Що включає самостійна домашня підготовка?
Ф І З И К А
ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ
Рекомендовано науково-методичною радою
Київського національного університету
будівництва і архітектури
як навчальний посібник
для студентів усіх спеціальностей
Друге видання, виправлене і доповнене
Київ 2006
УДК: 53(075)
ББК 22.3я7
Ф50
Рецензент: Л.Є. Пелевін, канд. техн. наук, професор кафедри будівельних машин
Автори: В.І. Клапченко, В.І. Тарасевич, І.О. Азнаурян,
Ю.І. Григораш, Г.Д. Потапенко, В.О. Клименко,
В.Є. Дугінов, Г.Ю. Краснянський, Г.В. Кучерова, Н.Б. Бурдейна, О.М. Бесараб
Рекомендовано науково-методичною радою Київського
національного університету будівництва і архітектури, протокол № 6 від 30 червня 2005 року.
Видається в авторській редакції.
Фізика.Лабораторний практикум: Навчальний посібник.
Ф50– 2-ге вид., випр. і доп. / В.І. Клапченко, В.І. Тарасевич, І.О. Азнаурян та ін./ За заг.ред. В.І. Клапченка. – К.: КНУБА, 2006. – 228 с.
Мета навчального посібника – допомога студентам при підготовці, виконанні, оформленні та захисті лабораторних робіт
основного практикуму та трьох спецпрактикумів. Для цього до посібника введено окрему главу “На допомогу студенту”, в якій
розглянуто на конкретних прикладах всі етапи виконання лабораторної роботи.
Призначено для студентів усіх спеціальностей КНУБА.
УДК: 53(075)
ББК 22.3я7
©В.І. Клапченко, В.І. Тарасевич,
І.О. Азнаурян та ін., 2006
© КНУБА, 2006
Зміст
Передмова................................................................................................ 6
Вступ до практикуму............................................................................... 8
Глава І. НА ДОПОМОГУ СТУДЕНТУ................................................ 11
Розділ 1. Як написати звіт?................................................................... 11
Розділ 2. Правила наближених обчислень........................................... 22
Розділ 3. Обчислення похибок фізичних вимірів................................. 26
Розділ 4. Метод найменших квадратів................................................. 31
Глава ІІ. Лабораторні роботи з основного курсу фізики 34
Розділ 1. Механіка................................................................................. 34
Лабораторна робота № 1.1. Визначення залежності моменту інерції системи від розподілу її маси відносно осі обертання....................................... 34
Лабораторна робота № 1.2. Визначення динамічної в’язкості рідини методом стокса........................................................................................................... 38
Розділ 2. Молекулярна фізика.............................................................. 42
Лабораторна робота № 2.1. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відриву кільця.................................................................... 42
Лабораторна робота № 2.2. Визначення коефіцієнта
теплопровідності твердих тіл методом регулярного режиму....... 45
Розділ 3. Електрика та магнетизм......................................................... 50
Лабораторна робота № 3.1. Вивчення розподілу потенціалу електростатичного поля........................................................................................................... 50
Лабораторна робота № 3.2. Визначення опору провідника за допомогою амперметра та вольтметра.................................................................................... 55
Лабораторна робота № 3.3. Градуювання гальванометра............. 58
Лабораторна робота № 3.4. Градуювання термопари.................... 62
Лабораторна робота № 3.5. Визначення горизонтальної складової індукції та напруженості магнітного поля землі............................................... 68
Лабораторна робота № 3.6. Вивчення магнітного поля короткого соленоїда 72
Лабораторна робота № 3.7. Визначення питомого заряду електрона методом схрещених полів............................................................................... 77
Лабораторна робота № 3.8. Визначення ККД трансформатора.... 82
Лабораторна робота № 3.9. Визначення індуктивності котушки
та дроселя......................................................................................... 85
Розділ 4. Коливання та хвилі................................................................ 88
Лабораторна робота № 4.1. Визначення параметрів згасання
коливань фізичного маятника.......................................................... 88
Лабораторна робота № 4.2. Дослідження резонансних
характеристик коливального контура............................................. 93
Лабораторна робота № 4.3. Визначення швидкості звуку
в повітрі методом стоячих хвиль..................................................... 98
Лабораторна робота № 4.4. Вивчення роботи релаксаційного генератора 102
Розділ 5. Оптика.................................................................................. 107
Лабораторна робота № 5.1. Визначення довжини світлової
хвилі за допомогою біпризми френеля......................................... 107
Лабораторна робота № 5.2. Визначення довжини світлової
хвилі за допомогою дифракційної решітки.................................. 112
Лабораторна робота № 5.3. Дослідження поляризованого світла 116
Лабораторна робота № 5.4. Вивчення зорової труби................... 119
Лабораторна робота № 5.5. Вивчення мікроскопа....................... 123
Лабораторна робота № 5.6. Визначення роботи виходу
