Лабораторный практикум / МетодСоветы и указания.doc
Методические советы и указания по выполнению
лабораторного практикума
Подготовка к лабораторной работе
С чего начинать
Прочитайте описание лабораторной работы и составьте общее представление о работе.
В конце описания каждой лабораторной работы приведен перечень основных физических понятий, явлений, законов, знание которых необходимо для выполнения работы. Прочитайте соответствующие разделы в учебнике, просмотрите также разделы, указанные в списке рекомендованной литературы. Не следует приступать к подготовке, если у Вас на рабочем столе нет рекомендованных в описании учебников.
Что писать (рисовать) в конспекте
Название лабораторной работы напишите в начале чистой страницы, выделите цветом или подчеркните.
Полезно привести в конспекте определения основных физических величин, формулировки законов, краткое описание явлений, с которыми вы будете иметь дело в данной лабораторной работе (изучите и выпишите из учебника).
Напишите в конспекте теоретическую часть описания лабораторной работы обязательно с подробными математическими выкладками и преобразованиями. Трудные и непонятные места отметьте. С их обсуждения постарайтесь начать беседу с преподавателем во время допуска к работе (но принципиальные вопросы необходимо разрешить до выполнения лабораторной работы).
Зарисуйте электрическую схему установки.
Выполните расчетное задание. Приведите в конспекте подробное описание ваших действий при его выполнении (формулы, таблицы, графики).
Что нужно знать и уметь
Вы должны уметь быстро и правильно формулировать изучаемые в лабораторной работе физические законы, давать определения основным физическим величинам, понимать их физический смысл
Нужно уметь самостоятельно выводить все формулы, приведенные в описании лабораторной работы.
Необходимо понимать цель лабораторной работы, методику проведения эксперимента. Нужно знать какие величины и каким образом вы будете измерять, что будете делать с полученными экспериментальными значениями: какие величины будете рассчитывать, сопоставлять, какие графики строить и как они должны выглядеть.
Необходимо уметь рассчитывать погрешности, выполнять графическую обработку результатов измерений.
Выполнение лабораторной работы
Последовательность
Внимательно изучите измерительный стенд, убедитесь в наличии всех необходимых приборов и компонентов, проверьте электрическую схему соединений. Назначение всех компонентов и соединительных проводов на стенде должно быть понятно - при необходимости обратитесь с вопросами к инженеру или преподавателю.
Ознакомьтесь с используемыми в работе приборами, изучите органы управления и их функциональное назначение (подробные инструкции по эксплуатации приборов можно получить у инженера лаборатории). Без необходимости не меняйте настройки приборов, не включайте их, пока не поймете, как с приборами работать.
После получения допуска к работе включите приборы и проверьте экспериментальную установку: убедитесь, что стенд работает должным образом (например, с ростом частоты или напряжения на выходе источника питания измеряемые величины меняются в "нужную" сторону).
Далее действуйте в соответствии с указаниями, приведенными в описании лабораторной работы. К «циклическим» измерениям следует приступать только после того, как вы убедитесь, что все ваши действия верны. Первая экспериментальная точка должна быть измерена, проверена и «обсчитана» особенно тщательно.
Полностью выполните первое упражнение (проведите измерения, выполните необходимые расчеты, постройте графики, рассчитайте погрешности), обсудите полученные результаты с преподавателем и только после этого приступайте к следующему упражнению.
Как записывать экспериментальные результаты
Успех при выполнении лабораторной работы в значительной степени зависит от того, насколько подробно и аккуратно ведутся записи в рабочей тетради. Далее на простом примере мы проиллюстрируем некоторые правила (они набраны курсивом), следуя которым, вы сможете избежать ошибок и значительно сэкономить время и силы при выполнении лабораторной работы.
Пример. Конденсатор в цепи переменного тока.
В качестве примера рассматрим выполнение следующего задания. Известно, что при протекании через конденсатор переменного (синусоидального) тока эффективные значения тока и напряжения на конденсаторе связаны соотношением
, (1)
где - частота переменного тока, C - емкость конденсатора. Емкость плоского конденсатора с круглыми обкладками радиуса r, расположенными на расстоянии d друг от друга определяется формулой:
, (2)
где , - площадь обкладки, 8,85.10-12 Ф/м - электрическая постоянная. Необходимо экспериментально проверить формулы (1) и (2).
Рис. 1. Электрическая схема установки
Электрическая схема измерений показана на рис.1. Переменное напряжение частотой (2…20) кГц подается с выхода генератора Г на конденсатор и включенный последовательно с ним резистор известного сопротивления . Этот резистор служит для определения тока через конденсатор:
. (3)
Эффективные значения напряжения на резисторе и на выходе генератора измеряются вольтметрами VR и VС Сопротивление выбрано достаточно малым, так что измеряемое вольтметром VС напряжение можно считать равным напряжению на конденсаторе .
