 

4. Лабораторная работа №1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО
ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА

 

Цель работы

1.1. Познакомиться с основными понятиями и законами гидродинамики.

1.2. Изучить движение тела в вязкой среде и определить коэффициент внутреннего трения жидкости методом Стокса.

Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [1] – §§ 2.4, 3.5, 10.7–10.9, [2] – §§ 31–33, [3] – §§ 96–97. Для выполнения работы студент должен знать: а) основные уравнения динамики поступательного движения твердого тела; б) знать сущность явления внутреннего трения в вязкой среде; в) уметь пользоваться измерительными приборами.

Выполнение работы

3.1. Методика измерений и расчёта

Для исследований используется колба с жидкостью и шарик диаметром 1–2 мм.

Коэффициент внутреннего трения может быть определен из наблюдений за движением шарика в вязкой среде под действием силы тяжести. Рассмотрим силы, действующие на небольшой твердый шарик радиусом r, движущийся в вязкой жидкости (рис. 4.1).

Падая с некоторой высоты в воздухе, шарик приобретает скорость , которая является начальной скоростью его движения в жидкости. В жидкости на шарик действуют сила тяжести, выталкивающая сила (сила Архимеда), сила сопротивления среды, обусловленная вязкостью жидкости.

Уравнение движения шарика , а в проекции на ось Х (см. рис. 4.1) имеет вид:

, (4.1)

где – скорость движения шарика; – коэффициент внутреннего трения жидкости. Первое слагаемое в (4.1) – это сила тяжести, второе – сила Архимеда, третье – сила внутреннего трения.

Сила сопротивления зависит от скорости шарика, а другие слагаемые в (4.1) являются постоянными величинами, и как только их сумма будет равна нулю, движение шарика будет установившимся, т. е. равномерным, тогда справедливо равенство:

, (4.2)

здесь – скорость установившегося равномерного движения шарика.

Скорость шарика можно определить, зная расстояние между метками и время его равномерного движения:

. (4.3)

Из уравнения (4.2) с учетом (4.3) находим коэффициент внутреннего трения (коэффициент динамической вязкости):

. (4.4)

Измерение диаметра шарика

3.2.1. Измерьте диаметр шарика пять раз. Полученные результаты занесите в табл. 4.1.

3.2.2. Определите доверительный интервал нахождения истинного значения диаметра шарика. Результаты расчетов занесите в табл. 4.1.

3.2.3. Измерьте расстояние между метками на цилиндре (по верхним краям меток). Абсолютную погрешность данного измерения принять равной половине цены деления измерительного прибора.

Измерение времени движения

3.3.1. Опустите шарик в цилиндр через воронку. Когда шарик окажется на уровне края верхней метки, включите секундомер. Секундомер выключите, как только шарик достигнет верхнего края второй метки. Следите за тем, чтобы шарик не подходил близко к стенкам сосуда. Опыт повторите пять раз. Время движения шарика занесите в таблицу, составленную аналогично табл. 4.1.

3.3.2. Определите доверительный интервал прямых измерений времени и относительную ошибку . Запишите результат измерений в виде .

Таблица 4.1

Результаты измерения диаметра шарика и расчета

погрешностей

№ п/п

< d >±Δ d

мм

мм

мм

мм^2

мм^2

мм

мм

мм

мм

%

мм

2,78 при a=0,95

…

 

В табл. 4.1. – средне квадратичное отклонение от среднего; – коэффициент Стьюдента при коэффициенте надёжности и числе измерений n; , , , – погрешности измерений: случайная, приборная, абсолютная и относительная соответственно.

Цель работы

1.1. Определить экспериментально кинематические и динамические характеристики поступательного и вращательного движений тел.

1.2. Проверить основной закон динамики вращательного движения.

Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [1] – §§ 4.1 – 4.3, [2] – §§ 4, 18, 19, [3] – §§ 24 – 28. Для выполнения работы студент должен знать: а) основные соотношения кинематики; б) законы динамики поступательного и вращательного движения; в) уметь пользоваться измерительными приборами.

Выполнение работы

Цель работы

1.1. Изучение основных кинематических и динамических характеристик и законов вращательного движения;

1.2. Определение момента инерции тела методом, основанным на применении законов сохранения момента импульса и механической энергии.

Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [1] §§ 4.1, 4.2, 5.2, 5.3, [2] §§ 16–19. Для выполнения работы студент должен знать: а) законы динамики вращательного движения и законы сохранения механической энергии и импульса; б) уметь пользоваться измерительными приборами.

Выполнение работы

Сделайте вывод.

Таблица 6.2

Расчет динамических величин шарика и стержня

кг · м^2	кг · м^2	%	кг·м^2 с	кг·м^2 с	Дж	Дж	Н · м	Дж

7. Лабораторная работа №4.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА
МЕТОДОМ КЛЕМАНА – ДЕЗОРМА

Цель работы

1.1. Экспериментально проверить основные термодинамические законы для идеального газа.

1.2. Определить коэффициент Пуассона для воздуха и сравнить его с расчетным значением.

Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [1] – §§ 9.5–9.6, [2] – §§ 50, 53–55, [4] – §§ 21, 22. Для выполнения работы студент должен знать: а) основные уравнения термодинамических процессов; б) первое начало термодинамики; в) понятие коэффициента Пуассона; г) методы расчёта теплоты, работы и изменения внутренней энергии; д) уметь пользоваться измерительными приборами.

Выполнение работы

Сделайте вывод.

 

 

8. Лабораторная работа №5.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ
ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА

Цель работы

Ознакомление с методом экспериментального определения момента инерции физического маятника.

Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [2] – §§ 16, 140 – 142, [3] – §§ 40, 41. Для выполнения работы необходимо знать: а) закон динамики вращательного движения твердого тела; б) основные уравнения кинематики; в) уметь пользоваться измерительными приборами.

Выполнение работы

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Назовите виды поступательного движения тела и приведите уравнения этих движений.

2. Сформулируйте второй закон Ньютона.

3. Сформулируйте основной закон динамики вращательного движения.

4. Какие силы называются консервативными?

5. Что называется моментом инерции твердого тела? Каков физический смысл момента инерции?

6. Назовите кинематические характеристики поступательного движения тела, дайте их определение.

7. Дайте определение динамических характеристик вращательного движения тела относительно оси вращения – момента силы, момента инерции и момента импульса.

8. Какими термодинамическими параметрами характеризуется состояние термодинамической системы? Назовите виды термодинамических процессов и приведите их уравнения.

9. Сформулируйте первый закон термодинамики, запишите его для различных термодинамических процессов.

10. Как рассчитать и для идеального газа?

11. Как на практике реализовать адиабатный процесс?

12. Приведите уравнения адиабатного процесса. Что характеризует показатель адиабаты?

13. В чем состоит экспериментальный метод Клемана и Дезорма для определения коэффициента Пуассона?

14. Почему коэффициент Пуассона больше единицы? Может ли он быть равным единице?

15. Какой маятник называется физическим, математическим?

16. При каких условиях физический маятник совершает гармонические колебания? Приведите уравнение такого колебания.

17. Выведите формулу для периода колебаний физического маятника.

18. Что такое центр масс механической системы и как определяется положение центра масс?

19. Сформулируйте теорему Штейнера.

20. Как определить момент инерции материальной точки и твердого тела относительно оси вращения?

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Детлаф, А. А.Курс физики: учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 6-е изд., стереотип. – М.: Издат. центр «Академия», 2007. – 720 с.

2. Трофимова, Т. И.Курс физики. Учеб. пособие для вузов. – Изд. 14-е, испр. – М.: Издат. центр «Академия», 2007. – 560 с.

3. Сивухин, Д. В. Общий курс физики: учеб. пособие: для вузов: в 5 т. Т. 1. Механика. – 5-е изд., стереотип. – М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2006. – 560 с.

