WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физики ФИЗИКА “Квантовая физика” Методические указания к выполнению лабораторных работ 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. Квантовая физика: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 74 с.

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 650000 – «Техника и технологии» и отнесенных к нему специальностей СЗТУ и направлению подготовки бакалавра 550000 – «Технические науки».

Сборник содержит методические указания к выполнению лабораторных работ по квантовой физике: квантовой природе света, физике твёрдого тела, строению атома и атомного ядра.

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры физики 4 марта 2004 г.; одобрено методической комиссией факультета системного анализа и естественных наук 15 июня 2004 г.

Рецензенты: кафедра физики Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна (зав. кафедрой К.Г.Иванов, д-р физ.-мат.

наук, проф.); В.М.Грабов, д-р физ.-мат. наук, проф. РГПУ им. А.И.Герцена.

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

Науч. редактор К.Ф.Комаровских, д-р физ.-мат.наук, проф.

Составители: К.Ф.Комаровских, д-р физ.-мат. наук, проф.;

И.А.Линийчук, д-р физ.-мат. наук, проф.; И.А.Торчинский, д-р физ.-мат. наук, проф.; Н.А.Тупицкая, канд. физ.-мат. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ В описании каждой работы теоретические положения метода измерений рассмотрены кратко, для более глубокого ознакомления с физическими основами изучаемых явлений рекомендуется литература [1,3,5,6]. Темы представленных работ непосредственно связаны с основными вопросами теоретического курса. Число и наименования работ для каждого студента могут различаться в зависимости от специальностей. Описания работ знакомят с содержанием и методикой их выполнения. Примерная схема записи результатов измерений и их обработки (формы таблиц, отчёта, некоторые параметры измеряемого образца) приведены на рабочих местах. Вопросы к зачёту в конце каждого описания позволяют студенту сосредоточиться на главном. Требования к оформлению отчёта изложены ниже.

Охрана труда и техника безопасности при проведении лабораторных работ Соблюдение техники безопасности при выполнении лабораторных работ по курсу физики производится в соответствии с «Правилами устройства электроустановок». (7-е изд. – М.: Электросервис, 2002).

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, изучившие методические указания к выполнению лабораторных работ, прошедшие инструктаж по технике безопасности и обученные безопасным методам работы. О прохождении инструктажа 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 указаниях на с. 6…12;

10) подпись студента и дату выполнения данной лабораторной работы.

Библиографический список Основной:

1. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. школа, 2001 и др. гг. издания.



2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш. школа,1989 и др. гг. издания.

Дополнительный:

3. Трофимова Т.И. Физика: 500 основных законов и формул: Справочник. – М.: Высш. школа, 2000.

4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся в втузов. – М.: Наука, 1980.

5. Савельев И. В. Курс общей физики. -М.: Наука, 1989 и др. гг. издания.

6. Епифанов Т.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника.– М.: Высш.

школа, 1986.

7. Михайлова С.В. Элементы теории неопределённостей при физических измерениях. – СПб.: СЗТУ, 2004.

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.

1. 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 хB, хB … хB B B B 1 2 n занести в таблицу по форме 1. Измерения должны быть многократными (число измерений n указывается преподавателем).

2. На основе полученных значений хB B, хB … хB B вычислить среднее арифB 1 2 n метическое значение х по формуле:

n xср = xi. (1) n i= 3. Вычислить отклонения результатов отдельных измерений (хB ) от средB i него арифметического значения (хB – хB ), а затем рассчитать квадратичное отB B ср i клонение (хB B – хB )P. Полученные данные занести в таблицу по форме 1.

B P ср i Форма N B B хB B (хB B – хB ) (хB B – хB )P P i ср i ср i опыта 4. По данным последней колонки формы 1 определить среднее квадратичное отклонение (СКО) результата серии из n измерений от среднего арифметического значения хB B по формуле:

ср.

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 (UB ).

B с 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:

хB B ± х, где x = t(p,n)S(хср ). (3) ср Здесь 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 таблицы 1.

6. Записать результат прямого измерения в виде:

(хB B – х) … (хB B + х).

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

ср ср Например, если при измерении диаметра d шарика микрометром среднее арифметическое значение dB = 5,29 мм, расчетное значение границы довериB ср.

тельного 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 0.7 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. 2. Учет неопределенностей, обусловленных систематическими ошибками Такие неопределенности (систематические погрешности) связаны с методом или средством измерений. Оценка таких погрешностей (неопределенностей) обычно проводится разработчиком или изготовителем прибора. Существует несколько способов оценки таких неопределенностей при использовании прибора в лаборатории при рекомендованных условиях его работы.

1. Используя информацию, приведенную 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. Максимальная погрешность (неопределенность) измерений прибором в этом случае вычисляется по формуле:

k xm =, (4) где k – класс точности прибора; xB B – верхний предел измерений прибора.

m 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) Здесь tB B – коэффициент Стьюдента при n = ; – доверительная грани ца систематической погрешности.

3. 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 ре зультатов остальных измерений. Получив такой результат, его следует исключить из дальнейших расчетов.

4. 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:

x = (xA )2 + (xB )2. (6) Здесь 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 хB B и хB B следует проводить при одном и том А В 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 = tB B = 1,0. Вероятность р = 0,68 означает, что результат измерения величины х с вероятностью 68 % попадает в интервал (хB B – x; хB B + x), т.е. примерно каждое третье измерение дает результат за ср ср 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 ис комой величины (ZB ) по рабочей формуле, в которую подставляют средние B ср 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 …Ym ).

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

B m YB B – граница доверительного интервала для прямого измерения YB B.

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

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

.

P Z = ZB BP.

ср Окончательный результат следует представить в стандартной форме:

(ZB B – Z) … (ZB B + Z).

ср ср РАБОТА 81. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА – БОЛЬЦМАНА И ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА 1. Цель работы Целью работы является ознакомление с законами теплового излучения и оптическим методом измерения температуры накаленных тел.

При выполнении работы требуется: 1) определить постоянную закона Стефана – Больцмана по излучению нечерного тела (серого); 2) определить постоянную Планка h из зависимости лучеиспускательной способности тела от температуры.

2. Краткая теория исследуемого явления Температурным или тепловым излучением называется излучение нагретых тел. При этом энергия теплового движения частиц тела непрерывно переходит в энергию испускаемого электромагнитного излучения.

Основной количественной характеристикой теплового излучения является его интегральная энергетическая светимость (излучательность) R, т. е.

энергия излучения, испускаемая единицей поверхности тела в единицу времени. Она зависит от температуры и природы тела. Эта энергия уносится электромагнитным излучением, имеющим сплошной спектр (0< <), причем интенсивность излучения различна в разных участках спектра.

Энергия излучения с длиной волны от до + d, испускаемого единицей поверхности излучающего тела за единицу времени, пропорциональна величине выделенного интервала длин волн Dr = rB B d. (1),T Здесь rB B – спектральная плотность энергетической светимости тела, т.е. энер,T гия, излучаемая единицей поверхности в единицу времени и приходящаяся на единичный интервал длин волн; rB B зависит от длины волны и температуры,Т тела Т.

Если тело частично поглощает падающее на его поверхность излучение, то отношение поглощенной телом энергии к падающей называется его коэффициентом поглощения аB.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 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.