WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физики ФИЗИКА Методические указания к выполнению лабораторных работ:

часть II, “Электричество и магнетизм” Факультеты: все Направление подготовки дипломированного специалиста 650000 – техника и технологии Направление подготовки бакалавра 550000 – технические науки Санкт-Петербург 2004 Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 53(07) Физика: Методические указания к выполнению лабораторных работ:

ч.II, “Электричество и магнетизм” – СПб.: СЗТУ, 2004 – 98 с.

Данное пособие разработано в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 650000 – “Техника и технологии” и отнесенных к нему специальностей и направлению подготовки бакалавра 550000 – “Технические науки”.

Настоящая брошюра содержит методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу дисциплины “Физика”: Электричество и магнетизм.

Рассмотрено на заседании кафедры физики 04.03.2004 г.; одобрено методической комиссией факультета системного анализа и естественных наук 21.06.2004 г.

Рецензенты: К.Г.Иванов, д-р физ.-мат. наук, проф., зав.кафедрой физики СПбГТУТД; В.М.Грабов, д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры физики РГПУ им.

А.И. Герцена.

Под общей редакцией А.Б.Федорцова, д-ра физ.-мат. наук, проф., зав.

кафедрой физики СЗТУ.

Научные редакторы: В.П.Дзекановская, канд. физ.-мат. наук, доц. и В.А.Подхалюзин, канд. техн. наук, доц.

Составители: В.М.Бородин, канд. физ.-мат. наук, доц.; Г.А.Курбатов, канд. техн. наук, доц.; С.В.Михайлова, канд. пед. наук; В.А.Подхалюзин, канд.

техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Охрана труда и техника безопасности при проведении лабораторных работ Соблюдение техники безопасности при выполнении лабораторных работ по физике производится в соответствии с инструкцией № 121 об охране труда для студентов при выполнении лабораторных работ на кафедре физики.

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, изучившие методические указания к выполнению лабораторных работ, прошедшие инструктаж по технике безопасности и обученные безопасным методам работы. Об усвоении правил техники безопасности делается запись в журнале учета прохождения инструктажа по технике безопасности, которая подтверждается собственноручными подписями студентов, прошедших инструктаж, и преподавателя или дежурного лаборанта, проводившего его.

Перед проведением лабораторной работы необходимо проверить надежность заземления электроизмерительных приборов и установок. Перед включением оборудования необходимо убедиться в отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне и предупредить товарищей о начале лабораторной работы;

до начала работы приборы должны быть выключены.

В случае обнаружения неисправностей, связанных с токопроводящими проводниками, изоляцией, греющимися токонесущими частями, необходимо немедленно прекратить работу и обратиться к преподавателю или дежурному лаборанту.

После окончания лабораторной работы необходимо выключить электроизмерительные приборы.

Запрещается:

- находиться в помещении в верхней одежде;

- оставлять без надзора включенную лабораторную установку;

- выполнять работу в отсутствие преподавателя или дежурного лаборанта;

- класть сумки и другие личные вещи на столы и лабораторную технику.

Студенты, не соблюдающие правила техники безопасности, отстраняются от проведения лабораторных работ.

Требования к оформлению отчетов По каждой лабораторной работе оформляется отчет, который должен содержать:

1) номер и название работы;

2) формулировку цели работы;

3) физическое обоснование цели работы и метода измерения;

4) рабочую формулу с расшифровкой всех буквенных обозначений;

5) результаты прямых измерений и вычислений;

6) там, где это предусмотрено работой, график;

7) вычисление искомой величины по рабочей формуле;

8) вывод формулы относительной погрешности (неопределенности) косвенного измерения и результат расчета по этой формуле;

9) оценку погрешности (неопределенности) измерения искомой величины. При оценке неопределенностей прямых и косвенных измерений студент должен руководствоваться правилами обработки результатов измерений, приведенными в данных пособиях на с. 6…12.

10) подпись студента и дату выполнения данной лабораторной работы.

Библиографический список Основной:

1. Трофимова Т.И. Курс физики. –М.: Высш. шк., 2003 и др. года изданий.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. –М.: Высш. шк., 2004.

Дополнительный:

3. Савельев И. В. Курс общей физики. -М.: Наука, 1989 и др. года изданий.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ Любое измерение неизбежно связано с некоторой ошибкой. Это приводит к неопределенности результата измерений. Неопределенности (погрешности) результатов измерений имеют три вида составляющих: случайные, систематические и промахи. В каждой конкретной лабораторной работе необходимо оценить, какой вклад вносит каждая составляющая неопределенности в результат измерения данной величины.

ПРАВИЛА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Прямыми называют измерения, при которых результат получается непосредственно по отсчетному устройству прибора.



I. Учет случайных составляющих неопределенности (погрешности) Случайные составляющие погрешности (неопределенности) измерений вызываются рядом мелких, неконтролируемых обстоятельств. Они подчиняются законам математической статистики.

При оценке таких неопределенностей предполагают, что они являются случайными величинами, малыми по сравнению с самой измеряемой величиной, и распределены по нормальному (гауссову) закону. Для оценки неопределенности измерений, которую вносят случайные составляющие, необходимо выполнить следующее:

1. Провести n измерений величины х. Результаты измерений х1, х2…хn занести в таблицу по форме. Измерения должны быть многократными (число измерений n указывается преподавателем).

