Осуществление и запись эксперимента


Эксперимент ГукаКогда инструкции внимательно прочитаны, прибор собран по приве­денной схеме, сама схема изображена правильно, обозначены ее составные части, составлена таблица для записи результатов, вы готовы к проведению самого эксперимента. Каждое измере­ние или показание прибора сразу должны заноситься в приготовленную таблицу результатов. Лучше всего было бы записывать эти результаты сначала карандашом, а затем, если расчеты подтверждают их правиль­ность, обвести результаты чернилами.

Письменная запись результатов эксперимента должна всегда следо­вать образцу, предоставленному вам учителем. Следующий пример по­казывает план, который часто ис­пользуется:

Заголовок. Проверка закона Гука для винтовой пружины.

Пояснение. Закон Гука утвержда­ет, что в случае, когда не превыша­ются пределы упругости, растяжениее пружины прямо пропорционально ве­су груза Lприсоединенного к ней.

Схема. Схема должна быть точно вычерчена и правильно обозначена.

Метод. Подробный отчет о последо­вательных действиях по проведению эксперимента должен быть написан в прошедшем времени. Он должен со­держать достаточно сведений для того, чтобы другой человек, незнакомый с экспериментом, прочитав его, мог успешно повторить проведенный эксперимент. Все меры предосторож­ности или дополнительные действия по улучшению работы прибора должны быть включены в описание метода. Таким образом, письменная запись должна быть точным, хронологически последовательным отчетом о том, что было сделано и как это было сделано.

В качестве примера предлагается сле­дующее описание метода проведения эксперимента по закону Гука.

Изображение закона ГукаПрибор был установлен так, как показано на схеме. До того как к пружине был подвешен какой-либо груз Lбыло отмечено и записано по­ложение стрелки на линейке. Это по­ложение стрелки взято в качестве ус­ловного нуля. Груз весом 0,5 Н был подвешен к концу пружины. Он в те­чение некоторого времени колебался, затем установилось равновесие, при котором было отмечено новое поло­жение стрелки, и показание занесено в таблицу результатов. Далее добав­лялись грузы весом по 0,5 Н до тех пор, пока вес груза не стал равным 3,0 Н. При этом отмечались показания стрел­ки для каждого груза после установ­ления состояния равновесия. Затем вес груза уменьшался равными час­тями по 0,5 Н, и также отмечались и записывались показания неподвиж­ной стрелки. Усредненные показания стрелки для каждого груза были под­считаны путем сложения показаний при последовательных нагружении и разгружении и деления на 2. Рас­тяжение е пружины было подсчитано для каждого груза путем вычитания показания стрелки для нулевого поло­жения груза из усредненного показа­ния стрелки для каждого груза.

График, показывающий зависи­мость растяжения е от веса груза L в системе прямоугольных координат, и подтверждает прямо пропорциональ­ную зависимость е от L.

Результаты. Таблица результатов была подробно обсуждена в лекции "Экспериментирование".

Вычисления. Математические вы­числения должны быть полностью представлены в вашей специальной тетради, предпочтительно вместе с таблицей результатов или вблизи нее так, чтобы работа могла быть про­верена учителем. В физике почти все величины имеют свои единицы  измерения, и весьма распространенной . ошибкой является, когда их опускают при подсчетах. Соответствующая еди­ница измерения всегда должна присут­ствовать в конечном результате. Если отсутствует единица измерения, как, например, для показателя преломле­ния, выигрыша в силе при исполь­зовании рычага или отношения ско­ростей, тогда считают такую вели­чину безразмерной.

График экспериментаГрафик. Графики станут все более и более необходимы по мере того, как вы будете восходить от простого к сложному в изучении физики. Ос­новательная первичная подготовка на этих ранних ступенях весьма важна для любой работы, которую вы впо­следствии выберете. Рисунок 0.2, а демонстрирует рекомендуемый способ обозначения графиков так, чтобы они выглядели как математический ап­парат, имеющий дело только с чис­лами. На оси координат откладывают только числовые значения исследуе­мой величины, единицы измерения которой вынесены на ось вместе с обозначениями величины. На при­веденном рисунке, б)  ось у симво­лизирует давление р, а) х — объем Vоднако совсем необязательно исполь­зовать слова «давление» и «объем», так как они уже подразумеваются самими этими символами. Тем не ме­нее в этой книге название величины будет записываться вдоль оси, с тем чтобы помочь вам познакомиться со значениями разнообразных символов. Когда вы поймете значения символов, вы можете при желании опустить сами слова.

