Департамент образования г.Москвы Восточное окружное управление Государственное образовательное учреждение

Департамент образования г.Москвы
Восточное окружное управление
Государственное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа №351
Учебное пособие для учащихся 10-11 классов
естественно-математического направления
«Методы физико-технических исследований и
измерений»
Москва 2011 г.
1
Составитель: Кучербаева Ольга Геннадиевна - учитель ГУ Средняя
общеобразовательная школа №351
Квалификационная категория : 1
Педагогический стаж: 10 лет
Учебное пособие для учащихся 10-11 классов естественно-математического
направления «Методы физико-технических исследований и измерений» является
дополнением к учебно-методическому сборнику и содержит рекомендации по
проведению лабораторных работ и лабораторного практикума.
Фронтальные лабораторные работы не только углубляют теоретический
материал курса, но и обеспечивают формирование первоначальных умений,
подготовку учащихся к практикуму.
Практикум занимает центральное место курса, на него отводится 50% учебного
времени. При его проведении отрабатываются общие вопросы физического
экспериментального исследования.
В работах практикума следует использовать наряду со стандартным
оборудованием самодельные установки, а также комплекты компьютерных
измерительных приборов, комплекты приборов по электричеству и радиотехнике.
Обязательное использование таких установок – принципиально важная особенность
практикума. Это позволит не только достичь наглядности используемых физических
принципов, но и стимулировать интерес учащихся к техническому творчеству,
развивать практические умения и навыки, полученные на уроках физики, связать
прикладной курс с профессиональной подготовкой.
2
Содержание:
1. Пояснительная записка……………………………………………………………….4 стр
2. Методические рекомендации по проведению занятий……………………………5 стр
3. Лабораторные работы и лабораторный практикум для 10 класса:
 Лабораторная работа №1 «Практическое знакомство с действием различных
датчиков» …………………………………………………………………………..9 стр
 Лабораторная работа №2: «Обработка результатов измерений, получаемых с
помощью компьютерных датчиков»……………………………………………..18 стр
 Лабораторная работа №3: «Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)».22 стр
 Лабораторная работа №4: «Экспериментальное исследование звуковых колебаний
с помощью осциллографа»………………………………………………………..22 стр
 Лабораторный практикум №1: «Измерение механических величин и
температуры» …………..…………………………………………………………29 стр
1. Измерение ускорения свободного падения с помощью компьютерного датчика
(«фотоворота»)
2. Калибровка характеристик электрических импульсов с помощью электронного
осциллографа
3. Измерение скорости с помощью вращающихся дисков
4. Градуировка термопары и получение температурной карты пламени
5. Градуировка самодельного стробоскопа, изучение скорости с его помощью
6. Определение ускорения, скорости и мгновенной скорости с использованием
источника сжатого воздуха, а также фотоэлемента, входящего в комплект
компьютерных измерительных приборов по физике
 Лабораторный практикум №2 ………………………………………………….29 стр
1. Измерение температуры тел термометром сопротивления
2. Снятие температурной характеристики терморезистора
3. Измерение теплопроводности сравнительным методом
3. Лабораторные работы и лабораторный практикум для 11 класса:
 Лабораторная работа №6: «Сборка полупроводниковых усилителей»……….31 стр
 Лабораторная работа №7: «Сборка (из готовых блоков) усилителя с обратной
связью и его исследование» ……………………………………………………..32 стр
 Лабораторная работа №8: «Сборка (из готовых блоков) генератора и его
исследование»…………………………………………………………………….32 стр
 Лабораторный практикум №3: «Измерение электрических величин.
Исследование механических колебаний и волн» ……………………………37 стр
1. Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра
2. Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов (ваттметра,
подбора шунтов гальванометра, изготовление авометра)
3. Исследование зависимости силы фототока от поверхностной плотности потока
излучения
4. Определение длины звуковой волны (фигуры Лиссажу)
5. Изучение ультразвука
 Лабораторная работа №9: «Изучение устройства приборов различных систем»
………………………………………………………………………………………40 стр
 Лабораторный
практикум
№4:
«Исследование
электромагнитных
явлений»…………………………………………………………………………….
1. Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита
2. Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению переменному току
3. Изучение отражения, преломления и поглощения радиоволн различными телами
4. Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере звуковых волн)
3

Лабораторный практикум №5: «Оптические методы исследований»
………………………………………………………………………………….…40 стр
1. Измерение показателя преломления газа или жидкости интерференционным
методом
2. Измерение размеров тел малого диаметра оптическими методами
3. Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью фотоэлемента
4. Поляризационный метод изучения распределения механических напряжений в
деформируемом теле.
4.Литература для учащихся ……………………………………………………………...42 стр
4
1. Пояснительная записка:





Курс рассчитан на 34 часа в 10 классе и 34 часов в 11 классе.
Учащимся предлагается во время курса:
проводить физический эксперимент, измерять физические величины прямыми и
косвенными методами (особое внимание обращается на измерение неэлектрических
величин электрическими методами).
использовать методы моделирования физических явлений и процессов, выдвигать
обоснованные гипотезы.
пользоваться электроизмерительными и электронными приборами, источниками
питания, генераторами, усилителями, измерительными инструментами, комплектом
компьютерных измерительных блоков (датчиков) для кабинета физики, комплектами
по электричеству и радиотехнике, комплектом для изучения свойств полупроводников.
пользоваться технической документацией на приборы и оборудование.
Подбирать аппаратуру, конструировать, собирать и
налаживать установку,
обрабатывать и анализировать результаты измерений.
Курс условно можно разбить на теоретическую и практическую части.
В теоретической части даются необходимые знания о методах и принципах
экспериментальных физических исследований, а также сведения о физических принципах,
лежащих в основе устройства приборов и их использования в эксперименте.
Практическая часть включает в себя фронтальные лабораторные работы и работы
практикума. Фронтальные лабораторные работы не только углубляют теоретический
материал курса, но и обеспечивают формирование первоначальных умений, подготовку
учащихся к практикуму.
Практикум занимает центральное место курса, на него отводится 50% учебного
времени. При его проведении отрабатываются общие вопросы физического
экспериментального исследования.
В работах практикума следует использовать наряду со стандартным оборудованием
самодельные установки, а также комплекты компьютерных измерительных приборов,
комплекты приборов по электричеству и радиотехнике. Обязательное использование
таких установок – принципиально важная особенность практикума. Это позволит не
только достичь наглядности используемых физических принципов, но и стимулировать
интерес учащихся к техническому творчеству, развивать практические умения и навыки,
полученные на уроках физики, связать прикладной курс с профессиональной подготовкой.
При подготовке работ учащимся должна быть предоставлена максимальная
самостоятельность в выборе методики проведения работ, подборе оборудования,
составлении инструкций и т.д.
Из числа часов, отведённых на каждый практикум, 2 часа выделяется на
ознакомительную беседу учителя по предлагаемым работам, 2 часа – на обсуждение и
защиту предлагаемых учащимися методов и принципов выполнения выработанной ими
работы, подбор аппаратуры и т.д., 2 часа – на приём готовых работ и окончательную
наладку установки, доработку инструкций по их выполнению.
Занятия по ознакомлению с предлагаемыми работами и их обсуждению проводятся
уже при изучении теоретического материала. Занятия по приёмке работ, подготовленных
учащимися, проводятся в начале каждого практикума. Основное время отводится на
выполнение работ практикума.
5
2. Методические рекомендации по проведению занятий
Формируемая в настоящее время в школе система образования по физике охватывает
достаточно большой объём знаний. При этом возможности специализированных
кабинетов физики настолько широки, что возникает необходимость создания учебнометодического комплекса, который обеспечивал бы эффективную помощь при
профориентации учащихся, а именно:
 Дать представление о методах физического экспериментального исследования как
важнейшей части методологии физики и ряда других наук, развить интерес к
исследовательской деятельности.
 Углубить знания основного курса физики, повысить интерес к его изучению.
 Сформировать целый ряд измерительных умений, необходимых при освоении в
дальнейшем технической профессией.
Объём данного курса рассчитан на часовую нагрузку в течение 10-11 классов, однако
учебный материал, помещённый в нём, может обеспечить и большую нагрузку в неделю.
10 класс (34 часа)
В начале рекомендуется познакомить учащихся с целями и задачами курса.
Провести беседу о роли экспериментальных исследований в науке и технике, а
также о измерении как основе эксперимента. Провести необходимый инструктаж
об организация рабочего места, технике безопасности при проведении
электротехнических и радиотехнических работ. Особое внимание обратить на
причины электротравматизма. Ток силой 0,1 а, проходящий через организм
человека, опасен для жизни. Электрическое сопротивление человеческого
организма, находящегося в нормальном состоянии, равно нескольким десяткам
тысяч ом. Оно зависит от физического состояния человека. В особо
неблагоприятных случаях (болезненное состояние, .сильное потение и т. п.)
электрическое сопротивление человека равно лишь 400 — 1000 ом. Пользуясь
формулой закона Ома для участка цепи, нетрудно подсчитать, что напряжение
40 в уже опасно.
Поражение людей током случается чаще всего вследствие: .
а) прикосновения к неизолированным токоведу-щим частям — оголенным проводам,
контактам электрических машин, рубильников, ламповых патронов, предохранителей и
других аппаратов и приборов, находящихся под напряжением;
б) прикосновения к частям электроустановки, обычно не находящимся под
напряжением, но в результате повреждения изоляции оказывающимся под напряжением, например, к корпусуэлектродвигателя;
в) прикосновения к токопроводящим частям, не являющимся частями
электроустановки, но случайно оказавшимся под напряжением, например, к сырым
стенам, металлическим конструкциям здания;
г) нахождения вблизи места соединения с землей оборванного провода
электросети.
Монтаж и ремонт электроустановок производят в соответствии с, рядом
требований:
а) все электроустановки должны быть смонтированы так, чтобы их токоведущие части
были недоступны для случайного прикосновения: провода и кабели тщательно изолированы, другие токоведущие
части закрыты защитными ограждениями в виде кожухов, ящиков, шкафов;
б) металлические части электрооборудования, непредназначенные для
прохождения по ним тока, должны быть заземлены, т. е. соединены с землей с
помощью медных проводов. Заземление уменьшает опасность поражения током людей,
прикоснувшихся к нетоковедущим
частям, которые оказались под напряжением; сопротивление заземляющих проводов
должно быть не более 4 ом;
в) во избежание опасности поражения электрическимтоком ученикам и малоопытным
рабочим не разрешается производить монтаж или ремонт электроустановок, если они
находятся под напряжением. Нужно перед началом работы с помощью контрольной
лампы или
указателя напряжении убедиться, что напряжение отсутствует.
Тема «Методика физических экспериментальных исследований» состоит из двух
разделов:
6
1) «Структура физического эксперимента» знакомит в течение 5 часов с этапами
проведения физических исследований, ролью гипотез и физических моделей (на
конкретных примерах), требованиями к проведению эксперимента. Следует повторить с
учащимися понятие прямого и косвенного измерения, рассмотреть методы
непосредственной оценки, сравнения и т.д. (на конкретных примерах), а также оптические
и электрические измерения неэлектрических величин. Рассказать подробно о термопаре,
термометре сопротивления, компьютерном датчике измерения температуры и другие
средства измерения температуры. Необходимо занятия сопровождать демонстрациями:
 Измерение малых перемещений с помощью оптического рычага
 Датчики: поплавковый, мембранный, центробежный, реостатный, терморезистор,
фотоэлемент, пьезоэлемент, тензодатчик
 Измерение температуры пламени при помощи термопары и термометра
сопротивления
Закрепить полученные знания рекомендуется с помощью лабораторной работы №1
«Практическое знакомство с действием различных датчиков».
2) «Обработка результатов измерения» - проводится в течение 8 часов.
Рассматривается теоретический материал о случайных и систематических
погрешностях, необходимости обработки результатов измерений, приборных
погрешностях. А также пути устранения систематических погрешностей.
Необходимо обратить внимание учащихся на методы проверки приборов, определение
доверительного интервала значений измеряемой величины, представление результатов
измерений в виде таблиц, графиков. Завершить тему рекомендуется рассмотрением
компьютерной обработки результатов измерений. Тема сопровождается демонстрациями:
 Обработка результатов измерений и вычислений с помощью компьютера
В завершении выполняется лабораторная работа №2: «Обработка результатов
измерений, получаемых с помощью компьютерных датчиков» (датчик измерения
давления, температуры, фотодиодный датчик, датчик измерения малых перемещений,
датчик магнитного поля, фотоэлемент, датчик силы тока, напряжения и т.д.)
7
Тема «Техника физических экспериментальных исследований» рассчитана на 11 часов
и состоит из трёх разделов, каждый из которых завершается лабораторной работой:
1) Правила пользования экспериментальными приборами (2 часа)
Предлагается рассмотреть: назначение экспериментальной аппаратуры, класс точности
и приборные погрешности, пределы измерений, чувствительность, правила пользования
приборами, чтение шкал приборов, подбор приборов для конкретных измерений,
включение приборов в цепь, снятие показаний приборов. Объяснение сопровождается
демонстрациями:
 Ознакомление с приборами различных типов и назначений
 Правила включения приборов в электрическую цепь и снятие показаний
Лабораторная работа №3: «Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)» (1 час)
2) Электронные приборы (6 часов)
Происходит знакомство с источниками питания, усилителями. электронным
осциллографом. Подробно рекомендуется ознакомить учащихся с устройством
осциллографа, назначением органов управления, правилами пользования, получением
осциллограмм. Используются демонстрации:
 Источники питания
 Модели механических усилителей
 Действие электронного усилителя
 Устройство и принцип действия электронного осциллографа
Лабораторная работа №4: «Экспериментальное исследование звуковых колебаний с
помощью осциллографа» (2 часа)
3) Составление и чтение простейших радиосхем (3 часа)
Обозначение элементов радиосхем: резисторов, конденсаторов, катушек
индуктивности, радиоламп, полупроводниковых приборов и транзисторов.
Лабораторная работа №5: «Нахождение блоков питания и усилительных блоков на схемах
и приборах. Замена блоков под руководством учителя» (2 часа)
Для закрепления полученных знаний на практике рекомендуется проведение
лабораторного практикума в течение 7 часов, состав работ которого может варьироваться
в зависимости от решения преподавателя
1) Измерение ускорения свободного падения с помощью компьютерного датчика
(«фотоворота»)
2) Калибровка характеристик электрических импульсов с помощью электронного
осциллографа
3) Измерение скорости с помощью вращающихся дисков
4) Градуировка термопары и получение температурной карты пламени
5) Градуировка самодельного стробоскопа, изучение скорости с его помощью
6) Определение ускорения, скорости и мгновенной скорости с использованием
источника сжатого воздуха, а также фотоэлемента, входящего в комплект
компьютерных измерительных приборов по физике
Тема «Получение вакуума, криогенная техника» рассматривается в течение 3 часов.
Учащимся предлагаются к рассмотрению:
понятие о низком, высоком и сверхвысоком
вакууме, вакуумные и форвакуумные насосы, правила их эксплуатации, методы
измерение низкого давления. После расширяются познания в области методов получения
низких и сверхнизких температур: адиабатного расширение, дросселирования, кипения
при низком давлении и другое. Обсуждаются свойства жидкого азота, кислорода, гелия.
В завершение теоретической части полезно рассмотреть вопросы о
хранении
сжиженных газов, их транспортировке, методах охлаждения образцов, а также технике
безопасности при работе со сжиженными газами. При обсуждении теоретической части
используются демонстрации:
 Схемы насосов, барометров ионных и магнитных
8
 Работа металлического барометра
 Получение низких температур при испарении
 Опыты с жидким воздухом
 Сосуд Дьюара
 Схема гелиевых установок
Лабораторный практикум №2 (3 часов) завершает изучение курса в 10-м классе.
Предлагаемые работы:
1) Измерение температуры тел термометром сопротивления
2) Снятие температурной характеристики терморезистора
3) Измерение теплопроводности сравнительным методом
11 класс (34 часа)
Курс продолжается с 12-часовой темы «Применение электронных и ионных приборов
в физических экспериментальных исследованиях». Она состоит из трёх разделов и
завершается лабораторным практикумом.
1) Полупроводниковые приборы и их использование в физических экспериментальных
исследованиях (6 часов).
Происходит ознакомление учащихся с терморезисторами и фоторезисторами
различных типов, полупроводниковыми диодами, транзисторами. Рассматриваются
некоторые характеристики транзисторов, применение транзисторов, а также логические
элементы и их применение.
Обращается внимание на особенности физического эксперимента при использовании
полупроводников и микромодульной техники. Рассматривается возможность применения
компьютера в физико-технических экспериментальных исследованиях. Возможно
использование виртуальных лабораторных работ (по желанию).