електрона з металів методом гальмування фотоелектронів
в електричному полі....................................................................... 127
Розділ 6. Фізика атомів, молекул та твердого тіла............................ 132
Лабораторна робота № 6.1. Визначення енергетичної ширини забороненої зони напівпровідника.............................................................................. 132
Лабораторна робота № 6.2. Вимірювання вольт-амперної характеристики напівпровідникового випрямляча................................................. 136
Лабораторна робота № 6.3. Вимірювання світлової
характеристики вентильного фотоелемента.................................. 141
Розділ 7. Атомна та ядерна фізика..................................................... 145
Лабораторна робота № 7.1. Визначення активності
радіоактивного препарату............................................................. 145
Лабораторна робота № 7.2. Визначення коефіцієнта поглинання радіоактивного випромінювання різними матеріалами......................................... 150
Глава ІІІ. Спецпрактикуми........................................................ 154
Розділ 1. Основи фізики навколишнього середовища....................... 154
Лабораторна робота № 11. Визначення коефіцієнта поглинання
світла та концентрації домішок у розчинах................................. 154
Лабораторна робота № 12. Cедиментаційний аналіз.................... 159
Лабораторна робота № 13. Визначення залежності коефiцiєнта поверхневого натягу рiдини від температури................................................................. 163
Лабораторна робота № 14. Визначення абсолютної та відносної вологості повітря......................................................................................................... 166
Лабораторна робота № 15. Визначення невідомого газу
за спектром його випромінювання................................................ 171
Лабораторна робота № 16. Дослідне вивчення залежності атмосферного тиску від висоти над землею.......................................................................... 176
Лабораторна робота № 17. Визначення концентрації розчину
цукру за допомогою поляриметра................................................ 180
Лабораторна робота № 18. Кількісний колориметричний аналіз. Визначення концентрації домішок в газах і рідинах....................................... 184
Розділ 2. Геометрична оптика............................................................. 188
Лабораторна робота № 21. Визначення показника заломлення
скла за допомогою мікроскопа...................................................... 188
Лабораторна робота № 22. Визначення показника заломлення
рідини та концентрації розчину за допомогою рефрактометра.. 191
Лабораторна робота № 23. Визначення фокусної відстані,
оптичної сили та радіусу кривизни збиральної лінзи.................. 194
Лабораторна робота № 24. Визначення фокусної відстані
і положення головних площин складної оптичної системи......... 197
Лабораторна робота № 25. Вивчення зорової труби.................... 201
Лабораторна робота № 26. Вивчення мікроскопа........................ 207
Розділ 3. Фізичний експеримент на лінії з еом................................... 212
Лабораторна робота № 31. Вивчення роботи
анологово-цифрового перетворювача.......................................... 212
Лабораторна робота № 32. Визначення коефіцієнта
теплопровідності твердих тіл методом регулярного режиму......... 215
Лабораторна робота № 33. Визначення параметрів згасання
коливань фізичного маятника........................................................ 219
Список літератури............................................................................... 223
Додаток І.............................................................................................. 224
Додаток ІІ............................................................................................. 225
Передмова
Фізичний практикум займає чільне місце при підготовці майбутніх фахівців – інженерів та технологів. Він спрямований, з одного боку, на більш глибоке засвоєння основних фізичних закономірностей, а з іншого – допомагає набути майбутнім фахівцям навички експериментування. Фізичний практикум виступає своєрідним вступом до подальшої самостійної роботи студентів.
Даний посібник узагальнює багаторічний досвід проведення лабораторних робіт викладачами кафедри фізики КНУБА та включає ті нововведення, які обумовлені вимогами часу. На відміну від попередніх видань “Методичних вказівок” до виконання окремих лабораторних робіт [3–6] та “Фізичного практикуму” [7] 1999 р. в навчальному посібнику доповнені “Вступ до практикуму”, глава “На допомогу студентові” та “Спецпрактикуми”.
Враховуючи ту обставину, що за навчальними планами підготовки бакалаврів фізичний практикум передує практикумам з інших дисциплін, у навчальному посібнику висвітлено цілу низку питань, яким можна дати загальну назву “На допомогу студентові”. Зокрема, у “Вступі до практикуму” наведені загальні вимоги, правила поведінки та обов’язки учасників практикуму, відомості про вимірювання фізичних величин, елементи теорії похибок, наведені конкретні приклади обробки результатів експерименту, побудови графіків та оформлення звітів про виконання лабораторної роботи. Окремо розглянуто метод найменших квадратів та спосіб обробки результатів експерименту за допомогою персонального комп’ютера.