2. На основе полученных значений х1, х2…хn вычислить среднее арифметическое значение х по формуле n xср = xi. (1) i=n 3. Вычислить отклонения результатов отдельных измерений (хi) от среднего арифметического значения (хср–хi), а затем рассчитать квадратичное отклонение (хср – хi)2. Полученные данные занести в таблицу по форме:

N хi хср – хi (хср – хi)опыта M 4. По данным последней колонки формы определить среднее квадратичное отклонение (СКО) результата серии из n измерений от среднего арифметического значения хср. по формуле n (xср - xi) i=S( хср ) =. (2) n(n -1) Замечание. В международных документах, основанных на «Руководстве по выражению неопределенности измерений», среднее квадратичное отклонение (СКО) обозначается термином стандартная неопределенность (Uс).

5. Оценить доверительный интервал, т.е. интервал, в котором с требуемой доверительной вероятностью р находится измеряемая величина х. Значение р задается преподавателем исходя из требований конкретного эксперимента.

Границы доверительного интервала для измеряемой величины х определяются по формуле хср ± х, где x = t(p,n)S(хср ), (3) где t(p,n) – коэффициент Стьюдента, зависящий от р и n.

Определить коэффициент Стьюдента при выбранной доверительной вероятности р и данном числе измерений n можно из табл. 1.

6. Записать результат прямого измерения в виде (хср – х)…(хср + х).

Такая запись означает, что измеренная величина х с доверительной вероятностью р находится в интервале от (хср – х) до (хср + х).

Например, если при измерении диаметра d шарика микрометром среднее арифметическое значение dср. = 5,29 мм, расчетное значение границы доверительного интервала составляет d = 0,01 мм, то ответ имеет вид d = (5,28…5,30) мм.

Следует заметить, что для всех измеряемых в данной лабораторной работе величин задается одно и то же значение доверительной вероятности р.

Таблица p 0.68 0.8 0.9 0.95 0.98 0.99 0.n 2 1.3 1.9 6.31 12.71 31.82 63.66 636.3 1.3 1.6 2.92 4.30 6.69 9.92 31.4 1.2 1.5 2.35 3.18 4.54 5.84 12.5 1.2 1.5 2.13 2.78 3.75 4.60 8.6 1.1 1.4 2.02 2.57 3.36 4.03 6.7 1.1 1.4 1.94 2.45 3.14 3.71 5.8 1.1 1.4 1.90 2.36 3.00 3.50 5.9 1.1 1.4 1.86 2.31 2.90 3.36 5.10 1.1 1.3 1.83 2.26 2.82 3.25 4.50 1.1 1.3 1.7 2.0 2.100 1.0 1.3 1.7 2.0 2.1.0 1.6 2.0 2. II. Учет неопределенностей, обусловленных систематическими ошибками Такие неопределенности (систематические погрешности) связаны с методом или средством измерений, их оценка обычно проводится разработчиком или изготовителем прибора. Существует несколько способов оценки неопределенностей, связанных с использованием прибора при рекомендованных условиях его работы.

1. На основании информации, приведенной в паспорте прибора.

В паспорте прибора указывается предел допустимой неопределенности (погрешности) или приводится расчетная формула для ее вычисления.

2. На основании класса точности прибора.

Многие приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры и др.) нормируются по приведенной погрешности, выражаемой в процентах от верхнего предела измерений и называемой классом точности. Класс точности указывают на панели прибора. Максимальная погрешность (неопределенность) измерений прибором в этом случае вычисляется по формуле k xm =, (4) где k – класс точности прибора; xm – верхний предел измерений прибора.

3. По цене деления прибора.

Если класс точности прибора не указан, то за погрешность (неопределенность) прибора принимают половину цены наименьшего деления шкалы прибора. В случае прибора, стрелка которого перемещается неравномерно, погрешность прибора считают равной цене деления прибора (это, например, имеет место у механического секундомера, стрелка которого перемещается скачками).

Граница доверительного интервала, определяемая систематическими ошибками, определяется по формуле xB = t, (5) где t – коэффициент Стьюдента при n = ; – доверительная граница систематической погрешности.

III. Промахи Грубые ошибки (промахи) – это ошибки измерения, возникающие в результате погрешности оператора, неверного отсчета по прибору, неправильного включения прибора или недостатка внимания экспериментатора.

Внешним признаком промаха является его резкое отличие по величине от результатов остальных измерений. Получив такой результат, его следует исключить из дальнейших расчетов.

IV. Доверительный интервал в общем случае В общем случае необходимо учитывать как случайные, так и систематические неопределенности (погрешности) измерений. Тогда границы доверительного интервала для суммарной неопределенности можно вычислить по формуле 2 x = (xA ) + (xB ), (6) где xA = t(p,n)S( хср ) – граница доверительного интервала, обусловленного случайными ошибками измерений; xB = t – граница доверительного интервала, вызванная систематическими ошибками измерений.





