Физика. 10 класс. Базовый уровень. Тетрадь для лабораторных работ к уч. Пурышевой Н.С. и др. — Пурышева Н.С.

Предлагаемая тетрадь для лабораторных работ является составной частью учебно-методического комплекса, в который входит учебник, рабочая тетрадь и методическое пособие тех же авторов. В тетради содержится описание десяти лабораторных работ. Во введении дан материал по расчету погрешности измерений. Пособие предназначено для организации работы учащихся при подготовке и проведении лабораторных работ по физике.

Физика. 10 класс. Базовый уровень. Тетрадь для лабораторных работ к уч. Пурышевой Н.С. и др.

 

Описание учебника

Вычисление погрешностей измерений в лабораторных работах
Измерение физических величин
Измерить физическую величину — это значит определить её значение опытным путём с помощью измерительных приборов (средств измерения).
Некоторые физические величины могут быть измерены непосредственно с помощью соответствующих приборов. Например, время, масса, сила тока, напряжение и др. Значения других величин измерить непосредственно нельзя: их определяют путём математических операций со значениями величин, измеренных с помощью приборов. К таким величинам относятся, например, жёсткость тела, коэффициент трения, ёмкость конденсатора и др. В связи с этим различают прямые и косвенные измерения.
Прямое измерение — определение значения физической величины непосредственно с помощью измерительного прибора.
Косвенное измерение — определение значения физической величины с использованием формулы, связывающей её с другими величинами, измеренными непосредственно с помощью прибора.
Причины и виды погрешностей измерений
Измерительные приборы имеют либо шкалу, либо экран, на котором высвечивается значение измеряемой величины. Обычно на шкале отмечены пределы измерений величины и её единица.
Цена деления шкалы С — это значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы (или минимальная разность между числами, высвечивающимися на экране цифрового прибора, например на экране электронных часов). За деление шкалы прибора принимают участок шкалы между двумя соседними метками.
Получить точное значение измеряемой величины невозможно. Причин этому несколько. Одной из них является цена деления шкалы измерительного прибора: чем она меньше, тем точнее выполнено измерение. Ещё одним фактором является несовершенство конструкции измери-
тельных приборов. На точность измерения влияет и используемый для этого метод, а также соблюдение экспериментатором правил пользования измерительными приборами.
Таким образом, в процессе измерения получают значение физической величины а, которое отличается от истинного значения на некоторую величину Да, называемую абсолютной погрешностью измерения.
Погрешности прямых измерений делят на четыре группы: систематические, случайные, приборные и промахи.
К систематическим погрешностям относят такие, которые повторяются от эксперимента к эксперименту. Одной из причин систематических погрешностей может являться неисправность измерительного прибора (например, начальное положение стрелочного прибора находится не на нулевой отметке, пружина динамометра имеет остаточную деформацию и т. п.). Другая причина систематических погрешностей связана с несовершенством используемого метода измерения. Поскольку обычно при выполнении эксперимента выбирают метод, вносящий наименьшую погрешность в измерение, и пользуются исправными приборами, то систематическую погрешность можно не учитывать.
Случайные погрешности возникают в процессе измерения в результате неконтролируемых факторов. Такая погрешность существует, например, при измерении диаметра сечения проволоки при определении её сопротивления, поскольку диаметр не является строго одинаковым на всей длине проволоки. Для учёта случайной погрешности используют метод среднего арифметического. Для этого измеряют диаметр проволоки в нескольких местах, находят среднее арифметическое:
Затем вычисляют отклонение каждого результата от среднего арифметического и среднее отклонение:
Это и будет случайная погрешность, или погрешность среднего арифметического.
Приборная погрешность обусловлена заложенной при изготовлении прибора точностью его показаний. Различают два вида приборных погрешностей. Одна из них связана с классом точности прибора, который обычно указывается в его паспорте. Если класс точности прибора составляет, например, 1,2, то это означает, что абсолютная погрешность измерений составляет 1,2% от верхнего предела шкалы прибора, и её можно вычислить. Если класс точности прибора не указан, то абсолютную погрешность принимают равной половине цены деления шкалы прибора: Аапр = ^ .
Вторая приборная погрешность, называемая погрешностью отсчёта, связана с дискретностью шкалы прибора. Очень часто стрелка прибора останавливается не на метке шкалы, а между метками. В этом случае за измеренное значение величины принимают то значение, ближе к которому остановилась стрелка, а погрешность отсчёта считают равной половине цены деления:
Если показания приборов изменяются скачкообразно, например механического секундомера, то погрешность отсчёта принимают равной цене деления.
