А) Измерения. Погрешности измерений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

«МЕХАНИКА»

Рекомендовано к изданию Советом университета в качестве методического
пособия для студентов технических специальностей всех форм обучения

БРЕСТ 2011

УДК 538. 91, 548.73,378.147:53

ББК 74.265.1 я 73

Ч 75

Рецензенты: Ревинский А.Ф., доктор ф.- м. н., профессор «БГУ им А.С. Пушкина»

Секержицкий В.С., к. ф.- м. н., доцент «БГУ им А.С. Пушкина»

Методическое пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по курсу физики, раздел «Механика» студентами технических специальностей всех форм обучения. Данное пособие содержит в себе краткие теоретические сведения по основным вопросам указанного раздела, включённым в рабочие программы, чёткие указания для выполнения лабораторной работы, перечень контрольных вопросов по каждой работе, контрольный тест и рекомендуемую литературу.

Авторы благодарны Гладковскому В.И., Чугунову С.В. за помощь в написании пособия.

Чопчиц Н.И., Гладыщук А.А., Янусик И.С.

Ч75 Лабораторный физический практикум «Механика» / Методическое пособие для студентов технических специальностей. – Брест, из-во БрГТУ, 2011. – 80 с.

ISBN 978-985-493-195-1

УДК 538. 91, 548.73,378.147:53

ББК 74.265.1 я 73

ISBN 978-985-493-195-1 © Коллектив авторов, 2011

© Из-во БрГТУ, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. Л/р М 1. Изучение теории погрешностей и кинематики
материальной точки..................................................................................... 4

2. Л/р М 2. Изучение законов и определение характеристик
поступательного и вращательного движения на машине Атвуда............. 24

3. Л/р М 3. Изучение упругого удара............................................................. 30

4. Л/р М 4. Определение скорости пули при помощи крутильного
баллистического маятника........................................................................... 35

5. Л/р М 5. Изучение законов динамики вращательного движения
твёрдого тела вокруг неподвижной оси на маятнике Обербека................ 41

6. Л/р М 6. Определение моментов инерции твёрдых тел с помощью
крутильного маятника................................................................................. 46

7. Л/р М 7. Изучение физического и математического маятников................ 54

8. Л/р М 8. Определение коэффициента трения качения............................... 62

9. Л/р М 9. Диск Максвелла............................................................................. 68

10. Л/р М 10. Изучение неупругого удара....................................................... 76

11. Приложение. Процедура линеаризации..................................................... 83

12. Тест М 1........................................................................................................ 85

13. Список использованной литературы.......................................................... 86

Лабораторная работа М 1

ИЗУЧЕНИЕ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ И КИНЕМАТИКИ

МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

Цель работы: изучение основ теории погрешностей и методов обработки экспериментальных результатов. Определение кинематических характеристик по стробоскопическим фотографиям.

Приборы и принадлежности: стробоскопические фотографии, линейка, карандаш.

Основы погрешностей и методы обработки экспериментальных результатов:

а) Измерения. Погрешности измерений.

Основным методом получения информации об изучаемых явлениях в физике является опыт, то есть наблюдение явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за его ходом и воссоздавать необходимое число раз при повторении этих условий. Количественную информацию о явлении даёт измерение – определение значений физических величин, характеризующих явление, опытным путем с помощью специальных технических средств. В учебных лабораториях используются два вида измерений: прямые и косвенные.

Прямыми называются измерения, в которых значение измеряемой величины находится непосредственно из отсчета по шкале прибора. Вычисления при этом сводятся к учёту цены деления прибора и других переводных множителей.

Примеры: измерение длины линейкой, штангенциркулем; времени – секундомером; массы – весами; силы тока – амперметром и т. д.

Косвенными называются измерения, при которых интересующая нас величина находится как функция одной или нескольких прямым образом измеряемых величин.

Примеры: определение плотности вещества по массе и объему, ёмкости конденсатора по его заряду и напряжению между обкладками и т.д.

Каковы бы ни были способы и методы измерения, измеренное значение x _изм. физической величины x почти всегда отличается от её истинного значения x _ист..

Следует обратить внимание на то, что ни прямые, ни косвенные физические величины не имеют смысла вне связи с физической моделью изучаемой ситуации. Например, если мы прямым образом определяем длину и ширину стола, то мы основываемся фактически по модели реального стола в виде прямоугольника, хотя, строго говоря, даже если отвлечься от имеющей место непрямолинейности сторон, стол является неправильным четырехугольником. Поэтому вопрос о том, существует ли, например, истинная длина стола, неотделим от принятой физико-математической модели реального стола, и с самого начала увязан с вопросом приемлемой точности описания.

Ошибкой измерений называется разность

δx = x _изм. – x _ист (1)

Ошибки измерения систематизируются по двум основным признакам: по месту возникновения и по характеру проявления.

Методическими ошибками называют ошибки, возникающие из-за несовершенства методов измерения и обработки результатов. Например, часто пренебрегают трением, сопротивлением соединительных проводов и измерительных приборов и т. д.

Приборными ошибками называют ошибки, обусловленные несовершенством (ограниченной точностью) применяемых средств измерения.

Личные ошибки обусловлены индивидуальными особенностями экспериментатора, несовершенством его органов чувств и проявляются, например, в неправильном отсчитывании десятых долей шкалы прибора.

Систематическими ошибками называются ошибки, величина и знак которых от опыта к опыту сохраняются или изменяются закономерно. Они вызываются постоянно действующими причинами, односторонне влияющими на результат измерений, например, неправильной градуировкой прибора или его установкой, несовершенством методики измерений и т. д.

Случайными ошибками называются ошибки, величина и знак которых от опыта к опыту меняются непредсказуемым образом. Они вызываются, как правило, большим количеством одновременно действующих причин, влияние которых на процедуру неупорядочено и не может быть учтено заранее (вибрации, колебание температуры, движение воздуха, колебания напряжения в сети, люфт и трение в измерительных приборах и т. д.) При наличии случайных ошибок единичное измерение недопустимо.

Промахами называются грубые ошибки, возникающие вследствие неправильных действий экспериментатора (небрежность или описка в записи результатов, неправильное снятие показаний прибора и т. д.) Наблюдения, содержащие промахи, отбрасываются, как не заслуживающие доверия. Наличие ошибок приводит к следующему правилу: