Физика/2. Физика твёрдого тела

Кирей П.С.

Николаевский филиал ЧВУЗ «Европейский университет», Украина

Комплекс лабораторных работ по механике, объединённых общим замыслом и единым объектом исследования

Комплекс лабораторных работ «Изучение простейших механических свойств набора тел правильной формы» состоит из 6 лабораторных работ, объединённых общим замыслом и единым объектом исследования, которым является набор из 8 цилиндрических образцов, выполненных из разных материалов с разными размерами и массой.

Главная цель комплекса – изучение геометрических и механических свойств набора образцов правильной геометрической формы, анализ связей между этими свойствами, графическое представление полученных результатов и расчёт погрешностей проводимых измерений.

Комплекс включает в себя следующие работы:

1. «Измерение массы и линейных размеров».

2. «Определение геометрических характеристик».

3. «Определение механических характеристик».

4. «Идентификация материала изучаемых образцов».

5. «Изучение зависимости массы от объёма».

6. «Экспериментальная проверка закона Архимеда».

В работе № 1 производятся однократные измерения массы и линейных размеров экспериментальных образцов и рассчитываются погрешности проведенных прямых измерений. Перед началом измерений студенты изучают характеристики измерительных инструментов и приборов, определяя цену деления, нижний и верхний пределы измерения, приборную погрешность каждого инструмента.

Работа № 2 «Определение геометрических характеристик» основывается на результатах, полученных в работе № 1. В данной работе рассчитываются следующие геометрические характеристики изучаемых образцов: периметр и площадь основания, площадь боковой поверхности, общая площадь поверхности, объём, а также погрешности их измерения. Необходимые для расчётов формулы учащиеся вписывают в таблицы полученных результатов самостоятельно.

Работа № 3 «Определение механических характеристик» основывается на результатах, полученных в работах №№ 1 и 2. В данной работе рассчитываются следующие механические характеристики изучаемых образцов: вес, давление на основание, удельная площадь поверхности, плотность, момент инерции, а также погрешности их измерения.

Работа № 4 «Идентификация материала изучаемых образцов» основывается на результатах работы № 3. Особенностью этой работы является графическое представление полученных в работе № 3 значений плотности и сравнение их с теоретическими значениями для соответствующих материалов. Построение графиков осуществляется в текстовом редакторе MS Word.

Помимо изучения приёмов построения графиков, данная работа даёт возможность наглядно сравнить, насколько полученные экспериментальные значения плотности соответствуют теоретическим, а также легко выявить допущенные грубые ошибки при измерениях или расчётах.

На основании полученных значений плотности, а также из анализа построенных графиков и визуальных характеристик образцов осуществляется идентификация материалов, из которых они изготовлены.

Работа № 5 «Изучение зависимости массы от объёма» основывается на результатах трёх работ: №№ 1, 2 и 4. В ней производится построение графиков зависимости массы М (полученной в работе № 1) от объёма V (рассчитанного в работе № 2) для стальных и резиновых образцов, идентифицированных в работе № 4. Для этого сначала на график наносятся нулевые точки (М = 0 г при V = 0 см³ для стали и для резины), а затем - экспериментальные точки.

При помощи стандартных средств текстового редактора MS Word через полученные экспериментальные точки проводятся линейные аппроксимирующие зависимости, определяются уравнения этих зависимостей и величина достоверности аппроксимации.

Помимо определения угловых коэффициентов аппроксимирующей зависимости, в данной работе производится оценка абсолютной и относительной погрешности измерения угловых коэффициентов аппроксимирующих зависимостей.

В работе № 6 «Экспериментальная проверка закона Архимеда» осуществляется гидростатическое взвешивание некоторых образцов из изучаемого набора цилиндрических тел. Необходимые для выполнения работы значения массы М (при взвешивании в воздухе) и объёма V берутся из работ № 1 и № 2. По полученным экспериментальным и расчётным данным производится построение графика зависимости силы Архимеда от объёма изучаемых образцов.

Так же, как и в работе № 5, при помощи стандартных средств текстового редактора MS Word через нулевую точку и полученные экспериментальные точки проводится линейная аппроксимирующая зависимость, определяются уравнение этой зависимости и величина достоверности аппроксимации. Затем производится оценка абсолютной и относительной погрешности измерения углового коэффициента аппроксимирующей зависимости аналогично выполненной в работе № 5.

По полученному значению углового коэффициента рассчитывается плотность жидкости, в которой производится гидростатическое взвешивание.

Тематика контрольных вопросов к лабораторным работам комплекса охватывает такие темы, как меры техники безопасности при выполнении каждой из работ; общее понятие об изучаемых физических величинах, их измерении и единицах измерения; характеристика физических явлений и методов исследования, лежащих в основе каждой из работ; определение, свойства, единицы измерения всех изучаемых в работе физических величин; краткая характеристика объектов исследования; сравнительные характеристики различных методов и различных приборов, применяемых для измерения изучаемых физических величин; устройство, принцип работы и правила проведения измерений для физических приборов и инструментов, применяемых в работе; анализ полученных экспериментальных зависимостей; анализ погрешностей измерений.

В результате проведения комплекса, состоящего из 6 лабораторных работ, выполненных при помощи простейших стандартных измерительных приборов и общедоступного лабораторного оборудования (включая объекты исследования), измерены и изучены 16 физических величин. Проведены прямые измерения 4-х физических величин, расчётным путём получены 5 геометрических и 5 механических характеристик образцов, в результате экспериментов по гидростатическому взвешиванию дополнительно рассчитаны 2 физические величины: сила Архимеда, действующая на каждый из образцов при гидростатическом взвешивании, и плотность жидкости, в которой производится гидростатическое взвешивание.

Для большинства из перечисленных физических величин рассчитана абсолютная и относительная погрешность измерений.

Проведено графическое сравнение экспериментальных и теоретических значений плотности образцов. На основании полученных значений плотности, а также из анализа построенных графиков и визуальных характеристик образцов осуществлена идентификация материалов, из которых они изготовлены.

Построены и проанализированы графики следующих зависимостей:

1) зависимость массы стальных и резиновых образцов от их объёма;

2) зависимость силы Архимеда от объёма образцов.

Анализ графиков включал в себя построение линейных аппроксимаций, определение значений угловых коэффициентов и величин достоверности аппроксимации при помощи стандартных средств текстового редактора MS Word, а также оценку погрешностей измерения угловых коэффициентов. При этом с достаточно высокой степенью достоверности подтверждён линейный характер изученных закономерностей.