Промахами называют ошибки, возникающие из-за несоблюдения экспериментатором правил использования приборов. Причинами промахов являются такие ошибки экспериментатора, как неправильное расположение приборов, положение глаз при снятии показаний, определение цены деления шкалы прибора и др.
Обычно при выполнении фронтальных лабораторных работ при условии работы с исправными приборами учитывают приборную погрешность, связанную с погрешностью отсчёта, и погрешность среднего арифметического.
Абсолютная и относительная погрешности измерений
Точность измерения физической величины характеризуют абсолют ной и относительной погрешностями.
Для уменьшения погрешности измерения необходимо, прежде всего, соблюдать правила пользования приборами.
При измерении малых величин, например диаметра горошины, массы или объёма капли воды, используют приём, позволяющий уменьшить погрешность измерения. Он заключается в том, что измеряют диаметр нескольких горошин, объём или массу нескольких капель, а затем полученное значение делят на число горошин или капель. При этом погрешность измерения уменьшается в число раз, равное числу горошин или капель.
Методы вычисления погрешности косвенных измерений
При косвенном измерении значение величины получают, используя формулу, связывающую искомую величину с другими величинами. В неё входят величины, значения которых получают в результате прямых измерений, а также могут входить постоянные величины, в том числе фундаментальные физические константы, значения которых приведены в справочных таблицах. Поскольку прямые измерения выполняются с некоторой погрешностью, то и косвенное измерение тоже имеет погрешность. Значения справочных величин и фундаментальных физических постоянных приведены с большой точностью, поэтому погрешностью их измерения можно пренебречь.
Существует несколько методов вычисления погрешности косвенных измерений. Рассмотрим два наиболее часто используемых метода: метод границ и метод оценки.
Метод границ. Как уже говорилось, значение измеренной величины находится в некоторой области, границы которой определяются абсолютной погрешностью. Предположим, что в лабораторной работе измеряют сопротивление резистора с помощью амперметра и вольтметра.
Описание установки и методики выполнения работы
Основу установки составляет нитяной маятник. Для его изготовления штатив устанавливают на рабочем столе так, чтобы лапка, прикреплённая к верхнему концу стержня штатива, выступала на 7—10 см за его край. К концу нити подвешивают груз. Другой конец нити зажимают в лапке штатива. При этом следят за тем, чтобы длина подвеса маятника была не менее 1 м, а груз не
Порядок выполнения работы
1. Соберите экспериментальную установку.
2. Измерьте длину маятника I как расстояние от точки подвеса до центра груза. Результаты всех измерений и вычислений записывайте в таблицу 5 с учётом абсолютной погрешности измерений.
3. Отведите груз в сторону на 5—10 см, отпустите и одновременно включите секундомер.
4. Измерьте время t, за которое груз совершит 20—30 полных колебаний.
5. Вычислите по формуле (3) период колебаний маятника.
6. Вычислите по формуле (2) ускорение свободного падения.
7. Вычислите относительную погрешность измерения ускорения свободного падения.
8. Вычислите абсолютную погрешность измерения ускорения свободного падения.
9. Запишите полученный результат в таблицу 5.
10. Установите, попадает ли табличное значение ускорения свободного падения в интервал допустимых значений этой величины, полученный по результатам измерений. Сделайте вывод.
Контрольные вопросы
1. Почему необходимо, определяя период колебаний маятника, измерять время не одного, а нескольких полных колебаний? _
2. Почему амплитуда колебаний в данном опыте должна быть относительно небольшой? _
3. Каковы причины погрешности измерения ускорения свободного падения с помощью изготовленного вами маятника? _
Лабораторная работа № 2
«Исследование движения тела под действием постоянной силы»
Цель работы: экспериментально доказать, что под действием постоянной силы тело движется с постоянным ускорением.
Приборы и материалы: жёлоб дугообразный; шарик; штатив с муфтой и лапкой; линейка; лист белой бумаги; лист копировальной бумаги.
Описание установки и методики выполнения работы
Экспериментальная установка для проведения работы показана на рисунке 1.
В работе исследуется движение шарика, который перемещается по дугообразному желобу. После того как шарик оторвётся от жёлоба, на него будет действовать только сила тяжести. Она направлена вертикально вниз и остаётся во время движения неизменной. Напомним, что тело под действием постоянной силы должно двигаться с постоянным ускорением, т. е. равноускоренно. Это утверждение и проверяется в данном исследовании. Идея опыта состоит в следующем. Предположив, что тело движется по вертикали равноускоренно, получить аналитически соотношение между перемещениями в вертикальном и горизонтальном направлениях, а затем экспериментально проверить, выполняется ли это соотношение.
Постоянство этого отношения и следует доказать экспериментально. Порядок выполнения работы