Демонстрации:
 Снятие характеристики стабилитрона
 Действие логических элементов и их комбинаций
Для закрепления навыков предлагается лабораторная работа №6: «Сборка
полупроводниковых усилителей (1 часа)
2) Генераторы и усилители с обратной связью (5 часов)
Рассматривается роль обратной связи, коэффициент обратной связи, отрицательная
обратная связь, самовозбуждение, генераторы. Закрепляется материал в виде
лабораторных работ:
Лабораторная работа №7: «Сборка (из готовых блоков) усилителя с обратной связью и его
исследование» (1 час)
Лабораторная работа №8: «Сборка (из готовых блоков) генератора и его исследование» (1
час)
3) Ионные приборы и их применение в физических экспериментальных исследованиях (1
час)
Рассматривается устройство тиратронов, неоновых ламп, газоразрядных счётчиков.
Демонстрации:
 Действие тиратронов
 Газоразрядный счётчик
Завершается тема
выполнением лабораторного практикума №3: «Измерение
электрических величин. Исследование механических колебаний и волн» (10 часов):
1) Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра
2) Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов (ваттметра,
подбора шунтов гальванометра, изготовление авометра)
3) Исследование зависимости силы фототока от поверхностной плотности потока
излучения
4) Определение длины звуковой волны (фигуры Лиссажу)
9
5) Изучение ультразвука
Тема «Электроизмерительные приборы» изучается 2 часа. Теоретический материал
включает
в
себя
рассмотрениеустройства
электроизмерительных
приборов
магнитоэлектрической, электромагнитной, тепловой, термодинамической, индукционной,
электростатической систем и их применение. Далее предлагается лабораторная работа
№9: «Изучение устройства приборов различных систем» (1 час).
Закрепление темы происходит в виде лабораторного практикума №4: «Исследование
электромагнитных явлений» (4 часа)
1) Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита
2) Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению переменному току
3) Изучение отражения, преломления и поглощения радиоволн различными телами
4) Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере звуковых волн)
Тема «Оптические методы исследования» рассматривается 4 часа и включает в себя
следующий материал:
Рефрактометры. Устройство рефрактометра, основанного на явлении полного
внутреннего отражения. Другие виды рефрактометров.
Пирометры, их устройство и принцип работы.
Болометры. Фотодатчики: фотоумножители, фотодиоды, светодиды.
Поляриметры, их устройство и назначение.
Интерференционные приборы. Различные виды дифракционных решёток. Оптические
схемы спектрографа и спектроскопа. Трёхтрубный спектроскоп. Разрешающая
способность спектральных приборов.
Демонстрации:
 Трёхтрубный спектроскоп
 Зависимость дисперсии дифракционной решётки от числа штрихов на единицу
длины
Далее - лабораторный практикум №5: «Оптические методы исследований» (6 часов)
1) Измерение показателя преломления газа или жидкости интерференционным
методом
2) Измерение размеров тел малого диаметра оптическими методами
3) Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью фотоэлемента
4) Поляризационный метод изучения распределения механических напряжений в
деформируемом теле.
10
Лабораторная работа №1
«Практическое знакомство с действием различных датчиков»
1)Требование к компьютеру: процессор PentiumIII с тактовой частотой 800MГц или
выше, ОЗУ – 128Мб или выше, Жёсткий диск – требуется не менее 100Мб свободного
места, монитор – 15 дюймов по диагонали или больше с разрешением 1024Х768
2) Минимальные требования к операционной системе:
Windows2000/XP/2003
Office 200/XP/2003
Microsoft Internet Explorer 5.0 или выше
Установка программного обеспечения DISLab Software
Вставьте CD-диск в привод CD-дисков, сделайте указателем мышки двойной щелчок
на иконке “setup/exe”, появляется окно мастера установки:
Кликните мышкой на кнопке “Next” (Далее) для выбора места на жёстком диске, куда
будет производится установка:
Кликните мышкой на кнопке “Next” (Далее) для подтверждения выбранного в
предыдущем пункте пути установки программы:
Кликните мышкой на кнопке “Next” (Далее) для установки программы:
Кликните мышкой на кнопке “Exit” (Выход) для выхода из мастера установки.
Деинсталляция (удаление программного обеспечения с компьютера):
Кликните мышкой на кнопке “Start” (Начало), затем “Program” (Программа), затем
“Digital Information System”, и затем “Uninstall Digital Information System ”
Кликните мышкой на кнопке “Next” (Далее) для eудаления выбранного в предыдущем
пункте программного обеспечения:
Удаление завершено:
Кликните мышкой на кнопке “Exit” (Выход) – удаление завершено.
Рабочая установка
Краткое введение
Рабочая установка представляет из себя набор индивидуальных установок для
проведения опытов (экспериментов), которые являются типичными для программы
физики средней школы. Посредством нажатия одной кнопкой запускается программа с
индивидуальными предустановками. Когда требуемые для проведения опыта датчики
подключены к разъёмам, данные от них начинают поступать в компьютер и тут же
отображаться на дисплее по одному только нажатию мышкой на кнопку “Start”
(некоторые из опытов требуют специальных установок для дисплея). Затем можно
проводить анализ поступивших от датчиков данных и производить с ними
определенные действия при помощи мощного инструментария, входящего в состав
программного обеспечения.
Вход в систему
11
Кликните мышкой на рабочем столе компьютера на пиктограмму или нажмите
Старт – Программы - Digital Information System и появляется окно входа в систему:
Кликните “Worksheet setup” (Рабочая установка) или для выхода
Выбор опыта (эксперимента)
Опыты сгруппированы в три подраздела – физика, биология и химия, перечисленные в
левой колонке (в поставляемом программном обеспечении представлен ТОЛЬКО
раздел Физика).Выберете опыт из текущего раздела и нажмите кнопку “Enter” для
открытия окна с предустановками (или сделайте двойной щелчок мышкой на названии
требуемого опыта).
Выберите “Connection” (Соединение), затем подсоединится автоматический
регистратор после открытия окна Рабочей установки и после этого система готова к
работе в режиме реального времени; если “Connection” НЕ ВЫБРАНО, то только
сохранённые ранее документы (файлы) могут быть доступны для работы, наблюдения
и анализа.
Кнопка “Calibration” (Калибровка) предназначена для компенсации каких-либо
плавающих ошибок для некоторых датчиков или для калибровки и компенсации
считываемых данных химических датчиков перед измерением.
Основной интерфейс программного обеспечения
Окно интерфейса разделено на несколько блоков с различными функциями, как
показано ниже, после начала проведения опыта
1) Таблица данных
Таблица данных предназначена для отображения и сохранения данных, поступающих
от автоматического регистратора в режиме реального времени
Иконка Save (Сохранить): для сохранения результатов в таблице данных в Exel-овском
формате
Иконка Flash (Выделить): создать (построить) часть графика, соответствующего
данным, выделенным в таблице данных
Иконка Delete (Удалить) : удалить данные из таблицы данных
Примечание: Выделить или Удалить множество данных можно нажимая и удерживая
клавиши Ctrl или Shift
2) Окно анализа графика
Пожалуйста, обратитесь к п. 2.4 для дальнейшей информации
3) Установки эксперимента (опыта)
(1) Установка режима автоматического регистрирования
Interval (Интервал): выбор интервала между считываемыми данными с минимумом в
5мс. Это определяет также интервал между считанными данными, взятыми из
сохранённого файла.
Pause (Пауза): для того чтобы остановить всякий раз на какое-то время считывание
(выборку) данных и продолжить их по нажатию кнопки “Start”.
Total Sampling (Всего выборок): общее число считываемых данных.
(2) Channel Information (Поканальная Информация)
Четыре светодиода и левой части показывают наличие подключённых к каналам
датчиков. Тип датчиков отображается в первых квадратных скобках, во вторых –
перечисляются названия датчиков необходимых для проведения опыта и как только
именно они будут подключены - появится возможность выборки данных от них. Эта
возможность выразится в готовности кнопки “Start” и других (станут активными, не
«серого цвета»).
12
“Start” : для того чтобы начать выборку (считывание), когда требуемые условия
выполнены или «проигрывается» эксперимент, выполненный до этого
“Pause”: для приостановки выборки или при проигрывании сохранённого опыта. По
нажатию “Start” процесс продолжается.
“Finish”/”Over”: остановить процесс считывания и закончить сам эксперимент. По
нажатию кнопки “Start” начинается новый эксперимент.
“Parameter”: для того чтобы установить или изменить параметры, которые могут быть
использованы при проведении опыта.
“Open”: для того чтобы открывать файлы, сохраненные до этого.
“Save”: чтобы сохранять считанные и зарегистрированные данные и можно было бы их
рассмотреть позже.
(4) Название опыта (эксперимента) и выход
Название опыта отображается в квадратных скобках. Кликните на
эксперимента.
для выхода из
Калибровка
Калибровка предназначена для компенсации каких-либо плавающих ошибок, выявленных
в некоторых датчиках или для калибровки и компенсации считываемых данных
химических датчиков перед началом установок для проведения опыта. Кликните на
кнопке “Calibration” (Калибровка) под названием опыта, тогда появится окно для
проведения калибровок:
Текущие выборки, снимаемые с четырёх каналов, отображаются в вертикальном столбце
и поступившие данные с каждого канала могут быть откалиброваны. Ниже представлено в
качестве примера, как откалибровать динамометр, подключённого к одному из 4-х
каналов:
1) Номер канала
2) Текущие данные, поступающие от датчика
3) Кнопка калибровки или компенсации
А. Если к каналу не подключён датчик то описываемая кнопка будет отображаться в
сером цвете и на неё невозможно будет кликнуть мышкой
В. Если датчик подключён к каналу, а кнопка калибровки всё ещё продолжает
оставаться «серой» - это означает что датчик не нуждается в калибровке, в противном
случае на кнопку можно кликнуть мышкой и подтвердить калибровку.
С. Если считываемые данные должны были бы быть равными нулю, то следует нажать
кнопку “Zero set” (Установка нуля). Нажатием на кнопку “Clear” (Стереть) –
стираются все результаты калибровки только что сделанные.
D. Если иконка была нажата и название окна отобразилось как “Compensation”
(Компенсация) – это означает что считываемые с датчика данные, использующиеся в
этом опыте,нужно компенсировать перед началом проведения эксперимента.
Компенсация текущих считываемых данных предназначается для четырёх датчиков,
таких как Влажность, pH, Растворённый кислород О2, Проводимость, Воздушный
датчик О2 и СО2. Пожалуйста, обратитесь к Руководству по этим датчикам по
подробному описанию компенсации для них (в поставляемом наборе описываемые
датчики отсутствуют).
Основная установка
Вход в систему
13
Кликнете на
кнопку для входа
Убедитесь, что автоматический регистратор включен. Кликнете на кнопке
“Connection” (Подключение), текущая выборка данных от датчиков, подсоединенных к
регистратору, появится в соответствии со своим местом включения, как показано
ниже:
Пожалуйста, обратитесь к п. Калибровка для более детального изучения как
калибровать датчики
14
Лабораторная работа №2: «Обработка результатов измерений, получаемых с
помощью компьютерных датчиков»
Колонка времени: время считывания показаний от начала момента записи. Первые данные
для времени установлены в 0мс
Колонка считывания данных от датчика: наименование датчика отображается в названии
самой колонки, например “Force[N1]” ,где [N1] является переменной величиной, которая
используется в формуле при анализе данных.
Колонка результатов: отображает результаты вычислений при применении формулы
1) Предназначения кнопок управления:
А : начать выборку данных от подключенных датчиков. При этом собираемые данные
будут отображаться в соответствующих колонках таблицы
В : для того чтобы сделать паузу перед тем, как выборка заполнится. Сбор данных
возобновится по нажатию на кнопку .
С : для остановки приёма считываемых данных.
D : для сохранения полученной таблицы данных в xls-формате. Примечание: таблица
данных может быть сохранена только после того как приём считываемых данных
закончен.
Е : для того чтобы отобразить считанные с датчика данные как новый график или как
новая кривая в уже существующем графике.
Первое, введите название для нового графика из выпадающего меню которое уже
существует (или добавьте новый). Затем введите название новой кривой а так же
данные для оси X и оси Y соответственно.
Нажмите кнопку «ОК» и тогда новый график/кривая появятся в виде как, например,
ниже:
Обратитесь к Окно Анализа Графиков для деталей по функциональному
предназначению кнопок.
F : для того чтобы удалить график. Убедитесь что график, который следует удалить,
отображается , например
: одно нажатие на иконке “Delete” (Удалить).
G : для удаления всех данных в таблице данных
H : Для установки режима считывания:
“Interval” (Интервал): для выбора периода осуществления выборки, то есть, отрезок
времени между последующим временем считывания
Пауза после "x" взятых образцов считанных данных:, чтобы останавливаться всякий раз,
когда x новых образцов принято. Установите "x" в нуль когда пауза при считывании не
потребовуется.
15
Общее число дискретизации "y":, чтобы прекращать процесс выборки автоматически,
когда y образцы принято.
Ш Ж для ввода считываемых данных вручную.
2) Редактор формул:
А
: одиарный щелчок на кнопке «+» добавляет новую формулу. Если сделать его,
то появится пустой бланк.
Поставьте галочку в окне выбора и тогда появится начальное окно редактора формулы,
как ниже:
Введите формулу внутри этого окна Ниже мы проиллюстрируем как создавать новую
формулу внутри редактора подетально. Заголовок новой формулы появится в списке
формул как только мы произведём корректный вход, как показано ниже:
Часть А : если выбрано, название формулы будет использоваться при расчётах
Часть В : предварительный просмотр формулы
В
: одиночное нажатие на кнопке «-» удалит выбранную формулу
С. Если формула нуждается в изменении/корректировке, то щёлкнув на названии
формулы мы вызовем окно редактора формул.
D
: нажмите на кнопку “Save”(Сохранить) для сохраненияформулы или нажав на
кнопку “Import” (Импорт) можно добавлять формулу из списка формул сохранённых до
ранее.
Е Иллюстрирование редактора формул:
Название формулы:
Имя переменной: имя функции определяемое формулой Это имя появится вверху новой
колонки обведённой в круг в кнопке
Переменная: символ, представляющий колонку данных обведённых в круг в кнопке
.Автоматически сгенерированное число будет добавлено к букве соответствующей
переменной так чтобы различные переменные под тем же самым именем переменной
могли различаться.
Формула: окно ввода формулы. Использованные переменные, которые появились
на вершине каждой колонки данных, определяют новую функцию . Например, “N1”,
представляют для данных под названием “Force[N1]
Одинарное нажатие на кнопке «ОК» завершит процесс ввода, в то же время
нажатием на кнопке «Х» в левом нижнем углу запретит этот ввод.
Окно Анализа Графика
Линейка иконок управления
Функции каждой кнопки описаны ниже:
------ для изменения функций указателя мыши или для установки маркера на
рассматриваемой кривой
------- для изменения масштаба в горизонтальном или вертикальном направлении
-------увеличить
-------уменьшить
------вернуться к исходному размеру
16
------переместить график внутри окна
-----для перемещения графика по горизонтали
------для перемещения графика по вертикали
вертикальный маркер
горизонтальный маркер
маркер по обоим осям графика
убрать маркеры
маркировка (выделение) части графика
удалить выбранную часть графика
переключится в полноэкранный или нормальный режим
сохранить график
для вызова диалогового окна настроек
Мастер кривых распределения результатов выборок
Как только кривая в графике выбрана, то существует множество способов по выбору
анализа поступивших данных чтобы с достаточно хорошим качеством удовлетворить
под выбранную кривую распределения почти мгновенно. Функции кнопок
описываются ниже:
Распределение по Гауссу
Гиперболическое распределение Прямолинейное
распределение
Логарифмическое распределение
Параболическое распределение Обратное
распределение
Полиномное распределение Стереть линию распределения Интеграция(компоновка)
Касательная линия
Смена типа линий
Область отображения графика
Панель контроля кривой
1) название кривой
2) Показать/Скрыть – кнопка переключения
3) Точки/линия – кнопка переключения
4) Для выбора цвета кривой
5) Для удаления кривой
Порядок полинома следует задать из выпадающего меню в диалоговом окне для
полиномного распределения. Третий порядок полиномного распределения показан
выше
Parameter (Параметр): для отображения параметров кривой распределения
Operation (Действие): для установки режима отображения кривой распределения
6) Friction : Маркер переключения панели управления кривой
Конкретные датчики в работе:
17
Magnetic Field Sensor (SWDIS116) – датчик измерения магнитного поля
Диапазон: ± 150G
Разрешение: 0.10G
Точность: ± 0.1G
Диапазон рабочих температур: +5 ~ +35°C
Относительная влажность: ≤85% RH
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab.
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
1) подсоедините датчик к системе и расположите зонд горизонтально в состоянии
покоя. Запустив на компьютере программное обеспечение DISLab выберете
Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую установку). Затем
кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно Мастера Калибровки:
Разместите плоский конец зонда параллельно линиям магнитной индукции магнитного
поля Земли, т.е. линия, соединяющая северный и южный полюса магнитного поля Земли.
Кликнете на кнопку “Zero Set” (Установка нуля) для установки данных, поступающего с
данного датчика в ноль. Предыдущая калибровка может быть удалена нажатием кнопки
“Clear” (Стереть).
Примечание: датчик измерения магнитного поля пригоден для преподавания в школе и
для измерения нормальной магнитной среды
Current Sensor (SWDIS113) – датчик измерения тока
Диапазон: ± 1A
Разрешение: 0.01A
Точность: ± 0.01A
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
2) подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное
обеспечение DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General
Setup (Общую установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка),
появится окно Мастера Калибровки:
3) Кликнете на кнопку “Zero Set” (Установка нуля) под названием датчика (Current Sensor)
для установки данных, поступающего с данного датчика в ноль. Предыдущая калибровка
может быть удалена нажатием кнопки “Clear” (Стереть).
Примечание: датчик измерения тока пригоден для преподавания в школе и для измерения
в низковольтных электрических цепях.
Подсоедините Current Sensor в сочетании с электрическими компонентами, которые
должны быть измерены.
18
Voltage Sensor (SWDIS112) – датчик измерения напряжения
Диапазон: ± 15V
Разрешение: 0.01V
Точность: ± 0.01V
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
3) подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное
обеспечение DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General
Setup (Общую установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка),
появится окно Мастера Калибровки:
3) Кликнете на кнопку “Zero Set” (Установка нуля) под названием датчика (Voltage
Sensor) для установки данных, поступающего с данного датчика в ноль. Предыдущая
калибровка может быть удалена нажатием кнопки “Clear” (Стереть).
Примечание: датчик измерения напряжения пригоден для преподавания в школе и для
измерения в низковольтных электрических цепях.
Photo Gate Sensor (SWDIS119) – оптический датчик измерения времени
прерывания («фотоворота»)
Разрешение: 1ms
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное обеспечение
DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую
установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно
Мастера Калибровки:
3) Если вы используете оптический датчик измерения времени в первый раз, убедитесь в
котором из двух промежутков времени, записанных последовательным прерыванием
сенсорного луча и сравнивая записанные величины с экспериментальными
Примечание: оптический датчик измерения времени пригоден для преподавания в школе
Его следует подключить к 1-му или 2-му каналам автоматического регистратора данных.
Light Level Sensor (SWDIS103) – датчик измерения освещённости
Диапазон: 0 ~ 600Lux
Разрешение: 0.2Lux
Точность: 1Lux
Диапазон рабочих температур: +5 ~ +35°C
19
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное обеспечение
DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую
установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно
Мастера Калибровки:
3) Поместите датчик измерения освещённости в затемнённую область и затем кликнете
на кнопку “Zero Set” (Установка нуля) под названием датчика (Light Level Sensor) для
установки данных, поступающего с данного датчика в ноль. Предыдущая калибровка
может быть удалена нажатием кнопки “Clear” (Стереть).
Примечание: датчик измерения напряжения пригоден для преподавания в школе и для
измерения освещённости в нормальных условиях.
Force Sensor (SWDIS115) – динамометр
Диапазон: ± 20N
Разрешение: 0.01N
Точность: ± 0.01N
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное обеспечение
DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую
установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно
Мастера Калибровки:
3) Повесьте динамометр вертикально когда вы калибруете датчик в первый раз.
Кликнете на кнопку “Zero Set” (Установка нуля) под названием датчика (Force Sensor)
для установки данных, поступающего с данного датчика в ноль. Предыдущая калибровка
может быть удалена нажатием кнопки “Clear” (Стереть).
Примечание: датчик измерения напряжения пригоден для преподавания в школе и для
измерений в пределах указанного диапазона.
Micro Current (SWDIS114) – датчик измерения микротоков (гальванометр)
Диапазон: ± 10µA
Разрешение: 0.05µA
Точность: ± 0.1µA
Диапазон рабочих температур: +5 ~ +35°C
Относительная влажность: ≤85% RH
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
20
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное обеспечение
DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую
установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно
Мастера Калибровки:
3) Кликнете на кнопку “Zero Set” (Установка нуля) под названием датчика (Micro
Current Sensor) для установки данных, поступающего с данного датчика в ноль.
Предыдущая калибровка может быть удалена нажатием кнопки “Clear” (Стереть).
Примечание: датчик измерения напряжения пригоден для преподавания в школе и для
измерений в низковольтных цепях.
Motion Sensor (SWDIS118) – датчик движения (измерение расстояния)
Диапазон: 17 ~ 200cm
Разрешение: 1cm
Точность: ± 2%
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное обеспечение
DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую
установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно
Мастера Калибровки:
3) Используйте рефлектор (отражатель) медленно передвигая его постепенно
достигая «мёртвой зоны» датчика, затем кликнете на кнопку “Zero Set” (Установка нуля)
под названием датчика (Motion Sensor) для установки данных, поступающего с данного
датчика в ноль. Предыдущая калибровка может быть удалена нажатием кнопки “Clear”
(Стереть).
Примечание: датчик измерения напряжения пригоден для преподавания в школе и для
измерений расстояний. Его следует подключить к 1-му или 2-му каналам автоматического
регистратора данных.
Temperature Sensor (SWDIS101) – датчик измерения температуры
Диапазон: -25°C ~ 125°C
Разрешение: 0.1°C
Точность: ± 0.5°C
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное обеспечение
DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую
21
установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно
Мастера Калибровки:
3) Разместите конец зонда температурного датчика в смеси воды со льдом и
подождите пока поступающие от датчика данные не стабилизируются. Кликнете на
кнопку “Zero Set” (Установка нуля) под названием датчика (Micro Current Sensor) для
установки данных, поступающего с данного датчика в ноль. Предыдущая калибровка
может быть удалена нажатием кнопки “Clear” (Стереть).
Примечание: датчик измерения температуры пригоден для преподавания в школе и не
подходит для исследования окружающей среды. Жидкие образцы, температура которых
должна быть измерены, должны быть разбавлены водными или слабокислотными
растворами. Не допускайте контакта держателя зонда с огнём или жидкостью. Не
подносите датчик к огню и не допускайте соприкосновения зонда с любым очень горячим
объектом.
Gas Pressure Sensor (SWDIS102) – датчик измерения давления газа (барометр)
Диапазон: 0 ~ 700kPa
Разрешение: 0.5kPa
Точность: ± 0.05kPa
Диапазон рабочих температур: +5 ~ +35°C
Относительная влажность: ≤85% RH
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
1394 Interface Data Line, USB Data Line – порт1394 компьютера и USB-шнур
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
Калибровка:
Пожалуйста, откалибруйте датчик магнитного поля перед использованием:
подсоедините датчик к системе. Запустив на компьютере программное обеспечение,
DISLab выберете Worksheet Setup (Рабочую установку) или General Setup (Общую
установку). Затем кликнете на кнопке Callibration (Калибровка), появится окно
Мастера Калибровки:
Подсоедините гибкую трубку датчика измерения давления в вакуум-генератор, затем,
когда поступающие от датчика данные будут показывать данные близкие к нулю
(0kPa), как показано ниже:
Кликнете на кнопку “Zero Set” (Установка нуля) для установки считываемых данных
в ноль. Предыдущая калибровка может быть удалена нажатием кнопки “Clear”
(Стереть).
Примечание: датчик измерения температуры пригоден для преподавания в школе и
измерения давления газа в нормальных условиях.
Sound Sensor (SWDIS117) – звуковой датчик (микрофон)
Диапазон: 20Hz ~ 20kHz
Необходимое оборудование и аксессуары:
SWDIS100-III Data Logger – регистратор данных
DISLab Software – программное обеспечение DISLab
22
Программное обеспечение звуковой платы компьютера
Звуковая компьютерная плата
Как пользоваться
1) Включите компьютер, на котором уже установлено программное обеспечение
DISLab. Подключите звуковой датчик к звуковой карте компьютера. Выберете
Старт – Программы - DISLab – Sound Wave для входа в эксперимент.
2) Нажмите на кнопку “Start” для начала съёма информации от датчика и затем
нажмите “Stop”
3) Нажмите на кнопку “Analyse” (Анализ) для показа формы поступившего сигнала.
Вы можете анализировать поступившие данные эксперимента в такой форме
4) Нажмите на кнопку “Save” (Сохранить) для сохранения результатов эксперимента. Вы
можете анализировать затем данные, которые вы сохранили до этого.
23
Лабораторная работа №3:
«Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)»
Теоретическая часть
Физика, как точная экспериментальная наука, основывается на количественных
данных наблюдений. Свойства физических объектов и явлений характеризуются
физическими величинами. Числовое значение физической величины может быть
найдено посредством измерений. Измерение — определение значения физической
величины опытным путем с помощью средств измерений (технических средств или
измерительных приборов). К техническим средствам относятся: линейка, измерительная
лента, транспортир, мензурка, разновесы и др. Измерительные приборы:
штангенциркуль, микрометр, весы, секундомер, динамометр, термометр, барометр и др.
Анализ экспериментальных данных, характеризующих значение физических
величин, приводит к установлению или проверке физических законов и соотношений.
Цель выполняемых лабораторных работ — изучение физических явлений и законов,
ознакомление с методами измерения физических величин.
Различают прямые и косвенные измерения.
Прямое измерение — нахождение числового значения искомой физической
величины непосредственно средствами измерения. Например, линейные размеры
предмета измеряют линейкой или штангенциркулем, атмосферное давление —
барометром, силу тока — амперметром.
Косвенное измерение — нахождение числового значения искомой физической
величины по формуле, связывающей ее с другими физическими величинами,
определяемыми в результате прямых измерений.
Абсолютная и относительная погрешности
Результат измерения физической величины всегда отличается от ее истинного
значения,
наиболее
точно
отражающего
соответствующую
физическую
характеристику.
Действительное значение (результат измерения) — значение физической
величины, найденное экспериментально.
При прямых измерениях отклонение действительного значения величины от ее истинного
значения вызывают следующие факторы:
1) ограниченная точность измерительного прибора, связанная с несовершенством его
конструкции и определяемая ценой деления шкалы прибора;
2) непостоянство внешних условий опыта (например, колебания температуры и давления
воздуха);
3) несовершенные действия экспериментатора (например, запаздывание включения
секундомера, ошибочный отсчет длины из-за несовпадения положения уровня глаз
наблюдателя и делений на шкале прибора).
При косвенных измерениях отклонение действительного значения величины от ее
истинного значения является следствием таких факторов, как:
1) неточность метода измерений, т. е. идеализация условий протекания эксперимента
(например, при изучении движения тела не учитывается сопротивление воздуха);
2) неполное соответствие исследуемого объекта используемой упрощенной физической
модели (например, измеряемый брусок может не быть идеальным параллелепипедом из-за
наличия закруглений на ребрах и вершинах).
Точность измерения определяется близостью действительного значения физической
величины к истинному. Отклонение результата измерения от истинного значения
измеряемой величины называется погрешностью измерении. Качество измерений
физической величины характеризуют абсолютной и относительной погрешностью.
24
Абсолютная погрешность при однократном прямом измерении равна приборной
погрешности (Да = Дапр). Приборная (экспериментальная) погрешность - - погрешность
средства измерения. Абсолютную погрешность выражают в единицах измеряемой
величины. Чем меньше абсолютная погрешность измерения, тем точнее оно выполнено.
Любой прибор позволяет проводить измерения лишь с определенной точностью. Для
средств измерения с линейной шкалой (линейка, измерительная лента, динамометр)
приборная погрешность принимается равной половине цены деления шкалы. Для
измерительных приборов с нониусом (штангенциркуль, микрометр) приборная погрешность равна цене деления нониуса. Секундомер имеет приборную погрешность, равную
цене его деления.
Результат однократного прямого измерения принято записывать в виде
а = а.
±Аа,
(1)
где анзм — измеренное значение физической величины а, Да = Да„р.
Двойной знак + перед абсолютной погрешностью означает, что истинное значение
измеряемой величины лежит в интервале (аизм - Да,
Относительная погрешность при однократном прямом измерении — безразмерная
физическая величина, равная отношению абсолютной погрешности к измеренному
значению физической величины:
*
<2>
Точность измерений различных физических величин сравнивают по их относительным
погрешностям. Чем меньше относительная погрешность, тем выше точность измерения.
Предположим, что расстояние от Земли до Солнца Zj_ = 1,5 • 108 км измеряется с
абсолютной погрешностью AZX = 15 км, а длина комнаты 12 = Ю м — с абсолютной
погрешностью А12 = 1 мм. Относительная погрешность первого измерения е1 = 10~7, а
второго — е2 = 10~4. Это означает, что точность первого измерения в 1000 раз больше,
чем второго, так как | =
Погрешности при прямых измерениях физической величины
Точность результата прямого однократного измерения значения физической величины
невелика вследствие двух погрешностей, которые невозможно полностью исключить в
процессе опыта, — это случайная и грубая погрешности.
Случайная погрешность — погрешность, изменяющаяся случайным образом при
повторных измерениях. Она вызывается непостоянством внешних условий и
несовершенными действиями экспериментатора.
Грубая погрешность (промах) — погрешность, существенно превышающая ожидаемую
при данных условиях. Грубая погрешность обусловлена ошибочным отсчетом или
временной неисправностью измерительного прибора.
Для уменьшения влияния случайных факторов проводят многократные измерения данной
физической величины al5 a2, ..., ап. При этом результаты измерений, содержащих промахи,
исключаются из дальнейшей обработки результатов.
В качестве действительного значения физической величины принимают среднее
арифметическое значение измеряемой величины
где п — число измерений.
Рассмотрим один из возможных вариантов измерений, когда проводят пять измерений
случайной величины (п = 5).
Случайную погрешность (или погрешность среднего арифметического) оценивают как
средний модуль отклонения результатов измерений от среднего арифметического
значения а
25
Результирующая абсолютная погрешность Да при прямых измерениях физической
величины а учитывает как приборную Дап , так и случайную Дасл погрешность и
находится как их сумма:
(5)
Да = Дасл + Дапр.
Значение физической величины, полученное в результате прямого измерения, записывают
в виде
а = о±Да.
(6)
Относительная погрешность при прямых измерениях — безразмерная физическая
величина, равная отношению абсолютной погрешности к среднему арифметическому
значению измеряемой величины.
Пример расчета погрешностей
при прямых измерениях физической величины
Предположим, что с помощью штангенциркуля, имеющего цену деления нониуса 0,05 мм,
нужно измерить длину / бруска. Для этого необходимо выполнить последовательно
следующие действия.
I. Измерения проводятся пять раз для уменьшения случайной погрешности, а их
результаты lh (k = 1, 2, ..., 5) последовательно заносятся в таблицу .
П. Рассчитывают среднее арифметическое значение I длины бруска по формуле (3),
определяя тем самым действительное значение измеряемой величины.
III. Затем рассчитывают случайную погрешность измерения А1СЛ. Вычисляют модуль
отклонения \Alk\ = \lk - lcp\ каждого k-то измерения от среднего арифметического Zcp.
IV. Суммируют все \Alk\ и рассчитывают случайную погрешность.
Приборная погрешность штангенциркуля равна цене деления нониуса, т. е.
А1пр = 0,05 мм = 5 • 102 мм.
При расчете абсолютной погрешности измерения длины приборная и случайная
погрешности суммируются (см. формулу (5)):
М = А1пр + А1СД = 0,086 мм.
Существуют определенные правила записи окончательного результата измерений
физической величины. Абсолютная погрешность приводится с одной значащей цифрой
после запятой. В рассматриваемом случае А1 = 0,09 мм. (Две значащие цифры
необходимо сохранять, если первой значащей цифрой, характеризующей величину
погрешности, будет 1 или 2.) Разряд последней значащей цифры среднего
арифметического значения измеряемой величины должен совпадать с разрядом последней
значащей цифры абсолютной погрешности. Поэтому окончательный результат измерения
длины бруска следует представить в виде
1 = (30,28 ±0,09) мм.
Приведем два примера правильной записи результата измерения с различной точностью
одной и той же физической величины. Предположим, что найдено среднее время падения
шарика на землю с определенной высоты: t = 17,756 с. Абсолютная погрешность
измерения в первом опыте оказалась равной At1 — 0,362 с, а во втором At2 = = 0,1564 с.
Согласно правилам записи окончательного результата в первом опыте
t = (17,8 ±0,4) с,
а во втором
t = (17,76 ±0,16) с.
г
Расчет погрешностей при косвенных измерениях физической величины
При косвенном измерении значение физической величины находится по формуле,
связывающей искомую величину с другими величинами. Среди них могут быть:
физические величины, полученные в результате прямых измерений, характеристики
установки, справочные и табличные данные, универсальные постоянные.
26
Погрешность косвенно измеряемой величины зависит от погрешностей всех величин,
входящих в расчетную формулу. Рассмотрим последовательно, как учитывать
погрешности для каждого типа перечисленных величин.
Определение погрешностей величин, полученных при прямых измерениях, подробно
обсуждалось выше.
Для справочных и табличных данных (если их погрешность не указана) погрешность
составляет пять единиц разряда, следующего после последней значащей цифры.
Погрешность универсальных постоянных — погрешность округления их значений.
Например, если для числа к = 3,141593... взять значение 3,14, то его погрешность Дя =
0,0016. Если принять к = 3,141, то Дтс = 0,0006ит. д.
Многие табличные данные и универсальные постоянные представлены с большой
точностью, и их погрешностью при использовании калькулятора можно пренебречь.
Окончательный результат записывают в виде
х=хср±Ах.
Пример расчета погрешностей при косвенных измерениях физической
величины
Горизонтальная начальная скорость шарика, движущегося под действием силы тяжести
(лабораторная работа № 2), находится из формулы
Высота h = (294 ±1) мм относится к данным установки. Дальность полета I = (52 ± 4) см
находится по результату пяти прямых измерений. Погрешностью ускорения свободного
падения g = 9,81 -5 можно пренебречь, считая g константой. Действительное значение
скорости v0 можно найти, подставив в расчетную формулу средние значения входящих в
нее величин.
В соответствии с правилами округления величины окончательный результат запишем в
виде
1= (2,12 ± 0,17) |.
27
Лабораторная работа №4:
«Экспериментальное исследование звуковых колебаний с помощью осциллографа»
[12], [6], [3].
Лабораторная работа №5: «Нахождение блоков питания и усилительных блоков на
схемах и приборах. Замена блоков под руководством учителя»
Оборудование: демонстрационный комплект по радиотехнике с описанием и схемами.
[12], [6], [3].
28
Лабораторный практикум №1: «Измерение механических величин и температуры
Работа №1 по теме: «Измерение ускорения свободного падения с помощью
компьютерного датчика («Фотоворота»)
Оборудование: прибор для измерения ускорения свободного падения, датчик
«Фотоворота»
Содержание и метод выполнения работы:
Ускорение свободного падения определяют путём измерения времени падения
стального шарика с заданной высоты с последующим вычислением ускорения свободного
падения по формуле:
h = gt²/2 ,
g = 2h/t².
В опытах можно воспользоваться электронным секундомером и специальными
приставками-панелями, предназначенными для пуска и остановки шарика с
одновременным пуском и остановкой секундомера.
Кроме того, можно воспользоваться Photo Gate Sensor (SWDIS119) – оптическим
датчиком измерения времени прерывания («фотоворота»). Аналогично сняв показание
времени и измерив по шкале высоту падения шарика, вычисляют ускорение свободного
падения по указанной выше формуле.
Работа №2 по теме: «Калибровка характеристик электрических импульсов с
помощью электронного осциллографа»
[12], [6], [3].
29
Работа №3 по теме: «Исследование упругих свойств твёрдого тела»
Оборудование: прибор для изучения деформации растяжений
Содержание и метод выполнения работы:
Прибор для выполнения этой работы устроен следующим образом. Между двумя
направляющими железными стержнями, скреплёнными в конце подставками,
вмонтирован динамометр в виде стальной пружины. Динамометр заканчивается втулкой с
прорезью, в которой находится съёмный вкладыш для закрепления проволоки.
С противоположной стороны прибора установлен червячный механизм, подобный тем,
что устанавливается в музыкальных инструментах для натяжения струны. Проволока
прикрепляется одним концом посредством вкладыша к динамометру, а другим – к оси
червячного механизма.
При вращении колка начинает вращаться ось механизма, на которую при этом
наматывается проволока. Одновременно начинает растягиваться пружина динамометра, о
чём можно судить по его указателю, перемещающемуся по шкале, градуированной в
килограммах.
Для определения величины удлинения проволоки прибор снабжён специальным
приспособлением. Это приспособление состоит из двух ползунков, упорного стержня и
индикатора, измеряющего удлинение исследуемого участка. Индикатор часового типа
действует на растяжение и сжатие и позволяет проводить измерения в пределах 0-10мм с
точностью до 0,01мм.
Опыт показывает, что даже тщательное прикрепление концов проволоки к
динамометру и к оси червячного механизма не исключает при растяжении разматывания
проволоки в местах крепления. Это разматывание часто искажает результаты опыта,
поэтому в описанном приборе измеряется удлинение не всей проволоки, а лишь части,
ограниченной двумя ползунками, к которым проволока прикрепляется с помощью
винтовых зажимов.
Динамометр и описанное приспособление позволяет измерять одновременно и
величины действующих сил, и соответствующие им удлинения проволоки. При этом
достаточно большая точность индикатора (0,01мм) даёт возможность подробно
исследовать упругие свойства металла, пользуясь проволоками сравнительно малой
длины (200-400 мм).
Порядок выполнения работы.
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
Показания динамометра,
Показания
по
шкале Разность между удлине1*9,8Н
индикатора, мм
ниями при двух последовательных нагрузках, мм
1
2
3
4
5
4
3
2
1
2. Укрепляют в приборе стальную проволоку, диаметр которой до установки
измеряют в 2-3 местах с помощью микрометра. Если показания микрометра
отличаются друг от друга, то записывают наименьший диаметр, по которому и
вычисляют площадь поперечного сечения S.
30
3. Измеряют линейкой длину исследуемого интервала проволоки L, то есть интервала
между зажимами ползунков. При этом надо измерять расстояние между центрами
винтовых зажимов.
4. Поворачивая колок червячного механизма, постепенно увеличивают нагрузку
(1,2,3, … делений шкалы динамометра) и каждый раз записывают в таблицу
удлинения. Дойдя до 5 удлинения, поворачивают обратно, то есть «снимают»
нагрузку, следя за тем, как укорачивается проволока.
5. По закону Гука находят модуль упругости для стальной проволоки:
Е = FL/ (ΔLS)
6. Дополнительно можно исследовать деформацию растяжений проволоки в случае,
когда нагрузка выходит за пределы упругости. С этой целью меняют стальную проволоку
на медную. Убеждаются, что она обладает сравнительно малой упругостью: уже
небольшие нагрузки приводят к остаточным деформациям. Повторяют опыт, делая
таблицу до 19,6Н, 29,4Н…
31
Работа №4 по теме: «Градуировка термопары»
Оборудование :
1) термопары железо-константановые
(2 шт.); 2) гальванометр Ml 17/2; 3) дополнительное переменное сопротивление
на 4—5 ком & гальванометру; 4) термометр химический от -10 до +100° С с
делениями на градусы; 5) штатив лабораторный с муфтой и лапкой; 6) стаканы
химические
емкостью
250
мл
(S
шт.);
8) пинцет; 9) плитка электрическая лабораторная или другой нагреватель'О)
соединительные с наконечниками (4 шт) 12)сетка
оловосиасбестом;
свинец по11)
50 провода
г,
При соприкосновении двух разнородных металлов, например
ж е л е з а и к о н с т а н т а н а , э л е к т р о н ы д и ф ф ун д и р ую т и з м е т а л л а с
б ольшей к онц ент раци ей элект ронов в мет алл с мен ьшей к он центрациеи. Этот процесс прекращается при установлении меж д у м ет аллами оп ре делен н ой раз н ости п от ен ци алов, н аз ываемой
контактной разностью.
.11,
С увеличением температуры диффузия электронов возобновляете и прекращается при более
высоко!! разности потенциалов.
Если из двух слаяниых разнородных металлов составить замкнутую цепь (рис. 100, а), то в
местах спаев при одинаковой температуре /°С возникнут одинаковые по величине противоположные контактные разности потенциалов и. Если же спаи будут иметь разную температуру,
например i.,~>t\ (рис. 100, б ) , то (/2>"i и в цепи возникает термоэлектродвнжущая сила
(т. э. д. с), которая создает термоэлектрический ток. Таким образом, образуется термоэлемент
(термопара).
Если разность температур спаев не очень велика, то практически т. э. д. с. пропорциональна
разности температур, т. с.
Выполняя эту работу, учащиеся должны: 1) убедиться в прямой пропорциональной
зависимости т. э. д. с. от изменения температуры; 2) выяснить возможность практического
применения
.
термопар для измерения температур; убедиться в преимуществе термопар перед обычным термометром —возможности измерения сравнительно высоких температур.
Собирают установку так, как показано на рисунке.В один стакан наливают воду комнатной
температуры, а другой стакан наполняют кусочками тающего льда пли снегом. Стакан с водой
ставят па электрическую плитку, подложив под него сетку с асбестом, а стакан со льдом —■ на
стол, подальше от электрической плитки.
32
Одну термопару погружают в стакан со льдом. Другую термопару зажимают в ланку
штатива и опускают в стакан с водой так, чтобы спаи термопары не касался дна стакана.
Вместе с этой термопарой опускают в воду термометр. Затем составляют электрическую цепь:
константановые проволоки термопар соединяют между собой, а железные присоединяют к
гальванометру через дополнительное переменное сопротивление R. Таким образом, если не
считать проводов и дополнительного сопротивления, получается следующая замкнутая цепь:
гальванометр, железо (ж), константан (к), железо, гальванометр.
Составленную цепь проверяют. Выводят дополнительное сопротивление и наблюдают
некоторое показание гальванометра, соответствующее разности температур воды и льда. Затем
вынимают термопару из воды и погружают ее в лед рядом с другой термопарой. Теперь стрелка
гальванометра должна возвратиться к пулю шкалы. После этого термопару снова погружают
в воду и приступают к выполнению опытов.
Включают электрическую плитку и, помешивая воду в стакане, отмечают через каждые
10—20° С температуру и одновременно показания гальванометра. Затем устанавливают
дополнительное сопротивление один раз примерно 500 ом, а другой около 1500 ом и
наблюдения повторяют. Результаты заносят в самостоятельно составленную таблицу.
33
Работа №5 по теме: «Градуировка самодельного стробоскопа и изучение скорости с
его помощью»
Диск вычерчивают тушью на белой бумаге, затем вырезают и в центре для насаживания на
втулку. Так бумага обычно коробится, диск надо гладить утюгом.
Таким
образом,
с
помощью
данного
стробоскопического
диска
можно зафиксировать скорости:16,6;2,5; 10, 8,3; 6,2 и 5 об/сек.
Для закрепления стробоскопического диска на валу двигателя необходимо изготовить втулку с
цилиндрической гайкой. Размеры ее приведены в описании. Для крепления втулки на валу служит
стопорный винт. Стробоскопический диск насаживается на выступающую часть втулки и
зажимается гайкой. Передняя, цилиндрическая часть гайки диаметром 10 мм служит шкивом
для торможения.
Торможение шкива электродвигателя осуществляется обычной хлопчатобумажной нитью с
петлями на концax. Нить полностью охватывает шкив и растягивается двумя динамометрами
в противоположные стороны. Таким способом обеспечивается необходимое давление нити на
шкив без бокового давления оси на подшипник.
Чем сильнее натянута нить, тем большее давление производит она на шкив и тем большая
сила трения скольжения возникает на поверхности шкива при его вращении. В этом случае
сила трения равна разности показаний двух динамометров, так же как и в установке для
проведения работы по первому варианту.
Для освещения стробоскопического диска можно воспользоваться различными неоновыми
лампами с таким расположением электродов, чтобы диск освещался только одним из них. Лучше
всего подходит для этой цели неоновая лампа СН-2 на 127 или 220 в с сопротивлением,
вмонтированным в цоколь. Электроды этой лампы имеют форму дисков,
расположенных один над другим параллельно друг другу. Однако пригодны и некоторые
другие типы лампа малого размера, удовлетворяющие указанному требованию. При питании
их переменным током 127 или 220 в последовательно с лампой надо включить резистор на
10—20 ком, который удобно вмонтировать внутрь штепсельной вилки с боковым расположением
шнура. Лампу надо установить на достаточно массивной подставке такой высоты, чтобы было
удобно подвести лампу возможно ближе к поверхности стробоскопического диска.
Для проведения работы можно было бы изготовить специальный прибор. Однако проще
собрать временную установку с помощью двух штативов. Такая установка изображена на рисунке 41. В ней стержень одного из лабораторных штативов располагается горизонтально и
опирается на муфту /. С помощью лапок 2 и 3, зажимается электродвигатель 4 и один из
динамометров 5. Второй динамометр 6 закрепляется а лапке другого нормально стоящего
штатива.
Толстая катушечная (№ Ю) нить, желательно белая, двумя петлями зацепляется за крючки
динамометров и обертывается один раз вокруг шкива. Перед стробоскопическим диском устанавливается неоновая лампа.
Перед проведением опыта надо тщательно отрегулировать положение динамометров и
электродвигателя, чтобы нить расположилась возможно более точно по касательной к шкиву, а
проволочные тяги динамометров не касались ограничивающих желоб. Надо позаботиться о том,
чтобы стробоскопический диск при вращении не задевал за нить.
К зажимам выпрямителя присоединяют провода от электродвигателя так, чтобы диск
вращался по часовой стрелке; устанавливают и включают неоновую лампу.
Заготовить таблицу для записи результатов измерений.
Работа №6 по теме «Определение ускорения, скорости и мгновенной скорости с
использованием источника сжатого воздуха, а также фотоэлемента, входящего в
комплект компьютерных измерительных приборов по физике»
[12], [6], [3].
34
Лабораторный практикум №2
Работа №1 по теме «Измерение температуры тел термометром сопротивления»
[12], [6], [3].
Работа №2 по теме: «Снятие температурной характеристики терморезистора»
Оборудование: терморезистор на колодке, омметр М-471 или ампервольтомметр АВО-63,
термометр лабораторный от 0ºС до 100ºС с делением 1ºС, нагреватель электрический,
стакан высокий со льдом, источник электропитания для практикума J1201A, комплект
проводов соединительных.
Содержание и метод выполнения работы:
Терморезистор ММТ-1 (см. рисунок 1), с которым выполняют данную работу, состоит
из спрессованной и термически обработанной смеси порошкообразных оксидов металлов.
Он имеет цилиндрическую форму стержня (6) длиной 12 мм и диаметром 2 мм. На концы
стержня надеты металлические колпачки с выводами, а боковая поверхность покрыта
слоем эмалевой краски. Выводы терморезистора припаяны к двум медным проволокам
(5), концы проволок подведены к двум винтовым зажимам (1), укреплённым на
пластмассовой панели (2). В середине панели сделано отверстие, в которое вставлена
картонная трубка (4), на верхний конец трубки надето резиновое кольцо (3), а на кольцо –
стеклянная пробирка (7).
В этой работе надо измерить сопротивление резистора при различных температурах и
построить график зависимости его сопротивления от температуры.
Порядок выполнения работы.
6. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
Температура
15
20
25
30
35
40
45
50
t,ºC
Сопротивление
R,Ом
7. Соберите установку, показанную на рисунке 2. В стакан с водой и тающим льдом
погрузите электрический нагреватель и пробирку с терморезистором. В пробирку
вставьте термометр, к зажимам терморезистора подключите омметр с множителем
100, а к электрическому нагревателю – источник электропитания J1201A ( к
зажимам ≈ 12В или ≈36В, последние расположены на обратной стороне прибора).
8. Измерьте начальную температуру терморезистора (она равна температуре воды в
стакане) и его начальное сопротивление.
9. Включите электрический нагреватель и нагрейте воду в стакане до 70ºС
10. При температурах 15º, 20º, 25º и т.д. измерьте сопротивление терморезистора.
Результаты измерений запишите в таблицу. При этом наблюдение за показаниями
приборов лучше вести вдвоём: один записывает показания термометра, а другой
одновременно снимает показания омметра.
11. По данным таблицы постройте график зависимости сопротивления терморезистора
от температуры. По оси абсцисс отложите температуру, а по оси ординат –
сопротивление.
Работа №3 по теме «Измерение теплопроводности сравнительным методом»
[12], [6], [3].
35
Лабораторная работа №6
«Проверка полупроводниковых диодов»
Оборудование: полупроводниковые диоды для проверки, омметр или авометр
(источник питания напряжением не выше 2 в), миллиамперметр, микроамперметр,
вольтметр, резистор переменный, источник постоянного тока, соединительные провода.
Выпол н е н и е работы
1, Осмотреть внешний вид диода, проверить целостность антикор
розионного покрытия металлических частей четкость и разборчивость
маркировки, облуженность выводов (если нарушений указанных частей нет, то диод пригоден для дальнейшей проверки).
2. Начертить таблицу:
Данные
Сопротивлени
е перехода,
ом
Пряное
Паспортные
Ток, мка, ма
Обрат Пря
ное
мой
Обрат
ный
Напряжение, в
Прм
ое
Обрат
ное
1
Измеренные
3. Записать в таблицу паспортные данные диода.
4. Измерить прямое сопротивление, прикоснувшись штекерами
омметра к выводам диода таким образом, чтобы через диод мог идти
прямой ток; записать результат в таблицу, .
5. Измерить и записать в таблицу обратное сопротивление (если
прямое сопротивление мало, до сотен ом, а обратное велико, до
сотен килоом или до мегом, то* выводы диода целы, а между ними
нет короткого замыкания).
включить цепь, уста
новить при помощи рези
стора напряжение в
цепи,
равное паспортному, тогда микроамперметр покажет силу обратного тока (у исправного
диода измеренное значение ка не должно превышать паспортного значения); ycrai мощи
резистора обратный ток, равный паспортному si вольтметр покажет обратное напряжение;
записать pes рения в таблицу, отключить и разобрать цепь.
8. Собрать цепь иустановить на:
ное паспортному значению, тогда миллиамперметр пок
прямого тока; установить в цепи прямой ток, равны
значению, тогда вольтметр покажет прямое напряжс
меньше, тем диод лучше).
Сделать общий вывод о пригодности проверяемого диода.
36
Лабораторная работа №7
«Сборка из готовых блоков усилителя с обратной связью и его
исследование»
Усилители сигналов
Мощность поступающего от датчика сигнала очень мала. Нередко она в несколько сотен и тысяч
раз меньше мощности тех устройств, работой которых должны управлять датчики. Поэтому в
автоматических системах для увеличения мощности сигнала датчиков применяют усилители.
Электрические схемы и конструкции усилителей зависят от их назначения. Однако все усилители
выполняют одинаковую функцию: усиливают напряжение или мощность электрического сигнала
за счет энергии подключенного к усилителю источника электропитания.
Электронный или полупроводниковый усилитель увеличивает напряжение или мощность
электрического сигнала при помощи электронных ламп или транзисторов. Сигнал от датчика
подается на зажимы (рис. 134), называемые входом усилителя. Электронная лампа (триод, пентод)
или транзистор преобразует энергию источника постоянного тока, и с выходных зажимов (выхода)
усилителя можно снимать сигнал увеличенной мощности. В автоматических системах
применяются также магнитные, электромашинные, пневматические и гидравлические усилители.
.1. Отрицательная обратная связь. Электронный усилитель вносит в усиливаемый сигнал ряд
помех: тепловые шумы, шумы усилительных элементов (например, ламп), помехи из-за
пульсаций напряжения питания, а также за счет наводок со стороны внешних электрических и
магнитных полей.
Кроме того, в электронных усилителях появляются еще нелинейные и частотные искажения:
нелинейные — из-за использования нелинейных элементов цепей (ламп, катушек с
ферромагнитными сердечниками и т. д.) и частотные— из-за наличия в схемах реактивных
элементов (конденсаторов, катушек и т. д.).
Для устранения многих помех и искажений в усилителях используется отрицательная
обратная связь. Ее идея состоит в следующем.
Пусть усилитель, помимо усиления полезного сигнала, создает и некоторые помехи. Если
часть усиленного сигнала вместе с помехой с выхода усилителя подать в противофазе на его вход,
то npir ослаблении общего.усиления полезного сигнала помеха будет уничтожена. Такая
«обратная связь» (выход-вход) получила название отрицательной. В результате действия
отрицательной обратной связи усиление прибора уменьшается, зато качество усиленного сигнала
становится выше (он менее искажен). Ослабление же усиления может быть скомпенсировано
увеличением числа каскадов в усилителе.
На рисунке изображена схема усилителя с отрицательной обратной связью по току. Здесь в
цепи катода (в цепи автоматического смещения) нет* блокировочного конденсатора. Поэтому
анодный (катодный) ток, протекая через резистор обратной связи Roo, создает на нем напряжение
как от постоянной, так и от переменной составляющих. Эти напряжения через резистор утечки
R9
Подобрав емкость конденсатора С ос, измене противления резистора R oc можно регулироват
ние каскада в области высоких частот.
[12], [6], [3].
Лабораторная работа №8
«Сборка из готовых блоков генератора и его исследование»
[12], [6], [3].
37
Лабораторный практикум №3: «Измерение электрических величин. Исследование
механических колебаний и волн»
Работа №1 по теме: «Измерение электроёмкости конденсатора с помощью
гальванометра»
Оборудование: набор конденсаторов известной ёмкости, конденсатор неизвестной
ёмкости, ампервольтомметр или микроамперметр на 100 мкА, источник питания J1201A,
переключатель, провода соединительные.
Содержание и метод выполнения работы:
Если заряжать конденсатор постоянной ёмкости от одного и того же источника
постоянного напряжения, а затем разряжать его через гальванометр, то стрелка
гальванометра всякий раз будет отбрасываться по шкале на одно и то же число делений.
При конденсаторах другой ёмкости отброс стрелки гальванометра будет иным.
Имея конденсаторы известной ёмкости (эталон), можно на опыте убедиться, что
ёмкость конденсатора С прямо пропорциональна числу делений n, на которое
отбрасывается стрелка гальванометра: С = kn. Отсюда легко определить коэффициент
пропорциональности:
k = C / n,
выражающий собой электроёмкость, соответствующую данному делению. Зная
коэффициент, можно по отбросу стрелки гальванометра определить ёмкость любого
другого конденсатора, повторив с ними описанный опыт.
Порядок выполнения работы:
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
№ опыта
Ёмкость
Число деле-ний Коэффициент
Среднее
конденсатора С, по
шкале пропорциональности значение
мкФ
гальванометра,
k=C/n
коэффициента,
n
k ср
1
2
2. Составьте электрическую цепь по схеме, изображённой на рисунке 1, включив в
неё источник постоянного тока, конденсатор известной ёмкости, гальванометр и
переключатель
3. Зарядите конденсатор. Для этого соедините его на некоторое время с источником
тока. Затем, сосредоточив внимание на стрелке прибора, быстро переключите
конденсатор на гальванометр и замерьте на шкале максимальное отклонение
(отброс) стрелки, отсчитывая на глаз десятые доли деления. Опыт повторите
несколько раз, чтобы точнее заметить показания стрелки, и вычислите
коэффициент пропорциональности k.
4. Выполните опыт с конденсатором другой ёмкости и по полученным результатам
вычислите среднее значение k ср. Результаты измерений и вычислений запишите в
таблицу.
5. В электрическую цепь включите конденсатор неизвестной ёмкости С и определите,
на сколько делений n отклоняется стрелка измерительного прибора в этом случае.
6. Зная коэффициент пропорциональности k, вычислите Сх.
Сх = knх.
Дополнительное задание:
1. Два конденсатора известной ёмкости включите в цепь сначала параллельно, а
затем последовательно (рис.2) и определите в том и в другом случае их общую
ёмкость описанным способом.
2. Вычислите по известным вам формулам общую ёмкость конденсаторов при
параллельном и последовательном соединениях и сравните результаты с теми,
которые были получены на опытах.
38
Работа №2 по теме: «Расширение пределов измерения
электроизмерительных приборов (ваттметра, подбора шунтов
гальванометра, изготовление авометра)»
[12], [6], [3].
39
Работа №3 по теме: «Исследование зависимости силы фототока от
поверхностной плотности потока излучения»
Оборудование: прибор лабораторный для изучения законов фотометрии, микроамперметр
на 100 мкА, источник электропитания для практикума J1201A, реостат ползунковый, ключ
замыкания тока, комплект проводов соединительных.
Содержание и метод выполнения работы:
В данной работе применяется селеновый фотоэлемент. Он состоит из железной
пластинки круглой формы (1), покрытой слоем селена (2), на который нанесён тонкий
полупрозрачный слой золота (3). От железной пластинки и плёнки золота ( на неё
наложено контактное кольцо (4) сделаны отводы к зажимам, с помощью которых
фотоэлемент включается в электрическую цепь. В результате специальной обработки
часть атомов золота проникает в селен, обладающий дырочной проводимостью. На
границе двух слоёв с различным типом проводимости образуется электронно-дырочный
переход. При освещении фотоэлемента в селене образуются свободные носители заряда,
которые под действием электрического поля электронно-дырочного перехода
разделяются: электроны накапливаются в электронном полупроводнике, а дырки – в
дырочном. В результате на зажимах фотоэлемента возникает фотоэлектродвижущая сила.
Если фотоэлемент подключить к гальванометру и осветить, то в цепи возникает фототок.
Сила фототока зависит от поверхностной плотности потока излучения.
Прибор (рис.2), с которым выполняют данную работу, представляет собой
горизонтально расположенную пластмассовую трубу (1), закрытую с двух концов и
укреплённую на двух подставках. В левой части трубы находится селеновый фотоэлемент,
который соединён проводами с двумя зажимами (2) , установленными на торцевой части
трубы. При помощи рукоятки (3) фотоэлемент можно поворачивать вокруг
горизонтальной оси на 90°. Ось вращения проходит по диаметру активной поверхности
фотоэлемента. Угол поворота определяют по шкале угломера, укреплённого на
поверхности корпуса прибора. Средняя часть трубы состоит из двух половин. Внизу
имеется щель, закрытая клапаном из чёрной материи. Вдоль щели перемещают источник
света. Труба прибора внутри имеет несколько защитных ребер и чёрную матовую окраску.
Рёбра предохраняют фотоэлемент от отражённого излучения, а чёрная краска – от
световых бликов.
В нижней части откидной крышки трубы укреплена шкала (4) с делениями от 0 до 30
см, причём нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя
фотоэлемента. К прибору прилагается микроамперметр (5) и стойка с лампой (6) на 3,5 В.
Лампа служит в опытах источником света. В данной работе предлагается исследовать
зависимость силы фототока элемента от поверхностной плотности потока излучения и
построить графики этой зависимости. Поверхностную плотность потока излучения на
фотоэлементе Е вычисляют по формуле:
Е = Ф/(4πR²),
Где Ф– полный поток энергии излучения источника света (его приближённо принимают
равным мощности электрической лампы 1Вт), R – расстояние между лампой и
фотоэлементом, выраженное в метрах.
Порядок выполнения работы:
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
Расстояние между фотоэле- Поверхностная
плотность Сила фототока
ментом и лампой R,м
потока
излучения
на J,А
фотоэлементе Е, Вт/м²
2. Ознакомьтесь с устройством прибора.
40
3. Расположите фотоэлемент прибора перпендикулярно к оси трубы и соедините его
зажимы с микроамперметром (см. рис.2)
4. Присоедините к источнику тока последовательно выключатель, реостат и
электрическую лампу, установите её внутри прибора на расстоянии 10 см от
фотоэлемента, реостатом подберите накал нити, чтобы стрелка микроамперметра
отклонилась на всю шкалу.
5. Увеличивайте расстояние между лампой и фотоэлементом и через каждые 2 см
измеряйте силу тока. Результаты запишите в таблицу.
6. Для каждого случая рассчитайте поверхностную плотность потока излучения на
фотоэлементе по формуле. Результаты запишите в таблицу.
7. По числовым данным таблицы постройте график зависимости силы фототока от
поверхностной плотности потока излучения. По оси абсцисс отложите
поверхностную плотность потока излучения в ваттах на квадратный метр, а по оси
ординат – силу фототока а микроамперах.
41
Работа №4 по теме: «Определение длины звуковой волны (фигуры
Лиссажу)»
[12], [6], [3].
Работа №5 по теме: «Изучение ультразвука»
[12], [6], [3].
О б о р у д о в а н и е (рис. 52): 1) оператор высокома^тотиьп электромагнитных колебаний в диапачоне 0.95—1,4
Мгц '; 2) излучатель ультразвука — лье.'юкерамнческая пластинка ЦТС в корпусе; 3) микрометр; 4) вольтметр лабораторный на 6 а; 5) магазин сопротивлений 10, 20, 50 ом; 6) диод Д7Ж иа колодке; 7) источник электропитания,
даюшкй, 300 а постоянного и 6,3 в переменного тока; 8) штатив лабораторный; 9) шланг для присоединения генератора к источнику электропитания; 10) соединительные провода с наконечниками; I t ) колбы с исследуемыми
жидкостями (вода, керосин) и пипетками.
Скорость ультразвука в жидкости определяется методом стоячих волн.
Если па некотором расстоянии от колеблющейся пьезоэлектрической пластинки расположить
плавно перемещающийся рефлектор с отражающей поверхностью, параллельной поверхности
излучающей пластины, то отраженная ультразвуковая волна вновь попадет на пластинку.
Таким образом, между пластинкой и рефлектором будут распространяться встречные волны
одинаковой частоты (рис. 53). Причем направление распространения прямой волны показано
сплошной линией, а отраженной — пунктиром.
При определенных положениях рефлектора возникают стоячие ультразвуковые волны. На
рисунке 53 обозначена половина
длины бегущей волны -к-, равная длине стоячей волны.
Если расстояние между пластиной и рефлектором равно целому числу полуволн бегущей
волны, то пластина почти не колеблется и мощность излучения малая.
Практические замечания
1. Для выполнения работы целесообразно подобрать такие жидкости, у которых скорости
ультразвука заметно отличаются. Наиболее
подходящие
жидкости — дистиллированная
вода и керосин.
После выполнения опыта с жидкостью излучатель нужно разобрать и детали насухо протереть
мягкой тканью.
2. Высокочастотный генератор нормально работает от блочного источника тока, дающего
постоянное напряжение около 300 в {питание анодной цепи) и 6,3 в для накала лампы.
42
Лабораторная работа №9
«Изучение устройства приборов различных систем»
Для измерения различных характеристик электромагнитного поля используют
электроизмерительные приборы. Например, силу электрического тока измеряют
амперметром, напряжение (разность потенциалов) — вольтметром, электрическое
сопротивление — омметром, мощность тока — ваттметром и т. д.
В отличие от длины, непосредственно, визуально измеряемой наблюдателем,
характеристики электромагнитного поля не воспринимаются органами чувств и поэтому
должны быть преобразованы.
Электроизмерительные
приборы
—
средства
измерений
характеристик
электромагнитного поля, вырабатывающие сигнал в форме, доступной для восприятия
наблюдателя.
По типу вырабатываемого сигнала электроизмерительные приборы подразделяются на
цифровые и аналоговые.
Цифровые приборы вырабатывают сигналы, представляемые в цифровой форме на
дисплее.
Аналоговые приборы представляют сигнал, являющийся непрерывной функцией
измеряемой физической величины. Например, в амперметре угол отклонения стрелки на
шкале прибора пропорционален силе тока.
В аналоговых приборах, наиболее часто используемых в школьной лаборатории, энергия
электрического или магнитного поля преобразуется в механическую энергию
перемещения подвижной части прибора.
По способу преобразования энергии и по конструктивным особенностям аналоговые
приборы подразделяют на следующие системы (см. табл. 1).
Таблица 1
№
Система прибора
Условное обозначение
системы
1
Электростатическая
2
Электродинамическая
3
Электромагнитная
4
Магнитоэлектрическая
Ф
=*=
%
0
Условное обозначение системы измерительного прибора схематически показывает
принцип преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию
перемещения подвижной части прибора.
Принцип действия прибора электростатической системы основан на
электростатическом взаимодействии электродов, между которыми существует разность
потенциалов (напряжение).
В приборе электродинамической системы магнитное поле, создаваемое током в
неподвижной катушке, действует на ток, протекающий в подвижной катушке.
Взаимодействие токов приводит к повороту подвижной катушки.
В приборе электромагнитной системы измеряемый ток протекает по неподвижной
катушке. Воздействие магнитного поля катушки на ферромагнитный сердечник приводит
к его повороту, угол которого зависит от силы измеряемого тока.
43
Остановимся подробнее на устройстве приборов магнитоэлект рической системы,
наиболее часто используемых в школьной лаборатории.
Принципиальное устройство электроизмерительного прибора
магнитоэлектрической системы
В электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы (амперметрах,
вольтметрах) используют поворот рамки с током в магнитном поле. В магнитном поле
постоянного магнита располагается катушка, намотанная на цилиндр из мягкого железа,
способная вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1). При такой конструкции угол а
между собственной и внешней индукцией равен 90°, так что вращательный момент,
действующий на катушку, максимален.
На катушку действует вращательный момент, пропорциональный
силе тока / и числу витков N: М = ISBN. Катушка с током поворачивается до тех пор, пока
момент сил Ампера, действующих на катушку со стороны магнитного поля, не уравновесится моментом сил упругости пружины, возвращающих катушку в положение
равновесия. Можно считать, что момент сил упругости пружины пропорционален углу
поворота ф катушки:
Пружина Железный цилиндр
Рис. 1
где Cj — постоянный коэффициент пропорциональности. Равенство моментов С:ф = NISB
позволяет найти измеряемую силу тока:
J=
NSB
(p.