 

 

 

Составители

 

Дырдин Валерий Васильевич

Елкин Иван Сергеевич

 

Физика

Механика. Молекулярная физика. Механические колебания

 

Комплекс К-303.1.ИЭ

Методические указания по самостоятельной работе

при подготовке к выполнению лабораторных работ по физике

для студентов специальностей 080502 (ЭМ, ЭС, ЭХ, ЭГ)

 

 

Печатается в авторской редакции

 

 

Подписано в печать 05.11.2008. Формат 60×84/16.

Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 1,9.

Тираж 140 экз. Заказ

ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

Физика

Механика. Молекулярная физика. Механические колебания

 

Комплекс К-303.1.ИЭ

Методические указания по самостоятельной работе

при подготовке к выполнению лабораторных работ по физике

для студентов специальностей 080502 (ЭМ, ЭС, ЭХ, ЭГ)

 

Составители В. В. Дырдин

И. С. Елкин

 

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 4 от 07.11.2008

Рекомендованы к печати
учебно-методической комиссией специальности 080502

Протокол № 6 от 13.11.2008

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ

 

 

Кемерово 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание.…………………………………………………..….….1

Введение……………………………………………………….….…2

1. Измерение физических величин.

Расчет погрешности измерений…………………………...…….….3

2. Измерительные приборы…………………………………………6

3. Построение графиков…………………………………….……….9

4. Лабораторная работа № 1

Определение коэффициента внутреннего

трения жидкости методом стокса.………………………….……..10

5. Лабораторная работа № 2

Изучение поступательного и вращательного

движения с помощью маятника Обербека.…........………….……13

6. Лабораторная работа № 3

Определение параметров движения твердых

тел на основе законов сохранения.………..................................…21

7. Лабораторная работа № 4

Определение коэффициента Пуассона

методом Клемана–Дезорма…………………………………….….26

8. Лабораторная работа № 5

Определение момента инерции

физического маятника.……………………………………….……29

9. Вопросы для самоподготовки.…………………..………….......33

10. Список литературы……………………..…..………….………34

ВВЕДЕНИЕ

Комплекс К-303.1.ИЭ представляет собой необходимый перечень лабораторных работ, предусмотренных образовательным стандартом и рабочей программой по разделу «Механика. Молекулярная физика. Механические колебания» дисциплины «Физика». Он включает в себя описание лабораторных установок, порядок измерений и алгоритм расчета определенных физических величин.

На выполнение одной лабораторной работы в среднем отводится два часа аудиторных занятий. В соответствие с образовательным стандартом второго поколения 50 % от всего объема учебных часов, отводимых на изучение дисциплины, приходится на самостоятельную работу, которая является необходимым компонентом процесса обучения. Целью самостоятельной работы является закрепление и углубление знаний и навыков, подготовка к лекциям, практическим и лабораторным занятиям, а также формирование у студентов самостоятельности в приобретении новых знаний и умений.

Учебным планом при подготовке студентов по направлению «Экономика и управление на предприятии» на самостоятельное изучение дисциплины «Физика» в течение первого и второго семестров предусмотрено 98 часов. Из них на лабораторные занятия отводится 38 часов, т. е. из расчета 3,5–4 часа на одну работу. В течение этого времени студент должен: прочитать соответствующие параграфы в учебниках; выучить основные формулы и законы; познакомиться с установкой и порядком измерений, произвести необходимые вычисления и оформить работу в соответствие с общими требованиями. Для допуска к выполнению работы на установке студент должен знать устройство установки, уметь определять цену деления измерительного прибора, знать последовательность измерений, уметь обрабатывать результаты измерений, оценивать погрешность.

После всех расчетов и оформления отчета студент должен сделать вывод, в котором конкретно указать те физические закономерности, которые были проверены в ходе выполнения работы.

За первый и второй семестры студент обязан выполнить минимум по пять лабораторных работ в каждом.

ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.