1. Закрепите дугообразный жёлоб в лапке штатива на высоте 10—12 см от поверхности стола так, чтобы его отогнутый конец располагался горизонтально (см. рис. 1).
14
2. Нанесите на поверхности жёлоба метку, от которой будет производиться пуск шарика. Его необходимо пускать с одного и того же места, чтобы обеспечить шарику одинаковое значение начальной скорости.
3. Положите лист бумаги на то место стола, где ожидается падение шарика, приклейте его скотчем и накройте листом копировальной бумаги. После падения шарика на бумаге останется чёткая метка.
4. Произведите пуск шарика от метки, нанесённой на жёлобе.
5. Измерьте линейкой высоту нижнего края жёлоба Н и дальность полёта шарика s. Результаты всех измерений и вычислений записывайте в таблицу 6.
Контрольные вопросы
1. Как зависит дальность полёта тела s от высоты Н, с которой оно брошено? _
2. Какую роль в решении поставленной в эксперименте задачи играет сопротивление воздуха? Что и как изменится, если его учитывать?
3. В чём причина погрешностей выполненных измерений? Как можно их уменьшить? Как изменяется точность измерений с изменением высоты,
с которой начинает падать груз? _
Лабораторная работа № 3
«Изучение движения тела по окружности под действием сил тяжести и упругости»
Цель работы: экспериментально доказать существование связи между равнодействующей всех сил, действующих на тело, и ускорением, которое тело получает в результате их действия.
Приборы и материалы: весы учебные; секундомер; динамометр; груз из набора грузов по механике; штатив с муфтой и лапкой; нить; измерительная лента; лист бумаги.
Описание установки и методики выполнения работы
Экспериментальная установка для выполнения работы показана на рисунке 2.
На верхнем конце стержня штатива закрепляют лапку так, чтобы её конец с губками оказался возможно дальше от стержня. На один конец нити подвешивают груз, а другой зажимают лапкой, следя за тем, чтобы груз оказался подвешенным на высоте не более 5—10 мм от поверхности стола. Под груз подкладывают лист бумаги, на котором начерчена окружность диаметром 15— 20 см и отмечен её центр. Центр неподвижно висящего груза должен находиться точно над центром окружности. Груз отводят в сторону до линии окружности и лёгким толчком по касательной приводят во вращение.
2. Соберите экспериментальную установку (см. рис. 2).
3. Отклоните груз до линии окружности и слегка толкните вдоль касательной к окружности. Проведите несколько пробных пусков и определите силу и направление толчка, после которого центр груза двигался бы точно над окружностью.
4. Измерьте время t, за которое груз совершит 10—15 полных оборотов.
5. Измерьте радиус окружности R.
6. Измерьте динамометром значение ,РИЗМ суммы сил тяжести и упругости нити, действовавших на груз при его вращении.
Контрольные вопросы
1. Как зависит точность измерения силы от радиуса окружности?
2. Как зависит точность измерения силы от длины нити?
Лабораторная работа № 4 «Исследование упругого и неупругого столкновений тел»
Цель работы: наблюдение изменения импульсов тел и сохранения суммарного импульса изолированной системы тел при упругом и неупругом соударениях.
Приборы и материалы: цилиндры металлические — два алюминиевых и один латунный из набора калориметрических тел; нить длиной 50— 60 см; пластилин; штатив с муфтой и лапкой; линейка.
Описание установки и методики выполнения работы
Экспериментальная установка для выполнения работы показана на рисунке 4.
К концам нити длиной 50—60 см подвешивают алюминиевый и латунный цилиндры. Нить перекидывают и закрепляют в лапке штатива таким образом, чтобы длина обоих подвесов оказалась одинаковой и цилиндры не касались основания штатива.
Латунный цилиндр отводят от положения равновесия на 10—15 см и отпускают. Опыт проводят несколько раз, добиваясь, чтобы получился центральный удар. При правильном проведении опыта видно, что после соударения скорость двигавшегося латунного цилиндра существенно уменьшится, а неподвижный до этого алюминиевый цилиндр начнёт движение и отклонится на значительное расстояние от положения равновесия. Таким образом, при упругом ударе движущийся цилиндр частично передаёт свой импульс неподвижному цилиндру, в целом же импульс системы сохраняется.
Для наблюдения неупругого соударения к нити подвешивают два одинаковых алюминиевых цилиндра. Верхнюю часть каждого из них опоясывают валиком пластилина (рис. 5). Диаметр валика примерно 5 мм, масса валиков должна быть одинаковой. Оба цилиндра отводят в противоположные стороны на равные расстояния — по 10—15 см и одновременно отпускают. Как и в первом случае, опыт проводят несколько раз, добиваясь, чтобы получился центральный удар.
Поскольку куски пластилина слипаются, соударение получается неупругим. После соударения соединившиеся цилиндры останавливаются: до соударения их импульсы были равны по модулю и направлены в противоположные стороны, следовательно, импульс системы был равен нулю. В результате соударения суммарный импульс системы также равен нулю.

Физика. 10 класс. Базовый уровень. Тетрадь для лабораторных работ