Измеряемая сила тока прямо пропорциональна углу отклонения стрелки, т. е. данный
прибор можно использовать как амперметр.
Если к катушке с сопротивлением R приложено напряжение U, то из закона Ома
получаем:
17 =
C-Jt
WSB{
Приложенное напряжение прямо пропорционально углу поворота катушки,
следовательно, такой прибор можно использовать в качестве вольтметра.
В таблице 2 приведены некоторые обозначения на шкале приборов, характеризующих ток,
и требуемое пространственное расположение шкалы прибора.
Та
блица 2
Ток
Обозначение Положение шкалы
Постоянный
Вертикальное
Переменный, 50 Гц
Горизонтальное
Трехфазный
Наклонное под
углом к горизонту
Обозначение
_L
1
—>
Цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора
Точность измерения характеризуется ценой деления шкалы прибора. Предположим, что
шкала прибора, например амперметра, насчитывает Л^ = 100 делений, а предел измерения
силы электрического тока /тах = 10 А соответствует максимальному отклонению стрелки
прибора. Тогда отклонению стрелки на 1 деление соответствует сила тока
10 А
0,1 —.
дел
44
100 дел Таким образом определяется цена деления прибора:
С=
N
Чем меньше эта величина, которая может быть измерена прибором, т. е. чем меньше
цена деления шкалы, тем выше точность измерения прибора.
Чувствительность прибора — величина, обратная его цене деления. Она характеризует
число делений, на которое отклоняется стрелка прибора (амперметра) при измерении
силы тока в 1 А.
Чем больше чувствительность, тем выше точность измерения прибора.
Класс точности, погрешность измерения электроизмерительного прибора
Погрешность измерения электроизмерительного прибора складывается из погрешности
отсчета и инструментальной погрешности. Например, погрешность измерения силы тока
амперметром А/ равна сумме погрешности отсчета Л/от и инструментальной погрешности
А/и:
А/ = А/ОТ + А/Й. Предельное значение погрешности отсчета принимают равным
2 цены деления шкалы:
А/
от
Инструментальная погрешность определяется классом точности
электроизмерительного прибора.
Класс точности электроизмерительного прибора — относительная
инструментальная погрешность, соответствующая пределу измерения шкалы,
выраженная в процентах
Например, класс ТОЧНОСТИ 1,5 означает относительную погрешность 1,5%. Как следует из
формулы, инструментальная погрешность определяется классом точности
электроизмерительного прибора.
Оборудование: Источник питания демонстрационный J1201-1A, авометр с
гальванометром демонстрационный, ампервольтметр для постоянного и переменного тока
демонстрационный, ампервольтметр с гальванометром демонстрационный, ваттметр
демонстрационный, амперметр и вольтметр лабораторный, авометр, миллиамперметр,
микроамперметр.
45
Лабораторный практикум №4: «Исследование электромагнитных явлений»
Работа №1 по теме: «Измерение индукции магнитного поля постоянного
магнита»
Оборудование: весы технические, гири Г4-210, магнит дугообразный, рамка
прямоугольная размером 1,5х10 см из 20 витков провода диаметром 0,1-0,2мм, источник
электропитания для практикума J1201A, амперметр лабораторный, ключ замыкания тока,
линейка измерительная 30 см с миллиметровыми делениями.
Содержание и метод выполнения работы:
На проводник длиной Δl, по которому течёт ток J, в магнитном поле индукцией В
действует сила Ампера F, модуль которой равен:
F = BJΔlsinα, (1)
где α- угол между направлением тока в проводнике и вектором В. Отсюда
В = F / (JΔlsinα).
Если угол α =90º, то индукция магнитного поля определяется выражением:
В = F / (JΔl). (2)
Таким образом, для измерения индукции магнитного поля необходимо измерить силу
Ампера, действующую на проводник длину проводника и силу тока в проводнике.
Для этого можно использовать экспериментальную установку, изображённую на
рисунке 1. К коромыслу технических весов подвешивают прямоугольную рамку из 20
витков тонкого изолированного провода шириной примерно 1,5 см и высотой 10 см. Под
рамкой в лапке штатива укрепляют постоянный магнит таким образом, чтобы
горизонтальная сторона рамки, была расположена перпендикулярно вектору В. Весы
уравновешивают. Рамку включают в электрическую цепь, состоящую из амперметра,
ключа и источника постоянного тока. При пропускании тока через рамку силы Ампера,
действующие на вертикальные стороны рамки, уравновешивают друг друга, а сила,
действующая на нижнюю сторону, выводит весы из равновесия. С помощью гирь
восстанавливают равновесие весов и таким образом измеряют силу Ампера.
Порядок выполнения работы:
8. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
№ опыта
d,м
Δl = nd,м
J,A
F,H
B,Тл
9. Измерьте линейкой толщину рамки d и подсчитайте общую длину проводника с
током, помещаемого в магнитное поле.
10. Подвесьте рамку к коромыслу весов, следя за тем, чтобы подводящие провода не
мешали взвешиванию.
11. Соедините рамку, ключ, амперметр, источник постоянного тока по схеме,
изображённой на рисунке 1.
12. Уравновесьте весы. Пропустите через рамку ток 0,5 А. Измерьте модуль силы
Ампера.
13. Вычислите индукцию магнитного поля постоянного магнита, пользуясь формулой
(2).
14. Повторите измерения силы и расчёты индукции магнитного поля, пропуская через
рамку ток 1А, затем 1,5А.
15. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
46
Работа №2 по теме: «Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению
переменному току»
Оборудование: катушка дроссельная, источник электропитания для практикума J1201A,
ампервольтомметр, миллиамперметр переменного тока на 50 мА, ключ замыкания тока,
комплект проводов соединительных.
Содержание и метод выполнения работы:
Один из способов измерения индуктивности катушки основан на том, что проволочная
катушка, включённая в цепь переменного тока, кроме активного сопротивления R,
определяемого материалом, размером и температурой проволоки, создаёт дополнительное
сопротивление ХL, называемое индуктивным. Числовое значение этого сопротивления,
пропорционально индуктивности L и частоте колебаний υ, то есть:
ХL = 2πυL (1)
В случае, когда R мало в сравнении с ХL, то значением R можно пренебречь. Тогда L
будет приближённо равно:
L = ХL / (2πυ) (2)
По закону Ома ХL = U /J, поэтому:
L = U/ (2πυJ) (3)
Следовательно, чтобы измерить индуктивность катушки, необходимо знать напряжение
на зажимах катушки, силу тока в ней и частоту переменного тока. Частота равна 50 Гц.
Порядок выполнения работы:
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
U,B
J,mA С серд.
Без серд.
2. Измерьте с помощью ампервольтомметра активное сопротивление дроссельной
катушки.
3. Соберите электрическую цепь по схеме, приведённой на рисунке. Последовательно
соедините катушку, миллиамперметр, ключ и источник переменного тока.
Параллельно катушке подключите вольтметр (ампервольтомметр с пределом
измерения 50В переменного тока). Замкнув ключ, установите с помощью
регулятора выпрямителя напряжение, например, 10В, и измерьте силу тока.
Повторите измерения для других значений напряжения, например, 5В,12В.
Результаты измерений занесите в таблицу.
4. Вычислите индуктивное сопротивление катушки и убедитесь, что оно больше R и
не зависит от напряжения.
5. Вычислите индуктивность катушки по формуле (3).
6. Внесите в катушку железный сердечник и повторите опыт.
7. Сравните индуктивность катушки без сердечника и с сердечником. Сделайте
вывод.
47
Работа №3 по теме: «Изучение отражения, преломления и поглощения
радиоволн различными телами»»
[12], [6], [3].
Работа №4 по теме: «Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере
звуковых волн)»
[12], [6], [3].
Лабораторный практикум №5: « Оптические методы исследований»
Работа №1 по теме: «Измерение показателя преломления газа или жидкости
интерференционным методом»
[12], [6], [3].
Работа №2 по теме: «Измерение размеров тел малого диаметра оптическими
методами»
[12], [6], [3].
Работа №3 по теме: «Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью
фотоэлемента»
12], [6], [3].
Работа №4 по теме: «Поляризационный метод
механических напряжений в деформируемом теле»
[12], [6], [3].
изучения
распределения
48
Литература для учащихся:
1. Буров В.А. , Зворыкин Б.С. «Практикум по физике в средней школе».- М.:
«Просвещение», 1993 г.
2. Горбунова О.И., Зайцева А.М. «Задачник-практикум по общей физике». М.:
«Просвещение», 2007 г.
3. Джанколи Д. «Физика». / Пер. с англ. М.: «Мир», 1989 г.
4. Емельянов М.М. «Практикум по радиоэлектронике». – М..: «Просвещение»,
1981 г.
5. Кабардин О.Ф. «Физика. Справочные материалы», М.: «Просвещение», 1989 г.
6. Лабораторный практикум по физике: учебное пособие для студентов ВУЗов/
Под ред. Ахматова А.С.- М.: «Высшая школа», 2003 г.
7. Ланге В.Н. «Экспериментальные физические задачи на смекалку». М.: «Наука»,
1985 г.
8. Левинштейн М.е., Симин Г.С. «Знакомство с полупроводниками»/Под ред.
Л.Г.Асламазова.-М.: «Наука»,1984 г.
9. Мнеян М.Н. «Новые профессии магнита».- М.: «Просвещение»,1985 г.
10. Околотин В.С. «Сверхзадача для сверхпроводников».- М.: «Знание»,1983 г.
11. Поляков А.М. «Разгаданный полупроводник».- М.: «Просвещение»,1985 г.
12. Поляков В.А. «Практикум по электронике». – М.: «Просвещение», 1997 г.
13. Патрунов Ф.Г. «Холод и техника».- М.: «Московский рабочий»,1989 г.
14. Рыдник В.И. «О современной акустике».-М.: «Просвещение»,2001 г
15. Хитун В.А., Скляревич В.В. «Практикум по физике для медицинских ВУЗов».М.: «Высшая школа», 1982 г.
16. Эдельман В.С. «Вблизи абсолютного нуля. - М.: «Наука»,2004 г.
17. Электроника сверхвысоких частиц.- М.: «Радио и связь»,2001 г.
49
Департамент образования г.Москвы
Восточное окружное управление
Государственное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа №351
Учебно-методическое пособие для учителей, работающих в 1011 классах естественно-математического направления
«Методы физико-технических исследований и
измерений»
Москва 2011 г.
50
Составитель:
Кучербаева
Ольга
Геннадиевна
-
учитель
ГУ
Средняя
общеобразовательная школа №351
Квалификационная категория : 1
Педагогический стаж: 11 лет
Учебно-методический комплекс по физике для 10-11 классов естественноматематического направления «Методы физико-технических исследований и
измерений» предназначен для учителей и учащихся, состоит из методического
руководства для учителя и рабочей тетради для учащихся.
В теоретической части даются необходимые знания о методах и принципах
экспериментальных физических исследований, а также сведения о физических
принципах, лежащих в основе устройства приборов и их использования в
эксперименте.
Практическая часть включает в себя фронтальные лабораторные работы и
работы практикума. Фронтальные лабораторные работы не только углубляют
теоретический материал курса, но и обеспечивают формирование первоначальных
умений, подготовку учащихся к практикуму.
Практикум занимает центральное место курса, на него отводится 50% учебного
времени. При его проведении отрабатываются общие вопросы физического
экспериментального исследования.
В работах практикума следует использовать наряду со стандартным
оборудованием самодельные установки, а также комплекты компьютерных
измерительных приборов, комплекты приборов по электричеству и радиотехнике.
Обязательное использование таких установок – принципиально важная особенность
практикума. Это позволит не только достичь наглядности используемых физических
принципов, но и стимулировать интерес учащихся к техническому творчеству,
развивать практические умения и навыки, полученные на уроках физики, связать
прикладной курс с профессиональной подготовкой.
51
Содержание:
1. Пояснительная записка………………………………………………………………51 стр
2. Программа курса……………………………………………………………………...53 стр
3. Тематическое и поурочное планирование………………….……………………..57 стр
4. Методические рекомендации по диагностике результатов работы………….. 70 стр
5. Литература для учащихся …………………………………………………………..72 стр
6. Литература для преподавателя……………………………………………………..73 стр
52
1. Пояснительная записка:
Курс рассчитан на 34 часа в 10 классе и 34 часа в 11 классе.
Данный курс ставит целью:
 Дать представление о методах физического экспериментального исследования как
важнейшей части методологии физики и ряда других наук, развить интерес к
исследовательской деятельности.
 Углубить знания основного курса физики, повысить интерес к его изучению.
 Сформировать целый ряд измерительных умений, необходимых при освоении в
дальнейшем технической профессией.
Таким образом, данные курс решает следующие задачи:
 реализация учеником интереса к предмету физики;
 оценка готовности и способности осваивать предмет физики на повышенном уровне.
Достижение обозначенных целей реализует данный курс своим содержанием.
В ходе изучения данного прикладного курса особое внимание обращается на развитие
умений учащихся:
 проводить физический эксперимент, измерять физические величины прямыми и
косвенными методами (особое внимание обращается на измерение неэлектрических
величин электрическими методами).
 использовать методы моделирования физических явлений и процессов, выдвигать
обоснованные гипотезы.
 пользоваться электроизмерительными и электронными приборами, источниками
питания, генераторами, усилителями, измерительными инструментами, комплектом
компьютерных измерительных блоков (датчиков) для кабинета физики, комплектами
по электричеству и радиотехнике, комплектом для изучения свойств полупроводников.
 пользоваться технической документацией на приборы и оборудование.
 Подбирать аппаратуру, конструировать, собирать и
налаживать установку,
обрабатывать и анализировать результаты измерений.
Курс условно можно разбить на теоретическую и практическую части.
В теоретической части даются необходимые знания о методах и принципах
экспериментальных физических исследований, а также сведения о физических принципах,
лежащих в основе устройства приборов и их использования в эксперименте.
Практическая часть включает в себя фронтальные лабораторные работы и работы
практикума. Фронтальные лабораторные работы не только углубляют теоретический
материал курса, но и обеспечивают формирование первоначальных умений, подготовку
учащихся к практикуму.
Практикум занимает центральное место курса, на него отводится 50% учебного
времени. При его проведении отрабатываются общие вопросы физического
экспериментального исследования.
В работах практикума следует использовать наряду со стандартным оборудованием
самодельные установки, а также комплекты компьютерных измерительных приборов,
комплекты приборов по электричеству и радиотехнике. Обязательное использование
таких установок – принципиально важная особенность практикума. Это позволит не
только достичь наглядности используемых физических принципов, но и стимулировать
интерес учащихся к техническому творчеству, развивать практические умения и навыки,
полученные на уроках физики, связать прикладной курс с профессиональной подготовкой.
При подготовке работ учащимся должна быть предоставлена максимальная
самостоятельность в выборе методики проведения работ, подборе оборудования,
составлении инструкций и т.д.
53
Из числа часов, отведённых на каждый практикум, 1 час выделяется на
ознакомительную беседу учителя по предлагаемым работам, 1 час – на обсуждение и
защиту предлагаемых учащимися методов и принципов выполнения выработанной ими
работы, подбор аппаратуры и т.д., 1 час – на приём готовых работ и окончательную
наладку установки, доработку инструкций по их выполнению.
Занятия по ознакомлению с предлагаемыми работами и их обсуждению проводятся
уже при изучении теоретического материала. Занятия по приёмке работ, подготовленных
учащимися, проводятся в начале каждого практикума. Основное время отводится на
выполнение работ практикума.




Прогнозируемые результаты:
более качественная подготовка учащихся к олимпиадам;
удовлетворение познавательного интереса учащихся;
развитие интереса к исследовательской деятельности;
углубление знаний и практических умений основного курса физики.
54
2. Программа курса:
10 класс (34 часа)
Введение (1 час).
Роль экспериментальных исследований в науке и технике. Измерение как основа
эксперимента, задачи курса. Организация рабочего места, техника безопасности при
проведении электротехнических и радиотехнических работ.
Методика физических экспериментальных исследований (9 часов).
1) Структура физического эксперимента (5 часов)
Этапы проведения физических исследований, роль гипотез и физических моделей (на
конкретных примерах), требования к проведению эксперимента.
Прямые и косвенные измерения. Методы непосредственной оценки, сравнения и т.д.
(на конкретных примерах). Оптические и электрические измерения неэлектрических
величин.
Термопара, термометр сопротивления, датчик измерения температуры компьютерный
и другие средства измерения температуры.