Упражнение 1. Измерения при фиксированной частоте.
Установите частоту генератора , равной 20 кГц, а напряжение на выходе генератора (измеряется вольтметром VС) 50 В. Измерьте вольтметром VR напряжения на сопротивлении и с помощью формул (1), (3) найдите емкость конденсатора . Найденное значение сравните с рассчитанным по формуле (2).
Упражнение 2. Убедитесь, что емкостная проводимость линейно увеличивается с ростом частоты . Для этого, изменяя частоту переменного тока в пределах (2…20) кГц, снимите зависимость отношения от частоты . Постройте график этой зависимости - точки должны лечь на прямую. Проведите прямую "теоретической" зависимости Y от
,
используя для емкости значение, рассчитанное по формуле (2).
Выполнение работы
Записи, которые следует делать в рабочей тетради, далее обведены рамками. Остальной текст - наши пояснения.
Не пользуйтесь черновиками. Первичная запись экспериментальных результатов является самой подробной и достоверной. При переписывании с "черновика" на "чистовик" могут появиться дополнительные ошибки и потеряться важная информация.
Внимательно изучите установку и запишите в рабочую тетрадь значения обозначенных на установке параметров.
Запишите марки приборов, которые находятся на стенде. Может оказаться, что некоторые особенности экспериментальных результатов связаны с характеристиками использованных приборов. Нужно иметь возможность обнаружить такую связь даже по прошествии значительного времени после проведения эксперимента.
Параметры:
(1991 2) Ом,
D = (108,0 ± 0,1) мм,
d = (3,80 ± 0,05) мм.
Приборы:
Генератор: Г3-109
Вольтметр VC : В7-37
Вольтметр VR: В7-58
Измерения и расчеты для первой точки следует проводить особенно тщательно. Ошибки чаще всего возникают именно на этом этапе.
Упражнение 1. Измерения при фиксированной частоте 20 кГц:
Предел
измерений, В
Измеренная
величина, В
Абсолютная
погрешность, В
200
50,0
2
0,303
Пока нет достаточного опыта в проведении электрических измерений, полезно записывать в рабочую тетрадь не только показания приборов, но и значения установленных пределов измерений. Заметим, что чем больше установленный предел измерений, тем больше абсолютная погрешность. Так, измерения напряжения на пределе «20 В» дадут вместо 0,303 В значение 0,30 В, и погрешность увеличится в этом случае примерно в 10 раз. На используемом вольтметре есть также возможность установить предел измерений «0,2 В». Однако измерять на этом пределе напряжения, превышающие 0,2 В, нельзя - прибор покажет перегрузку. Погрешности напряжений и можно рассчитать несколько позже, когда выяснится, что при измерениях не допущены грубые ошибки. Сначала рассчитаем емкость конденсатора при помощи формул (1), (3).
Небрежные расчеты на листочке-черновике являются пустой тратой времени. При небрежной записи ошибку найти невозможно, приходится заново выполнять расчеты, и, скорее всего, сделанная ошибка повторится. Дело в том, что чаще всего ошибки возникают не при расчете на калькуляторе, а при записи формул, при подстановке в них численных значений, переводе величин в единую систему единиц.
Сначала запишите расчетную формулу, затем подставьте в нее численные значения (переведите все величины в одну систему единиц), и только затем рассчитайте при помощи калькулятора численное значение.
Расчет емкости по результатам измерений:
Ф = 24,22 пФ.
Каждый шаг выполненных действий легко проверяется (формула записана правильно, численные значения величин подставлены в нее верно, вычисления проведены без ошибки), а аккуратная запись результатов в рабочей тетради возможно будет доставлять вам и эстетическое удовольствие. Заметим, что численный результат округлен до 4-х значащих цифр. Ошибка округления при этом не превышает 0,1% и заведомо меньше погрешности измерений.
Расчет емкости по формуле (2):
Значение емкости, рассчитанное по формуле (2), условно будем называть «теоретическим», имея в виду то, что для определения емкости нам потребовались лишь простые измерения геометрических размеров конденсатора.
Мы убедились, что формулы (1) и (2) дают для емкости близкие значения. Теперь можно приступить к расчету погрешностей. Для этого потребуется информация о погрешностях используемых приборов (см. Приложение).
Расчет приборных погрешностей:
,
,
1%,
.
Погрешности - величины приближенные. Их следует округлять до одной или двух значащих цифр. Расчеты погрешностей можно выполнять и без помощи калькулятора. Воспользуемся известным правилом: при умножении и делении величин складываются их относительные погрешности.
Расчет погрешности :
,
пФ,
(24,2 ± 1,2) пФ.
Расчет погрешности :
,
пФ,
(23,7 ± 0,4) пФ.