При определении границ доверительного интервала неопределенности (погрешности) измерений, обусловленных вкладом как случайных, так и систематических ошибок, вычисление хА и хВ следует проводить при одном и том же значении доверительной вероятности р.

В практике учебных лабораторных работ обычно принято брать значение доверительной вероятности р = 0,68, тогда коэффициент Стьюдента при n = 10 составляет t = 1,1, а при n = t = 1,0. Вероятность р = 0,68 означает, что результат измерения величины х с вероятностью 68 % попадает в интервал (хср - x; хср + x), т.е. примерно каждое третье измерение дает результат за пределами данного интервала.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 1. Косвенными являются измерения, при которых искомую физическую величину Z определяют путем вычислений по результатам прямых измерений других величин. Поэтому после проведения прямых измерений и оценки их неопределенностей (погрешностей) необходимо вычислить среднее значение искомой величины (Zср) по рабочей формуле, в которую подставляют средние значения величин, полученных из прямых измерений.

2. Для оценки неопределенностей (погрешностей) косвенных измерений величины Z необходимо вывести формулу для ее относительной погрешности.

Пусть искомая величина Z является функцией нескольких переменных:

Z = f (Y1,Y2 KYm ).

Тогда 2 2 ' ' ' Z fY1 Y1 fY 2 Y2 fYm Ym = = + K +, (7) + Z Z Z Z Z ' где fYm = – частные производные, которые вычисляются при средних знаYm чениях результатов прямых измерений Ym ;

Ym – граница доверительного интервала для прямого измерения Ym.

Формула для расчета относительной неопределенности косвенных измерений в некоторых простейших случаях представлена в табл. 2, где символы Y обозначают границы доверительного интервала для измеряемых величин Y.

Таблица Вид Относительная стандартная неопределенность функциональной Z = Z зависимости 2 Z = Y1 ± Y(1) + (2 ) (Y1 ± Y2 ) 2 Z = Y1Y 1 + Y1 2 Z = Y1 / Y 1 + Y1 2 2 1 2 m Z = Y1,Y2 KYm 2 + 2 + KY1 2 m 3. После вывода формулы относительной погрешности необходимо по ней вычислить значение, а затем определить доверительный интервал Z искомой величины:

Z = Zср..

Окончательный результат следует представить в стандартной форме:

(Zср – Z)…(Zср + Z).

РАБОТА 26. ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА МЕТОДОМ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ГАЛЬВАНОМЕТРА 1. Цель работы Ознакомиться на практике с понятием электроемкости и формулами для вычисления емкости при последовательном и параллельном соединении конденсаторов; приобрести навыки измерения электроемкости с помощью баллистического гальванометра.

2. Краткая теория исследуемого явления Электроемкость является важным свойством проводника. Она показывает, какой заряд надо сообщить проводнику, чтобы увеличить его потенциал на единицу:

Q С =.

Единица измерения электроемкости – фарад (Ф): 1 Ф = 1 Кл/В.

Электроемкость зависит от формы, размеров проводника, от свойств окружающей среды, но не зависит от материала, агрегатного состояния и наличия полостей внутри проводника.

Электроемкость проводника увеличивается при приближении к нему других проводников. На этом основано устройство конденсаторов, предназначенных для накопления электрических зарядов. Конденсаторы широко используются в электротехнике, в радиотехнике, в системах обработки и хранения информации и т.д.

Под электроемкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в нем, к разности потенциалов U = 1 - 2 между его обкладками:

Q C =.

U Рассчитать емкость конденсатора данной формы можно, используя законы электростатики. Для плоского конденсатора 0S С =, d где 0 = 8,85 10-12 Ф/м – электрическая постоянная, – диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами, S – площадь каждой пластины, d – расстояние между ними.

Для получения необходимой емкости при данном напряжении в цепи конденсаторы соединяют в батареи.

При параллельном соединении электроемкость определяется по формуле Собщ = С1 + С2 + L + Сn ;

при последовательном – 1 1 1 = + + L +.

Собщ С1 С2 Сn Данная работа знакомит с баллистическим методом измерения электроемкости конденсатора. В результате выполнения работы требуется определить числовое значение баллистической постоянной данного прибора и измерить емкости двух неизвестных конденсаторов, а также емкости их последовательного и параллельного соединений.

Особо чувствительные приборы, не имеющие стандартной градуировки, называются гальванометрами, их чувствительность или цена деления шкалы указывается в паспорте. Цена деления шкалы – это величина, обратная чувствительности. Под чувствительностью прибора понимают отношение линейного перемещения или угла поворота указателя к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Режим гальванометра называется баллистическим, если полное время протекания тока, произвольным образом зависящего от времени, очень мало в сравнении с периодом собственных колебаний гальванометра.

Если через витки рамки гальванометра пропустить электрический ток, то возникает вращающий момент:

M=NBSI, (1) где N – число витков в рамке; B – индукция магнитного поля в зазоре магнитной цепи; S – площадь витка; I – сила тока.

За время импульса тока рамка получает момент импульса:

J = M = NBSI = I, (2) где J –момент инерции рамки, – угловая скорость рамки в момент времени, – потокосцепление ( полный магнитный поток).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.