Демонстрации:
 Измерение малых перемещений с помощью оптического рычага
 Датчики: поплавковый, мембранный, центробежный, реостатный, терморезистор,
фотоэлемент, пьезоэлемент, тензодатчик
 Измерение температуры пламени при помощи термопары и термометра
сопротивления
Лабораторная работа №1: «Практическое знакомство с действием различных датчиков» (1
час)
2) Обработка результатов измерения (4 часа)
Случайные и систематические погрешности, необходимость обработки результатов
измерений. Приборные погрешности. Пути устранения систематических погрешностей.
Методы проверки приборов. Определение доверительного интервала значений
измеряемой величины. Представление результатов измерений в виде таблиц, графиков.
Компьютерная обработка результатов измерений.
Демонстрации:
 Обработка результатов измерений и вычислений с помощью компьютера
Лабораторная работа №2: «Обработка результатов измерений, получаемых с помощью
компьютерных датчиков» (датчик измерения давления, температуры, фотодиодный
датчик, датчик измерения малых перемещений, датчик магнитного поля, фотоэлемент,
датчик силы тока, напряжения и т.д.)
Техника физических экспериментальных исследований (11 часов)
3) Правила пользования экспериментальными приборами (2 часа)
Назначение экспериментальной аппаратуры, класс точности и приборные погрешности,
пределы измерений, чувствительность, правила пользования приборами, чтение шкал
приборов, подбор приборов для конкретных измерений, включение приборов в цепь,
снятие показаний приборов.
Демонстрации:
 Ознакомление с приборами различных типов и назначений
 Правила включения приборов в электрическую цепь и снятие показаний
Лабораторная работа №3: «Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)» (2 час)
2) Электронные приборы (6 часов)
Источники питания. Усилители. Электронный осциллограф.
Устройство осциллографа, назначение органов управления, правила пользования,
получение осциллограмм.
Демонстрации:
55
 Источники питания
 Модели механических усилителей
 Действие электронного усилителя
 Устройство и принцип действия электронного осциллографа
Лабораторная работа №4: «Экспериментальное исследование звуковых колебаний с
помощью осциллографа» (2 часа)
3) Составление и чтение простейших радиосхем (3 часа)
Обозначение элементов радиосхем: резисторов, конденсаторов, катушек
индуктивности, радиоламп, полупроводниковых приборов и транзисторов.
Лабораторная работа №5: «Нахождение блоков питания и усилительных блоков на схемах
и приборах. Замена блоков под руководством учителя» (2 часа)
Лабораторный практикум №1: «Измерение механических величин и температуры»
(7 часов)
1) Измерение ускорения свободного падения с помощью компьютерного датчика
(«фотоворота»)
2) Калибровка характеристик электрических импульсов с помощью электронного
осциллографа
3) Измерение скорости с помощью вращающихся дисков
4) Градуировка термопары и получение температурной карты пламени
5) Градуировка самодельного стробоскопа, изучение скорости с его помощью
6) Определение ускорения, скорости и мгновенной скорости с использованием
источника сжатого воздуха, а также фотоэлемента, входящего в комплект
компьютерных измерительных приборов по физике
Получение вакуума, криогенная техника (3 часа)
Понятие о низком, высоком и сверхвысоком вакууме. Вакуумные и форвакуумные
насосы, правила их эксплуатации. Измерение низкого давления.
Методы получения низких и сверхнизких температур: адиабатное расширение,
дросселирование, кипение при низком давлении и другое. Свойства жидкого азота,
кислорода, гелия.
Хранение сжиженных газов, их транспортировка. Методы охлаждения образцов.
Техника безопасности при работе со сжиженными газами.
Демонстрации:
 Схемы насосов, барометров ионных и магнитных
 Работа металлического барометра
 Получение низких температур при испарении
 Опыты с жидким воздухом
 Сосуд Дьюара
 Схема гелиевых установок
Лабораторный практикум №2 (3 часа)
1) Измерение температуры тел термометром сопротивления
2) Снятие температурной характеристики терморезистора
3) Измерение теплопроводности сравнительным методом
11 класс (34 часа)
Применение электронных и ионных приборов в физических экспериментальных
исследованиях (12 часов)
1) Полупроводниковые приборы и их использование в физических экспериментальных
исследованиях (6 часов)
Ознакомление с терморезисторами и фоторезисторами различных типов,
полупроводниковыми диодами, транзисторами.
56
Некоторые характеристики транзисторов. Применение транзисторов. Логические
элементы и их применение.
Особенности физического эксперимента при использовании полупроводников и
микромодульной
техники.
Применение
компьютера
в
физико-технических
экспериментальных исследованиях.
Демонстрации:
 Снятие характеристики стабилитрона
 Действие логических элементов и их комбинаций
Лабораторная работа №6: «Сборка полупроводниковых усилителей (1 час)
2) Генераторы и усилители с обратной связью (5 часов)
Роль обратной связи, коэффициент обратной связи, отрицательная обратная связь,
самовозбуждение, генераторы.
Лабораторная работа №7: «Сборка (из готовых блоков) усилителя с обратной связью и его
исследование» (1 час)
Лабораторная работа №8: «Сборка (из готовых блоков) генератора и его исследование» (1
час)
3) Ионные приборы и их применение в физических экспериментальных исследованиях (1
час)
Тиратроны, неоновые лампы, газоразрядные счётчики
Демонстрации:
 Действие тиратронов
 Газоразрядный счётчик
Лабораторный практикум №3: «Измерение электрических величин. Исследование
механических колебаний и волн» (5 часов)
1) Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра
2) Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов (ваттметра,
подбора шунтов гальванометра, изготовление авометра)
3) Исследование зависимости силы фототока от поверхностной плотности потока
излучения
4) Определение длины звуковой волны (фигуры Лиссажу)
5) Изучение ультразвука
Электроизмерительные приборы (2 часа)
Устройство
электроизмерительных
приборов
магнитоэлектрической,
электромагнитной, тепловой, термодинамической, индукционной, электростатической
систем и их применение.
Лабораторная работа №9: «Изучение устройства приборов различных систем» (1 час)
Лабораторный практикум №4: «Исследование электромагнитных явлений» (4 часа)
1) Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита
2) Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению переменному току
3) Изучение отражения, преломления и поглощения радиоволн различными телами
4) Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере звуковых волн)
Оптические методы исследования (4 часа)
Рефрактометры. Устройство рефрактометра, основанного на явлении полного
внутреннего отражения. Другие виды рефрактометров.
Пирометры, их устройство и принцип работы.
Болометры. Фотодатчики: фотоумножители, фотодиоды, светодиды.
Поляриметры, их устройство и назначение.
Интерференционные приборы. Различные виды дифракционных решёток. Оптические
схемы спектрографа и спектроскопа. Трёхтрубный спектроскоп. Разрешающая
способность спектральных приборов.
Демонстрации:
 Трёхтрубный спектроскоп
57

Зависимость дисперсии дифракционной решётки от числа штрихов на единицу
длины
Лабораторный практикум №5: «Оптические методы исследований» (6 часов)
1)
Измерение показателя преломления газа или жидкости интерференционным
методом
2)
Измерение размеров тел малого диаметра оптическими методами
3)
Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью фотоэлемента
4)
Поляризационный метод изучения распределения механических напряжений в
деформируемом теле.
58
Тематическое и поурочное планирование.
№ раздела
Тема занятий
Рекомендуемые
лабораторные работы
10 класс
Введение (1 часа)
Роль экспериментальных исследований
в науке и технике.
Измерение как основа
эксперимента, задачи
курса. Организация
рабочего места,
техника безопасности
при проведении
электротехнических и
радиотехнических
работ.
Методика физических 1)Структура физичес- Лабораторная работа
экспериментальных
кого эксперимента (5 №1:
«Практическое
исследований
(9 часов)
знакомство
с
часов).
Этапы
проведения действием различных
физических
датчиков» (1 час)
исследований,
роль
гипотез и физических
моделей
(на
конкретных примерах),
требования
к
проведению
эксперимента.
Прямые и косвенные
измерения.
Методы
непосредственной
оценки, сравнения и
т.д.
Оптические
и
электрические
Лабораторная работа
измерения
№2:
«Обработка
неэлектрических
результатов измерений,
величин.
получаемых
с
Термопара,
помощью
термометр
компьютерных
сопротивления, датчик датчиков»
(датчик
измерения
измерения
давления,
температуры
температуры,
компьютерный
и фотодиодный датчик,
другие
средства датчик
измерения
измерения
малых перемещений,
температуры.
датчик
магнитного
2)Обработка
поля,
фотоэлемент,
результатов измерения датчик
силы
тока,
(4 часа)
напряжения и т.д.)
Случайные
и
систематические
Литература
для учителя
[1],[15],[16]
[3],[8],[10]
[9], [14]
59
погрешности,
необходимость
обработки результатов
измерений. Приборные
погрешности.
Пути
устранения
систематических
погрешностей.
Методы проверки
приборов.
Определение
доверительного
интервала
значений
измеряемой величины.
Представление
результатов измерений
в
виде
таблиц,
графиков.
Компьютерная
обработка результатов
измерений.
Техника физических 1)Правила пользования
экспериментальных
экспериментальными
исследований
(11 приборами (2 часа)
часов)
Назначение
экспериментальной
аппаратуры,
класс
точности и приборные
погрешности, пределы
измерений,
чувствительность,
правила пользования
приборами,
чтение
шкал приборов, подбор
приборов
для
конкретных
измерений, включение
приборов
в
цепь,
снятие
показаний
приборов.
2)
Электронные
приборы (6 часов)
Источники
питания. Усилители.
Электронный
осциллограф.
Устройство
осциллографа,
назначение
органов
управления,
правила
пользования,
Лабораторная работа [3], [8], [15]
№3: «Чтение шкал
приборов (на приборах
и макетах)» (1 час)
Лабораторная работа [10], [5]
№4:
«Экспериментальное
исследование звуковых
колебаний с помощью
осциллографа» (2 часа)
Лабораторная работа [6], [7], [9]
№5:
«Нахождение
блоков
питания
и
усилительных блоков
на схемах и приборах.
Замена блоков под
руководством учителя»
(2 часа)
60
получение
осциллограмм.
3)
Составление
и
чтение
простейших
радиосхем (3 часа)
Обозначение
элементов радиосхем:
резисторов,
конденсаторов,
катушек
индуктивности,
радиоламп,
полупроводниковых
приборов
и
транзисторов.
Лабораторный
практикум
№1:
«Измерение
механических
величин
и
температуры»
(7
часов)
Получение
вакуума,
Понятие о низком,
криогенная техника (3 высоком
и
часа)
сверхвысоком вакууме.
Вакуумные
и
форвакуумные насосы,
правила
их
эксплуатации.
Измерение
низкого
давления.
Методы
получения низких и
сверхнизких
температур:
адиабатное
[14], [15]
1) Определение
[3], [9], [14]
диэлектрической
проницаемости 
различных материалов ...........................................
2) Зависимость емкости
конденсатора от
площади пластин и
расстояния между
ними
3) Определение
емкости конденсатора
баллистическим
методом ....................................................................
4) Электризация через
влияние (электрическая
индукция)
5) Электрическое поле
в воде
6) Измерение энергии
электрического
поля
заряженного
конденсатора
[2], [3], [10]
61
расширение,
дросселирование,
кипение при низком
давлении и другое.
Свойства
жидкого
азота,
кислорода,
гелия.
Хранение
сжиженных газов, их
транспортировка.
Методы
охлаждения
образцов.
Техника
безопасности
при
работе со сжиженными
газами.
Лабораторный
практикум №2 (3 часа)
Применение
электронных и ионных
приборов в физических
экспериментальных
исследованиях
(12
часов)
1)Измерение
[3], [9]
температуры
тел
термометром
сопротивления
2)Снятие
температурной
характеристики
терморезистора
3)Измерение
теплопроводности
сравнительным
методом
11 класс
1) Полупроводниковые
приборы
и
их
использование
в
физических
экспериментальных
исследованиях
(6
часов)
Ознакомление
с
терморезисторами
и
фоторезисторами
различных
типов,
полупроводниковыми
диодами,
транзисторами.
Некоторые
характеристики
транзисторов.
Применение
транзисторов.
Логические элементы и
их применение.
Особенности
Лабораторная работа [4], [9], [13]
№6:
«Сборка
полупроводниковых
усилителей (1 час)
62
физического
эксперимента
при
использовании
полупроводников
и
микромодульной
техники. Применение
компьютера в физикотехнических
экспериментальных
исследованиях.
2)
Генераторы
и
усилители с обратной
связью (5 часов)
Роль
обратной
связи,
коэффициент
обратной
связи,
отрицательная
обратная
связь,
самовозбуждение,
генераторы.
Лабораторная работа
№7:
«Сборка
(из
готовых
блоков)
усилителя с обратной
связью
и
его
исследование» (1 час)
Лабораторная работа
№8:
«Сборка
(из
готовых
блоков)
генератора
и
его
исследование» (1 час)
3) Ионные приборы и
их
применение
в
физических
экспериментальных
исследованиях (1 час)
Тиратроны,
неоновые
лампы,
газоразрядные
счётчики
Лабораторный
практикум
№3:
«Измерение
электрических
величин. Исследование
механических
колебаний и волн» (5
часов)
1)Измерение
[8], [9]
электроёмкости
конденсатора
с
помощью
гальванометра
2)Расширение пределов
измерения
электроизмерительных
приборов (ваттметра,
подбора
шунтов
гальванометра,
изготовление авометра)
3)Исследование
зависимости
силы
фототока
от
поверхностной
плотности
потока
излучения
63
Электроизмерительные Устройство
приборы (2 часа)
электроизмерительных
приборов
магнитоэлектрической,
электромагнитной,
тепловой,
термодинамической,
индукционной,
электростатической
систем
и
их
применение.
Лабораторный
практикум
№4:
«Исследование
электромагнитных
явлений» (4 часа)
Электроизмерительные Устройство
приборы (2 часа)
электроизмерительных
приборов
магнитоэлектрической,
электромагнитной,
тепловой,
термодинамической,
индукционной,
электростатической
систем
и
их
применение.
Оптические
методы
Рефрактометры.
исследования (4 часа)
Устройство
рефрактометра,
основанного
на
явлении
полного
внутреннего
отражения.
Другие
виды рефрактометров.
4)Определение длины
звуковой
волны
(фигуры Лиссажу)
5)Изучение
ультразвука
Лабораторная работа [15], [16]
№9:
«Изучение
устройства приборов
различных систем» (1
час)
1)Измерение индукции [14], [9]
магнитного
поля
постоянного магнита
2)Измерение
индуктивности
катушки
по
её
сопротивлению
переменному току
3)Изучение отражения,
преломления
и
поглощения радиоволн
различными телами
4)Изучение скорости
тел
по
эффекту
Доплера (на примере
звуковых волн)
Лабораторная работа [15], [16]
№9:
«Изучение
устройства приборов
различных систем» (1
час)
[3], [8], [9]
64
Пирометры,
их
устройство и принцип
работы.
Болометры.
Фотодатчики:
фотоумножители,
фотодиоды, светодиды.
Поляриметры,
их
устройство
и
назначение.
Интерференционные
приборы.
Различные
виды дифракционных
решёток. Оптические
схемы спектрографа и
спектроскопа.
Трёхтрубный
спектроскоп.
Разрешающая
способность
спектральных
приборов.
Лабораторный
практикум
№5:
«Оптические методы
исследований»
(6
часов)
1)Измерение
[13], [14], [3]
показателя
преломления газа
или
жидкости
интерференционны
м методом
2)Измерение
размеров
тел
малого
диаметра
оптическими
методами
3)Измерение
толщины
полупрозрачной
ленты с помощью
фотоэлемента
4)Поляризационный
метод
изучения
распределения
механических
напряжений
в
деформируемом
теле.
65
66
Методические рекомендации по проведению занятий
Формируемая в настоящее время в школе система образования по физике охватывает
достаточно большой объём знаний. При этом возможности специализированных
кабинетов физики настолько широки, что возникает необходимость создания учебнометодического комплекса, который обеспечивал бы эффективную помощь при
профориентации учащихся, а именно:
 Дать представление о методах физического экспериментального исследования как
важнейшей части методологии физики и ряда других наук, развить интерес к
исследовательской деятельности.
 Углубить знания основного курса физики, повысить интерес к его изучению.
 Сформировать целый ряд измерительных умений, необходимых при освоении в
дальнейшем технической профессией.
Объём данного курса рассчитан на часовую нагрузку в течение 10-11 классов, однако
учебный материал, помещённый в нём, может обеспечить и большую нагрузку в неделю.
10 класс (34 часа)
В начале рекомендуется познакомить учащихся с целями и задачами курса.
Провести беседу о роли экспериментальных исследований в науке и технике, а
также о измерении как основе эксперимента. Провести необходимый инструктаж
об организация рабочего места, технике безопасности при проведении
электротехнических и радиотехнических работ. Особое внимание обратить на
причины электротравматизма. Ток силой 0,1 а, проходящий через организм
человека, опасен для жизни. Электрическое сопротивление человеческого
организма, находящегося в нормальном состоянии, равно нескольким десяткам
тысяч ом. Оно зависит от физического состояния человека. В особо
неблагоприятных случаях (болезненное состояние, .сильное потение и т. п.)