Обратите внимание, при расчете погрешности мы точную формулу (2) упростили, полагая , что в данном случае вполне оправдано.
Окончательный результат целесообразно выделить (подчеркнуть, взять в рамку) и записать отдельной строкой.
Итак, значения емкости, найденные при помощи формул (1) и (2), в пределах погрешности совпадают:
Приступим теперь к измерению емкостной проводимости при различных частотах (упражнение 2). Эти измерения однотипные, повторяющиеся и их результаты удобно записывать в таблицу. Самое главное - обеспечить максимальную точность и достоверность результатов. Для этого необходимо оптимальным образом выбирать пределы измерений на приборах и очень разборчиво, крупно и аккуратно, без округления записывать показания приборов в таблицу.
Показания приборов - самая ценная информация. Показания приборов необходимо записывать в рабочую тетрадь без искажений, преобразований и округлений с обязательным указанием единиц измерений.
К таблице с экспериментальными значениями удобно добавить строки, в которых будут записываться расчетные величины, необходимые для построения графика: емкостная проводимость , относительная погрешность проводимости , абсолютная погрешность проводимости, абсолютная погрешность частоты .
Упражнение 2. | ||||||||||
, кГц | 20 | 18 | 16 | 14 | 12 | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 |
, мВ | 303 | 271 | 240 | 211 | 181,1 | 152,3 | 122,3 | 91,5 | 61,6 | 30,6 |
Y, 10-6 Ом-1 | 3,04 | 2,72 | 2,41 | 2,12 | 1,82 | 1,53 | 1,23 | 0,919 | 0,619 | 0,307 |
, % | 3,8 | 3,8 | 3,9 | 4,0 | 3,2 | 3,2 | 3,3 | 3,3 | 3,4 | 3,8 |
, 10-6 Ом-1 | 0,11 | 0,10 | 0,09 | 0,09 | 0,06 | 0,05 | 0,04 | 0,03 | 0,02 | 0,01 |
, кГц | 0,20 | 0,18 | 0,16 | 0,14 | 0,12 | 0,10 | 0,08 | 0,06 | 0,04 | 0,02 |
Для построения графика обычно достаточно знать 3 значащие цифры. С учетом этого проводилось округление величины .
Относительная погрешность проводимости рассчитана по формуле:
.
Погрешности приборов определены по формулам, которые приведены в описаниях приборов. Будьте внимательны, эти формулы могут иметь различный вид для разных частотных диапазонов и пределов измерений.
Наносим точки и поля погрешности на график. При помощи формулы (1) строим график теоретической зависимости . Для этого достаточно рассчитать одну точку и через нее и начало координат провести прямую.
Теоретическая зависимость: .
При 20 кГц имеем Ом-1.
Если теоретическая прямая проходит через поля погрешностей экспериментальных точек, то можно говорить о согласии теории и эксперимента.
Зависимость емкостной проводимости от частоты.
Точки - эксперимент, сплошная прямая - теория.
Итак: Экспериментальные результаты подтверждают формулы (1), (2)
Обратите внимание, все записи в рабочей тетради разделены краткими заголовками. Это позволяет быстро ориентироваться в сделанных записях.
Приложение
Краткие сведения об основных приборах,
используемых в практикуме
Вольтметры
Назначение. Современные приборы для измерения напряжения и тока обычно являются многофункциональными: с их помощью можно измерять постоянное напряжение и ток, эффективные значения переменного (синусоидального) напряжения и тока, сопротивление, некоторые приборы позволяют также тестировать диоды и транзисторы, измерять частоту переменного сигнала. Такие измерительные приборы часто называют мультиметрами. Мультиметры различных типов могут различаться по своим возможностям и характеристикам, однако основные приемы работы с мультиметрами практически одинаковы.
Выбор режима измерений. На панели прибора находятся кнопки или переключатели для выбора режима измерений: 1) постоянное напряжение, 2) синусоидальное напряжение, 3) постоянный ток 4) синусоидальный ток, 5) сопротивление, 6) дополнительные возможности, например тестирование полупроводниковых приборов. Беглого знакомства с внешним видом прибора обычно бывает достаточно, чтобы определить основные измерительные возможности прибора.
Выбор предела измерений. У вольтметра имеются кнопки или переключатели, предназначенные для выбора предела измерений. Например, если выбран предел измерений "2В", то прибор может измерять напряжения, не превышающие 2 В. В противном случае на индикаторе появляется специальная комбинация цифр, сигнализирующая о перегрузке (например, гаснут все разряды, кроме старшего, или показания начинают мигать). Режим перегрузки ("зашкаливания") неблагоприятен для прибора и нужно как можно быстрее выйти из него, выбрав иной предел измерений, или уменьшив входной сигнал.