На этом уровне позволительно употреблять кратные или дольные еди­ницы измерения, если это упростит числа на графике. Так, например, гра­фик на рисунке 0.2, б мог бы заме­нить график на рисунке 0.2, а, посколь­ку 100 кПа и 50 см3 — более простые для обращения числа, чем 1,0-105 Па и 50- Ю-6 м'\ выражающие присущие осям единицы измерения. Рекоменду­ется также использование эскизного графика, т. е. такого, который пока­зывает связь между двумя величинами без применения чисел. Рисунок в) демонстрирует пример эскизного гра­фика, на котором показано, что сопро­тивление R проволоки прямо про­порционально длине / этой проволоки. Обратите внимание, что оси обозначены как «сопротивление» и «длина» по названиям исследуемых величин. Символы R и /, а также единицы из­мерения не используются. В качестве упражнения изобразите эскизный график зависимости давления р и объема V для определенной массы га­за при постоянной температуре.

Мы рекомен­дуем, чтобы обозначение и величины используемых шкал добавлялись к тем графикам, которые имеют отношение к экспериментальным или числовым данным. Здесь мы советуем, чтобы каждый график (рис. а) )имел: а) название; б) обозначения обеих осей; в) единицы измерения величин на каждой оси; г) масштабы (шкалы), используемые на каждой оси; д) точки в сочетании с крестиками (X или +) или точки в кружке.

Названия, обозначения и единицы измерения для графиков

 

График, изображенный на рисун­ке б), вычерчен по результатам эксперимента по проверке закона Гука, приведенным здесь. Для акку­ратного проставления точек необходи­ма крайняя тщательность. Точки графика должны быть «связаны» еди­ной прямой линией или дугой. Гра­фик должен занимать как можно боль­шее пространство координатной плос­кости. Для этого необходим разумный выбор масштаба для каждой оси. Вряд ли все точки графика, получен­ные в результате реального экспери­мента, лягут на прямую (или плав­ную кривую) линию вследствие не­избежных погрешностей измерений, поэтому постарайтесь провести пря­мую линию (или плавную дугу) через как можно большее число точек или же так, чтобы распределение точек справа и слева от линии было при­мерно равным. Удобный способ полу­чения сбалансированного графика этого типа показан на рисунке ниже.

Альтернативный способ проведения прямой линииПредположим, вам нужно вычертить наилучшую прямую линию, проходя­щую через шесть точек, обозначенных на рисунке 0.4, а. Отметьте (другим цветом или обозначением) промежу­точные точки для каждой пары экспе­риментальных точек, изображенной на графике. Эти пять промежуточных то­чек обозначены знаком « + » на рисун­ке 0.4, б. Промежуточные точки обыч­но лежат очень близко к прямой линии. Таким образом, соединение этих пяти промежуточных точек на рисунке 0.4, б прямой линией дает наилучшую пря­мую линию, проходящую через исход­ные шесть точек. Если же промежу­точные точки не лягут на прямую линию, то процедура может быть по­вторена путем проставления промежу­точных точек для предыдущих промежуточных точек и т. д., пока не бу­дет получена прямая линия.

Другой способ построения для точек, которые не все лежат на прямой линии, состоит в применении узкой прозрачной пластмассовой пластины с ровным краем (например, разме­ром 30X2 см). Поместите пластину поверх точек, как показано на ри­сунке, таким образом, чтобы они на глаз располагались поровну выше и ниже ровного края. Это возможно, по­тому что вы можете видеть эти точки под ровным краем через прозрачную пластину. Затем прочертите прямую линию вдоль ровного края.
Проведение плавной неприрывной линииЭтот рисунок также демонстрирует другую часто встречающуюся труд­ность при вычерчивании графика, а именно, как следует поступить с точкой Р, которая располагается до­статочно далеко вне прямой линии, проходящей через другие пять точек. В этом случае вы должны отнестись к точке Р как к ошибке и не вклю­чать ее в рассмотрение при проведе­нии прямой линии, а вместо этого выяснить, почему эта точка ошибоч­на. Для того чтобы определить, по­чему точка Р является ошибочной: а)    проверьте,   точно   ли   поставлена эта точка; б) проверьте вычисления для точки Р; в) проверьте прибор; г) если возможно, повторите измере­ния, которые дали точку Р.

Кривые должны вычерчиваться ле­калом или гибкой линейкой, которой можно придать любую необходимую форму. Ваш товарищ может держать согнутую линейку в необходимом по­ложении, пока вы проводите черту вдоль нее. Окончательная кривая должна быть плавной и непрерывной, как показано на рисунке.

Заключение. Сформулируйте и на­глядно расположите все выводы, по­черпнутые вами из эксперимента. Будьте честны, записывая отчет и вы­вод. Не стремитесь достичь ожидае­мого ответа, особенно если получен­ные результаты и последующие рас­четы не соответствуют ему. Когда вы при вычислении результата поняли, что не достигли ожидаемого число­вого значения, к которому стреми­лись, то ваш преподаватель сможет сказать, является ли результат: а) приемлемым в рамках экспери­ментальной ошибки; б) следствием экспериментальной ошибки; в) следст­вием математической ошибки.

Практические эксперименты могут быть интересными и увлекательными, особенно если они успешно осущест­влены.

Материал взят с сайта http://globalphysics.ru


Лекция добавлена 17.12.2012 в 04:34:33