электрическое сопротивление человека равно лишь 400 — 1000 ом. Пользуясь
формулой закона Ома для участка цепи, нетрудно подсчитать, что напряжение
40 в уже опасно.
Поражение людей током случается чаще всего вследствие: .
а) прикосновения к неизолированным токоведу-щим частям — оголенным проводам,
контактам электрических машин, рубильников, ламповых патронов, предохранителей и
других аппаратов и приборов, находящихся под напряжением;
б) прикосновения к частям электроустановки, обычно не находящимся под
напряжением, но в результате повреждения изоляции оказывающимся под напряжением, например, к корпусуэлектродвигателя;
в) прикосновения к токопроводящим частям, не являющимся частями
электроустановки, но случайно оказавшимся под напряжением, например, к сырым
стенам, металлическим конструкциям здания;
г) нахождения вблизи места соединения с землей оборванного провода
электросети.
Монтаж и ремонт электроустановок производят в соответствии с, рядом
требований:
а) все электроустановки должны быть смонтированы так, чтобы их токоведущие части
были недоступны для случайного прикосновения: провода и кабели тщательно изолированы, другие токоведущие
части закрыты защитными ограждениями в виде кожухов, ящиков, шкафов;
б) металлические части электрооборудования, непредназначенные для
прохождения по ним тока, должны быть заземлены, т. е. соединены с землей с
помощью медных проводов. Заземление уменьшает опасность поражения током людей,
прикоснувшихся к нетоковедущим
67
частям, которые оказались под напряжением; сопротивление заземляющих проводов
должно быть не более 4 ом;
в) во избежание опасности поражения электрическимтоком ученикам и малоопытным
рабочим не разрешается производить монтаж или ремонт электроустановок, если они
находятся под напряжением. Нужно перед началом работы с помощью контрольной
лампы или
указателя напряжении убедиться, что напряжение отсутствует.
Тема «Методика физических экспериментальных исследований» состоит из двух
разделов:
1) «Структура физического эксперимента» знакомит в течение 5 часов с этапами
проведения физических исследований, ролью гипотез и физических моделей (на
конкретных примерах), требованиями к проведению эксперимента. Следует повторить с
учащимися понятие прямого и косвенного измерения, рассмотреть методы
непосредственной оценки, сравнения и т.д. (на конкретных примерах), а также оптические
и электрические измерения неэлектрических величин. Рассказать подробно о термопаре,
термометре сопротивления, компьютерном датчике измерения температуры и другие
средства измерения температуры. Необходимо занятия сопровождать демонстрациями:
 Измерение малых перемещений с помощью оптического рычага
 Датчики: поплавковый, мембранный, центробежный, реостатный, терморезистор,
фотоэлемент, пьезоэлемент, тензодатчик
 Измерение температуры пламени при помощи термопары и термометра
сопротивления
Закрепить полученные знания рекомендуется с помощью лабораторной работы №1
«Практическое знакомство с действием различных датчиков».
2) «Обработка результатов измерения» - проводится в течение 8 часов.
Рассматривается теоретический материал о случайных и систематических
погрешностях, необходимости обработки результатов измерений, приборных
погрешностях. А также пути устранения систематических погрешностей.
68
Необходимо обратить внимание учащихся на методы проверки приборов, определение
доверительного интервала значений измеряемой величины, представление результатов
измерений в виде таблиц, графиков. Завершить тему рекомендуется рассмотрением
компьютерной обработки результатов измерений. Тема сопровождается демонстрациями:
 Обработка результатов измерений и вычислений с помощью компьютера
В завершении выполняется лабораторная работа №2: «Обработка результатов
измерений, получаемых с помощью компьютерных датчиков» (датчик измерения
давления, температуры, фотодиодный датчик, датчик измерения малых перемещений,
датчик магнитного поля, фотоэлемент, датчик силы тока, напряжения и т.д.)
Тема «Техника физических экспериментальных исследований» рассчитана на 11 часов
и состоит из трёх разделов, каждый из которых завершается лабораторной работой:
1) Правила пользования экспериментальными приборами (2 часа)
Предлагается рассмотреть: назначение экспериментальной аппаратуры, класс точности
и приборные погрешности, пределы измерений, чувствительность, правила пользования
приборами, чтение шкал приборов, подбор приборов для конкретных измерений,
включение приборов в цепь, снятие показаний приборов. Объяснение сопровождается
демонстрациями:
 Ознакомление с приборами различных типов и назначений
 Правила включения приборов в электрическую цепь и снятие показаний
Лабораторная работа №3: «Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)» (1 час)
2) Электронные приборы (6 часов)
Происходит знакомство с источниками питания, усилителями. электронным
осциллографом. Подробно рекомендуется ознакомить учащихся с устройством
осциллографа, назначением органов управления, правилами пользования, получением
осциллограмм. Используются демонстрации:
 Источники питания
 Модели механических усилителей
 Действие электронного усилителя
 Устройство и принцип действия электронного осциллографа
Лабораторная работа №4: «Экспериментальное исследование звуковых колебаний с
помощью осциллографа» (2 часа)
3) Составление и чтение простейших радиосхем (3 часа)
Обозначение элементов радиосхем: резисторов, конденсаторов, катушек
индуктивности, радиоламп, полупроводниковых приборов и транзисторов.
Лабораторная работа №5: «Нахождение блоков питания и усилительных блоков на схемах
и приборах. Замена блоков под руководством учителя» (2 часа)
Для закрепления полученных знаний на практике рекомендуется проведение
лабораторного практикума в течение 7 часов, состав работ которого может варьироваться
в зависимости от решения преподавателя
1) Определение диэлектрической проницаемости  различных материалов
2) Зависимость емкости конденсатора от площади пластин и расстояния между ними
3) Определение емкости конденсатора баллистическим методом
4) Электризация через влияние (электрическая индукция)
5) Электрическое поле в воде
6) Измерение энергии электрического поля заряженного конденсатора
Тема «Получение вакуума, криогенная техника» рассматривается в течение 3 часов.
Учащимся предлагаются к рассмотрению:
понятие о низком, высоком и сверхвысоком
вакууме, вакуумные и форвакуумные насосы, правила их эксплуатации, методы
измерение низкого давления. После расширяются познания в области методов получения
низких и сверхнизких температур: адиабатного расширение, дросселирования, кипения
при низком давлении и другое. Обсуждаются свойства жидкого азота, кислорода, гелия.
69
В завершение теоретической части полезно рассмотреть вопросы о
хранении
сжиженных газов, их транспортировке, методах охлаждения образцов, а также технике
безопасности при работе со сжиженными газами. При обсуждении теоретической части
используются демонстрации:
 Схемы насосов, барометров ионных и магнитных
 Работа металлического барометра
 Получение низких температур при испарении
 Опыты с жидким воздухом
 Сосуд Дьюара
 Схема гелиевых установок
Лабораторный практикум №2 (3 часов) завершает изучение курса в 10-м классе.
Предлагаемые работы:
4) Измерение температуры тел термометром сопротивления
5) Снятие температурной характеристики терморезистора
6) Измерение теплопроводности сравнительным методом
11 класс (34 часа)
Курс продолжается с 12-часовой темы «Применение электронных и ионных приборов
в физических экспериментальных исследованиях». Она состоит из трёх разделов и
завершается лабораторным практикумом.
1) Полупроводниковые приборы и их использование в физических экспериментальных
исследованиях (6 часов).
Происходит ознакомление учащихся с терморезисторами и фоторезисторами
различных типов, полупроводниковыми диодами, транзисторами. Рассматриваются
некоторые характеристики транзисторов, применение транзисторов, а также логические
элементы и их применение.
Обращается внимание на особенности физического эксперимента при использовании
полупроводников и микромодульной техники. Рассматривается возможность применения
компьютера в физико-технических экспериментальных исследованиях. Возможно
использование виртуальных лабораторных работ (по желанию).
Демонстрации:
 Снятие характеристики стабилитрона
 Действие логических элементов и их комбинаций
Для закрепления навыков предлагается лабораторная работа №6: «Сборка
полупроводниковых усилителей (1 часа)
2) Генераторы и усилители с обратной связью (5 часов)
Рассматривается роль обратной связи, коэффициент обратной связи, отрицательная
обратная связь, самовозбуждение, генераторы. Закрепляется материал в виде
лабораторных работ:
Лабораторная работа №7: «Сборка (из готовых блоков) усилителя с обратной связью и его
исследование» (1 час)
Лабораторная работа №8: «Сборка (из готовых блоков) генератора и его исследование» (1
час)
3) Ионные приборы и их применение в физических экспериментальных исследованиях (1
час)
Рассматривается устройство тиратронов, неоновых ламп, газоразрядных счётчиков.
Демонстрации:
 Действие тиратронов
 Газоразрядный счётчик
Завершается тема
выполнением лабораторного практикума №3: «Измерение
электрических величин. Исследование механических колебаний и волн» (10 часов):
6) Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра
70
7) Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов (ваттметра,
подбора шунтов гальванометра, изготовление авометра)
8) Исследование зависимости силы фототока от поверхностной плотности потока
излучения
9) Определение длины звуковой волны (фигуры Лиссажу)
10) Изучение ультразвука
Тема «Электроизмерительные приборы» изучается 2 часа. Теоретический материал
включает
в
себя
рассмотрениеустройства
электроизмерительных
приборов
магнитоэлектрической, электромагнитной, тепловой, термодинамической, индукционной,
электростатической систем и их применение. Далее предлагается лабораторная работа
№9: «Изучение устройства приборов различных систем» (1 час).
Закрепление темы происходит в виде лабораторного практикума №4: «Исследование
электромагнитных явлений» (4 часа)
5) Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита
6) Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению переменному току
7) Изучение отражения, преломления и поглощения радиоволн различными телами
8) Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере звуковых волн)
Тема «Оптические методы исследования» рассматривается 4 часа и включает в себя
следующий материал:
Рефрактометры. Устройство рефрактометра, основанного на явлении полного
внутреннего отражения. Другие виды рефрактометров.
Пирометры, их устройство и принцип работы.
Болометры. Фотодатчики: фотоумножители, фотодиоды, светодиды.
Поляриметры, их устройство и назначение.
Интерференционные приборы. Различные виды дифракционных решёток. Оптические
схемы спектрографа и спектроскопа. Трёхтрубный спектроскоп. Разрешающая
способность спектральных приборов.
Демонстрации:
 Трёхтрубный спектроскоп
 Зависимость дисперсии дифракционной решётки от числа штрихов на единицу
длины
Далее - лабораторный практикум №5: «Оптические методы исследований» (6 часов)
5) Измерение показателя преломления газа или жидкости интерференционным
методом
6) Измерение размеров тел малого диаметра оптическими методами
7) Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью фотоэлемента
8) Поляризационный метод изучения распределения механических напряжений в
деформируемом теле.
Методические рекомендации по диагностике результатов работы
Предлагаемые лабораторные работы и работы лабораторных практикумов можно
использовать и для индивидуальной работы учащихся, и в работе по группам, и для
итогового контроля в завершении курса. Теоретический материал учащиеся могут
подготовить как самостоятельно, так и при помощи преподавателя. Для диагностики
проводимых занятий, на мой взгляд, удобно пользоваться следующей таблицей. Эта
таблица вычерчивается учащимся на первом листе рабочей тетради. В течение
прохождения программы курса эта таблица заполняется:
Таблица контроля знаний:
Фамилия
имя, класс
71
Оценка
учителя
Взаимооценка
Самооценка
Сумма
баллов
Выходной
контроль
(оценка
учителя)
Итоговая
оценка
учителя
Взаимооценка и самооценка выставляется каждое занятие обязательно. В завершении
курса
планируется
защита творческой
научно исследовательской
работы,
конструкторских задач или задач на проекты (возможны варианты парных или
индивидуальных работ). За эту работу ставится выходной контроль и после этого –
итоговая оценка.
Рекомендуется создать банк научно-исследовательских работ учащихся в электронном
виде. Так например, в нашей школе-гимназии в банке имеется материал по следующим
работам (накоплены в течение 3 лет):
 Освещение в свете экономии
 Исследование профиля поверхности вращающейся жидкости и определение ускорения
свободного падения
 Изучение механических свойств человеческого волоса
 Исследование свойств постоянных магнитов и изучение влияния электромагнитных
полей на организм человека
 Определение плотности тела неправильной формы
 Искусственная радуга как объект для определения длины световой волны
 Исследование зависимости периода малых колебаний линейки от расстояния от точки
подвеса до центра масс
 Оценка размеров кристаллов и скорости их роста
 Оптические явления в поэзии Серебряного века
 Каустика цилиндрической линзы
Литература для учащихся:
 Буров В.А. , Зворыкин Б.С. «Практикум по физике в средней школе».- М.:
«Просвещение», 1993 г.
 Горбунова О.И., Зайцева А.М. «Задачник-практикум по общей физике». М.:
«Просвещение», 2007 г.
 Джанколи Д. «Физика». / Пер. с англ. М.: «Мир», 1989 г.
 Емельянов М.М. «Практикум по радиоэлектронике». – М..: «Просвещение», 1981 г.
 Кабардин О.Ф. «Физика. Справочные материалы», М.: «Просвещение», 1989 г.
 Лабораторный практикум по физике: учебное пособие для студентов ВУЗов/ Под ред.
Ахматова А.С.- М.: «Высшая школа», 2003 г.
 Ланге В.Н. «Экспериментальные физические задачи на смекалку». М.: «Наука», 1985
г.
 Левинштейн М.е., Симин Г.С. «Знакомство с полупроводниками»/Под ред.
Л.Г.Асламазова.-М.: «Наука»,1984 г.
 Мнеян М.Н. «Новые профессии магнита».- М.: «Просвещение»,1985 г.
 Околотин В.С. «Сверхзадача для сверхпроводников».- М.: «Знание»,1983 г.
72





Поляков А.М. «Разгаданный полупроводник».- М.: «Просвещение»,1985 г.
Поляков В.А. «Практикум по электронике». – М.: «Просвещение», 1997 г.
Патрунов Ф.Г. «Холод и техника».- М.: «Московский рабочий»,1989 г.
Рыдник В.И. «О современной акустике».-М.: «Просвещение»,2001 г
Хитун В.А., Скляревич В.В. «Практикум по физике для медицинских ВУЗов».- М.:
«Высшая школа», 1982 г.
 Эдельман В.С. «Вблизи абсолютного нуля. - М.: «Наука»,2004 г.
 Электроника сверхвысоких частиц.- М.: «Радио и связь»,2001 г.
Литература для учителей:
1) Баймухамедов М.Ф., Демина Н.Ф., Ямпольский В.С. «Внеклассная работа по физике и
электронике». Алма-Ата,1989 г.
2) Бродянский В.М., Семёнов А.М. «Теоретические основы криогенной техники.- М.:
«Энергия»,1980 г.
3) Буров В.А. , Зворыкин Б.С. «Практикум по физике в средней школе».- М.:
«Просвещение», 1993 г.
4) Гаркуша Ж.М. «Основы физики полупроводников».- М.: «Высшая школа»,2002 г.
5) Горбунова О.И., Зайцева А.М. «Задачник-практикум по общей физике». М.:
«Просвещение», 2007 г.
6) Горошков Б.И. «Радиоэлектронные устройства» (Справочник).- М.: «Радио и связь»,
2003 г.
7) Емельянов М.М. «Практикум по радиоэлектронике». – М..: «Просвещение», 1981 г.
8) Енохович А.С. «Справочник по физике и технике».- М.: «Просвещение»,1998 г.
9) Лабораторный практикум по физике: учебное пособие для студентов ВУЗов/ Под ред.
Ахматова А.С.- М.: «Высшая школа», 2003 г.
10) Методика факультативных занятий по физике / Под ред. Кабардина О.Ф., Орлова В.А.
– М.: «Просвещение»,1998 г.
11) Поляков В.А. «Практикум по электронике». – М.: «Просвещение», 1997 г.
12) Тульчинский М.Е. «Качественные задачи по физике.» – М.: «Просвещение»,1972 г.
13) Хорошавин С.А. «Физико-техническое моделирование».- М.: «Просвещение»,1983 г.
14) Хитун В.А., Скляревич В.В. «Практикум по физике для медицинских ВУЗов».- М.:
«Высшая школа», 1982 г.
15) Электрические измерения: учебник для техникумов / Под ред. Маликовского В.Н.- М:
«Энергоиздат», 2002 г.
16) Электрические измерения: учебник для техникумов / Под ред. Фремке А.В.- М:
«Энергия», 2000 г.
73
74