В розділі “Спецпрактикуми” наведені короткі теоретичні відомості та методичні вказівки до виконання додаткових (орієнтованих на окрему спеціальність) лабораторних робіт. Це, зокрема, “Експеримент на лінії з комп’ютером” для студентів спеціальностей ІУСТ, ІТЕП, АУТП; “Геометрична оптика та оптичні прилади” для спеціальностей ІГ та “КАДАСТР”, “Основи фізики навколишнього середовища» для спеціальностей зі спрямованістю “Екологія”.
В кожній лабораторній роботі дано список рекомендованої літератури для детального вивчення студентом теорії за тематикою роботи. Але, зважаючи на можливість «забігання» лабораторних занять порівняно з вивченням теоретичного матеріалу, лабораторні роботи загального та будь-якого із спецпрактикумів супроводжуються короткими теоретичними відомостями та виведенням робочих формул.
Враховуючи те, що з 2004 року Університет бере участь в експерименті щодо переходу на кредитно-модульну систему підготовки фахівців, кафедра намагається максимально запобігти розриву в часі між викладанням теоретичного матеріалу та лабораторним практикумом. Для цього, залежно від кількості та обсягів навчальних модулів, для кожної спеціальності формуються графіки виконання лабораторних робіт, прив’язані в часі до теоретичного матеріалу, що викладається в лекційному курсі.
Посібник рекомендовано студентам всіх спеціальностей та всіх форм навчання університету.
Вступ до практикуму
Фізика – наука експериментальна і тому одержання та обробка результатів вимірювань складає значну частину загального обсягу знань та вмінь, які повинен опанувати студент. Все це можна засвоїти, користуючись даним посібником.
У главі І, яка складається з чотирьох розділів, наведена теорія похибок фізичних вимірювань, способи наближених обчислень та теорія методу найменших квадратів, який широко використовується при
обробці результатів за допомогою комп’ютера.
Зважаючи на те, що більшість студентів знайомиться з лабораторним практикумом вперше, додано розділ “Як написати звіт”, в якому досить детально, на прикладі конкретних робіт, розглянуто всі складові процесу оформлення звіту з використанням матеріалу інших трьох розділів. Тому, перш ніж починати виконання лабораторного практикуму, всім студентам рекомендовано ознайомитись зі змістом вступу та глави І посібника й користуватись ними під час обробки результатів вимірювання та оформлення звітів з кожної лабораторної роботи.
На кафедрі фізики розроблені програми обробки фізичного експерименту за допомогою комп’ютера. Для цього існує комп’ютерний клас кафедри. Обробка результатів вимірювань з допомогою комп’ютера не є обов’язковою, але студентам рекомендується провести розрахунки вимірювань декількох лабораторних робіт саме таким чином. Відмінності в процедурі оформлення звіту, що виникають при такому способі обробки результатів, підкаже викладач.
Лабораторний практикум починається зі вступного заняття. Це
перше заняття групи на кафедрі фізики, яке є організаційним. На цьому занятті викладач:
· проводить інструктаж з техніки безпеки в лабораторії кафедри фізики;
· здійснює поділ студентської групи на підгрупи та лабораторні бригади;
· ознайомлює з графіком виконання робіт кожною бригадою;
· надає рекомендації щодо літератури та методичних посібників, які можуть бути використані при підготовці та відпрацюванні лабораторних робіт;
· ознайомлює студентів з вимогами до виконання лабораторних робіт.
Виконання кожної лабораторної роботи передбачає окремі етапи:
1. Самостійну домашню підготовку до лабораторної роботи.
2. Отримання дозволу на виконання роботи.
3. Виконання роботи та фіксування результатів вимірювання.
4. Оформлення звіту.
5. Захист лабораторної роботи.
Розглянемо кожний етап детальніше.
Що включає самостійна домашня підготовка?
Студент, який знає номер своєї бригади, визначає за графіком номер та назву тієї лабораторної роботи, яка буде виконуватись на даному лабораторному занятті. Скориставшись рекомендованим методичним посібником вдома або у читальному залі, готується до виконання лабораторної роботи. В ході підготовки студент може проконсультуватись у викладача. Результатом підготовки має бути:
· конспект у лабораторному зошиті методичних вказівок до виконання даної лабораторної роботи;
· володіння в достатньому обсязі теоретичним матеріалом за темою роботи. (Для цього можна скористатись наведеними вказівками до виконання лабораторної роботи у методичному посібнику, контрольними запитаннями до лабораторної роботи або підручником);
· вміння чітко формулювати назву, мету та завдання даної лабораторної роботи;
· знання методики виконання лабораторної роботи та необхідного обладнання, яким користуються в даній роботі.